用于外部电源的EMI解决方案

2019年12月17日 作者:Bruce Rose

用于外部电源的EMI解决方案

管理层可能会询问他们的工程团队,“外部电源已经符合监管要求了,为什么还要对系统执行传导干扰或辐射干扰测试?”答案很简单,电源开发团队是分开测试电源的,而在测试整个系统时,辐射干扰和传导干扰的特性就不同了。这篇博文将讨论如何利用铁氧体磁环,确保由外部电源和系统负载组成的系统在传导干扰和辐射干扰方面实现合规。

传导干扰和辐射干扰

电子产品通常至少有两类与这些干扰相关的信号。一类信号是必要信号:功率和数据。很遗憾,功率和数据信号的必要电压转换会增强电子产品中的第二类信号:不必要的噪音。

监管机构针对允许在系统外传播的噪音信号级别设定了限值。有关电子干扰的其中两种较常见法规是美国标准FCC第47类第15部分,以及欧洲标准EN55022。噪音传播的主要途径是依靠噪音频段传播。

大多数低频电磁噪音通过传导传播。在监管问题方面,认为“低频”电磁信号的范围是150 kHz至30 MHz。系统内的导体通常都太短,无法有效地在这一频率范围内充当天线,因此辐射干扰不是主要问题。这一频段内的寄生电感器阻抗足够低,而且寄生电容器的阻抗又足够高,使得信号可以沿导体传播,而不会骤然衰减。对于高频电磁信号(30 Mhz及以上),导体产生的寄生阻抗会严重衰减传导信号。但是,电子产品中的导体足够长,可以在这些频率范围内合理充当天线,因此辐射干扰是较高频率的主要问题。

传导干扰和辐射干扰的相关频段
传导干扰和辐射干扰的相关频段

用于解决传导干扰和辐射干扰问题的滤波器

外部电源通常在交流输入电路中加入离散电感器和电容器,以减弱沿交流输入电源线发出的电源传导噪音。内部PCB设计用于容纳这些组件,而安装的组件都要接受监管安全测试。设计和测试活动完成后,再要为了满足客户需求而对输入滤波元件进行更改,成本通常高得令人望而却步。

图示电源交流输入的传导干扰滤波器
电源交流输入的传导干扰滤波器

外部电源中的直流输出电路采用内部并联电容器来衰减电源输出的交流信号。一些设计还可以加入串联电感器,进一步衰减交流信号。但在最终辐射干扰测试期间,可能会观察到内部滤波不足以满足干扰的监管要求。不会监测直流输出电缆的传导干扰,但这种电缆可以作为辐射干扰的理想天线。解决辐射干扰过多的一种方法就是在直流输出电缆上加装一个外部铁氧体磁环,使得电源恢复合规。EMI滤波铁氧体磁环设计用于提供反应阻抗和电阻阻抗。反应阻抗有助于阻止不必要信号的传播,而电阻阻抗会消耗不必要信号产生的部分能量。可以选择这些磁环并实际布置在直流输出电缆周围,从而在相关频率发挥必要的滤波功能。

抑制EMI的铁氧体磁环:a) 简化型号
抑制EMI的铁氧体磁环简化型号
抑制EMI的铁氧体磁环:B) XRZ图
抑制EMI的铁氧体磁环的XRZ图

系统测试期间加装的铁氧体磁环滤波器

电源设计团队会单独测试电源是否符合传导干扰和辐射干扰要求。但是,将电源加入整个系统之后,系统可能就无法通过类似的干扰测试了。整个系统发生故障的一个常见原因是系统负载发出的噪音通过直流输出电缆,重新传播到电源上。在直流输出电缆上加装铁氧体磁环是一种低成本的解决方案,可以将干扰降至可接受的水平。

图解外部电源直流输出电缆上的铁氧体磁环

选择铁氧体磁环并转化投入生产

  1. 测试系统和外部电源,以确定是否存在干扰过多的频率。
  2. 选择一个铁氧体磁环,将其布置在电缆周围,使其在相关频率下提供高阻抗。一些铁氧体磁环公司提供分拆式铁氧体磁环,用于进行测试和少量生产。分拆式铁氧体磁环无需使用直流输出连接器穿过磁环上的孔,即可组装到电缆上。
图解分拆式和一体式铁氧体磁环
  1. 安装铁氧体磁环。通常,铁氧体磁环位于电缆的直流连接器末端,可在噪音信号沿着电缆从系统负载传输到电源之前就使其减弱。通常使用两圈电缆穿过铁氧体磁环。磁环产生的阻抗与绕线圈数的平方大致成正比;两圈产生的阻抗是一圈的四倍。绕线超过两圈后,每一圈的串联阻抗就会上升到足够高的水平,使得各电缆段之间的寄生电容分流能量超过磁环产生的串联阻抗。如果只绕线两圈,通过寄生电容分流不必要的信号就会降低铁氧体磁环的预期有效性。
图解铁氧体磁环的绕线圈数
  1. 如果产品用于量产,请选用与测试中所用磁环具有相似规格的非分拆式铁氧体磁环。生产中使用的铁氧体磁环的供应商可能与测试磁环的供应商不同。
  2. 制作带有铁氧体磁环的电源样品,用于进行量产。
  3. 使用量产时安装在电源直流输出电缆上的铁氧体磁环,测试系统和外部电源。这种重复测试可确保电源、量产铁氧体磁环和系统组合在一起后仍然符合干扰要求。

总览

电源和系统负载连接之后,系统设计团队有时会遇到整个系统不符合传导干扰和辐射干扰要求的问题。通常更改电源或系统负载设计的代价都十分高昂,耗费的安排时间和资源成本令人望而却步。电源直流输出电缆上的铁氧体磁环(设计带有电感和电阻阻抗组件)可使整个系统达到传导干扰和辐射干扰要求。选择合适的磁环需要经过多个步骤,可能需要系统设计团队和电源供应商的协力完成。

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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