一種電源EMC設(shè)計

陸旭

摘要：電磁兼容（EMC）設(shè)計是關(guān)系到設(shè)備自身和使用環(huán)境的一個重要指標，隨著軍用設(shè)備的環(huán)境越來越嚴格，對于電磁兼容的要求也逐漸提高，每一型產(chǎn)品都需要通過GJB151B的多項測試。本文通過對CE102這項指標進行分析，提出一種電源EMC設(shè)計方法，從而設(shè)計出了一種良好的電源濾波器，提高了產(chǎn)品的電磁兼容性能。

關(guān)鍵詞：EMC;電磁兼容;CE102;濾波器

1 引言

電磁兼容Electromagnetic Compatibility（EMC），也叫電磁兼容性，一般包含兩部分。一是設(shè)備受同一環(huán)境下的其他設(shè)備的電磁干擾;二是設(shè)備干擾同一環(huán)境下的其他設(shè)備^?[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的體積越來越小，大量的集成電路設(shè)計在狹小的空間，這將使電路相互產(chǎn)生更加嚴重的電磁干擾^[2]。為了確保整個系統(tǒng)準確、可靠地工作，電路設(shè)計中的電磁兼容設(shè)計越來越受到設(shè)計人員的關(guān)注和重視，尤其是作為設(shè)備的“心臟”--電源設(shè)計。電源的電磁特性是進行電源設(shè)計時必須考慮的關(guān)鍵問題，對電源的電磁兼容性進行定量分析和設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計中的重要一環(huán)。對于電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）測試項的指標優(yōu)化，通常采用加裝合適的電源濾波器的方法。

2 電磁兼容試驗

2.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）試驗

CE102測試項是GJB151B中重要的試驗項目之一^[3]。軍工設(shè)備出現(xiàn)CE102超標的情況相對GJB151B中的其他測試項目往往要更多一些。CE102測試的是頻率為10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射，這種頻率的干擾會降低電源的品質(zhì)，從而使產(chǎn)品上的電源不能滿足有關(guān)標準的要求。此種頻率的干擾通常是由于數(shù)字電路通過開關(guān)電源傳遞到電源線上。CE102測試試驗按圖1所示的方式連接測試設(shè)備與受試產(chǎn)品，按GJB151B-2013規(guī)定的方法進行測試。

對使用原電源濾波器的產(chǎn)品進行CE102試驗，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，在10kHz～10MHz范圍內(nèi)，產(chǎn)品通過電源線對外輻射的信號在225kHz和300kHz處，超出指標要求。

2.2 CE102測試項問題分析

外部電源經(jīng)過產(chǎn)品電源接口接入，經(jīng)過電源濾波組件后成為產(chǎn)品的二次電源，如圖3所示。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，二次電源1的DC/DC模塊（J）IMLF2-18S15-J的開關(guān)頻率為250kHz±20kHz，二次電源2的DC/DC模塊（J）IMLF2-A2S24-J開關(guān)頻率為320kHz±20kHz，對應(yīng)電源線對外輻射的信號在225kHz和300kHz處超出指標。所以CE102超指標頻率為產(chǎn)品二次電源DC/DC模塊開關(guān)頻率。

3 電源EMC設(shè)計

3.1 電源濾波器設(shè)計

電源濾波器一般安裝在電源電路的輸入和輸出之間。電源濾波器可以濾除來自于外界的干擾，也能濾除來自產(chǎn)品內(nèi)部的騷擾^[4]。采用EMI濾波器能有效抑制傳導(dǎo)干擾，其主要作用是抑制開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲。本次設(shè)計的電源濾波器用來替換產(chǎn)品原有的電源濾波器，從而解決CE102測試項問題。

在圖3所示A位置，使用示波器檢測電源信號，發(fā)現(xiàn)在頻率200kHz～300kHz處，信號強度大約為-48dBV，B位置約為-28dBV。由于產(chǎn)品二次電源DC/DC模塊開關(guān)頻率，使225kHz～300kHz處超出指標要求，只要使B位置信號強度至少減弱25dBV，就可以解決CE102測試項出現(xiàn)的超標問題。具體解決思路是去掉圖3中兩個濾波器，設(shè)計一種EMI濾波器替換。

EMI濾波器放置于圖3所示A位置和B位置之間，由串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器組成低通濾波器。本設(shè)計主要考慮將頻率在150kHz～350kHz的傳導(dǎo)型電磁環(huán)境衰減至合理范圍內(nèi)，頻率在150kHz～350kHz的電磁干擾屬于射頻干擾，從形成特點分為差模干擾和共模干擾。電源設(shè)計中，首先設(shè)計出基礎(chǔ)的電磁干擾濾波電路，如圖4所示，27V直流電經(jīng)過電磁干擾濾波電路后作為產(chǎn)品二次電源。

L1為共模扼流圈，當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈磁通方向相同，經(jīng)過耦合總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗^[5]。C2、C3 為共模抑制抑制電容，中間接地，主要用來濾除共模干擾;C1、C4 為差模抑制電容，可有效抑制差模干擾。為了方便計算濾波器的參數(shù)值，將濾波器設(shè)計成二階濾波器，本次設(shè)計EMI濾波器原理圖如圖5所示，直接按照EMI所需的衰減量和40dB/dec的衰減率計算出最低的轉(zhuǎn)角頻率^[6]。

設(shè)計的濾波器參數(shù)LC可以通過公式3.1計算得到，該方法容易造成EMI濾波器設(shè)計不準確，后期需要根據(jù)試驗結(jié)果微調(diào)電感值。電容值已設(shè)計時確定，根據(jù)公式可計算出電感值。

（3.1）

其中，為EMI所需的衰減量。

經(jīng)過計算得出電感值為15mH。使用示波器檢測B位置電源信號，信號強度大約為-68dBV，對比從前減弱了40dBV，完全滿足信號減弱要求。所以在產(chǎn)品二次電源供電線路上使用15mH的電感是解決CE102試驗問題的有效措施。

3.2 安裝EMI濾波器后的CE102試驗

對使用新電源濾波器的產(chǎn)品進行CE102試驗，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，在10kHz～10MHz范圍內(nèi)，產(chǎn)品通過電源線對外輻射的信號都沒有超出指標要求。試驗結(jié)果合格，CE102項目通過考核。

4 結(jié) 論

電磁兼容性試驗是檢驗產(chǎn)品合格性的重要方法，將試驗中發(fā)現(xiàn)的問題反饋到系統(tǒng)設(shè)計中，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，從而提高產(chǎn)品性能。本產(chǎn)品的CE102問題是由二次電源DC/DC模塊開關(guān)頻率引起，試驗結(jié)果表明通過設(shè)計專用EMI濾波器成功解決了CE102問題。

參考文獻

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[3] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部. GJB151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量[S]. 北京：中國人民解放軍總裝備部，2013.

[4] 蔡駿，王旭東.車載電子信息系統(tǒng)電磁兼容性試驗方法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014.

[5] 李小亮，董雪峰.脈沖電容試驗裝置控制系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2016.

[6] 林榮鼎.通信系統(tǒng)中開關(guān)電源的EMC設(shè)計分析[J]. 移動通信，2014.

（作者單位：貴州航天電子科技有限公司）