功率计的电磁兼容设计中磁珠应用

功率计的电磁兼容设计中磁珠应用

黎己林

广州致远电子股份有限公司，广东省广州市，510665

摘要

在功率计的电磁兼容设计当中，磁珠对直流信号无衰减而随着频率的变化对干扰信号将会形成很大损耗，在电源电路和信号传输电路中得到了广泛的应用。本文基于功率计在研发样机阶段出现辐射发射超标问题，通过在电磁兼容整改中合理的利用磁珠解决了辐射发射问题，分析了磁珠的特点，并提出了解决辐射发射的电磁兼容设计方案。最后功率计顺利通过辐射发射测试，裕量充足。通过本次功率计的电磁兼容整改，更加了解磁珠在辐射发射超标整改中应用特点。

关键词

功率计 电磁兼容 辐射发射 磁珠 阻抗

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引言

随着现代科技的高速发展，电子行业的发展越来越快，功率计的工作频率和集成度越来越高，产品的电磁兼容问题越发突出。现阶段对于功率计的磁兼容设计方案主要来源是靠常规的电磁兼容设计规则和来源于实际工作当中积累的整改经验提炼。尤其是功率计，在工业和居民生活中应用广泛。功率计的结构比较复杂、内部线缆比较多，电路板工作的频段和芯片集成度比较高，应用的电磁环境比较恶劣，国际标准和国家标准对功率计的电磁兼容指标做了明确的规定，因此功率计的电磁兼容设计难度比较大。

本文基于功率计在研发样机阶段出现辐射发射超标问题，通过在电磁兼容整改中合理的利用磁珠解决出现的辐射发射问题，详细分析了磁珠的特性，并提出了解决辐射发射的电磁兼容设计方案。最后功率计顺利通过辐射发射测试，裕量充足。本文提出用磁珠来解决辐射发射超标的问题，对其他电子测量仪器有参考意义。在功率计的辐射发射超标问题整改过程，我们利用磁珠元件解决了功率计的辐射发射超标问题，因此将电磁兼容整改过程通过本文体现出来，为大家在同类型问题电磁兼容整改和功率计的电磁兼容设计提供一种思路和参考。

1.功率计辐射超标案例

在对功率计的研发样机进行辐射发射测试时，可知当天线高度为1米，转台角度为66°时，有最大超标频点240MHz，超出限值2.4dB，如图 1所示。

图 1 辐射发射测试结果

1.1辐射源定位

根据现场的测试结果进行了初步的定位分析。定位分析的原则是逐一去掉外部接口线缆，判断外部接口线缆是否存在天线效应；再遵循单一变量的原则，逐步排除并定位辐射源。后续的主要整改方向：抑制辐射源和减小金属外壳与核心板地间的阻抗。因为更改PCB的周期太长，所为后续的整改方案并没有选择抑制辐射源，而是减小金属外壳与核心板地间的阻抗。共模电流会通过金属外壳流入大地，一旦回路的阻抗发生变化，便会产生共模电压，形成单极天线对外辐射。将金属外壳内层的绝缘漆刮掉，增强其与产品金属支架的连接性，降低接触阻抗。整改后的数据如所示，从整改结果看出，结果并未有所改善，仅仅只是超标频点的不同。

图 2 从结构角度整改后的辐射骚扰试验结果

辐射骚扰试验的数据的仔细分析，发现超标频点221.9375MHz、228.125MHz、234.375MHz、240.625MHz、253.125MHz之间的差值都是6.25MHz或者是其的倍频。由此说明辐射源是与6.25MHz相关的周期信号。经过与研发工程师的仔细查找，发现整个核心板上与6.25MHz相关的信号线分别是：显示板时钟信号PANEL_SCK（3.125MHz）和测试量板上串行转并行595的时钟信号：F1_595SCK、F2_595SCK、F3_595SCK（1.5625MHz），这两组信号分别是6.25MHz的二分频和四分频。并利用ROHDE&SCHWARZ(简称：R&S)的示波器RTO1024，加上近场探头，精确定位辐射源。R&S示波器的测试数据如图 3所示，图片上方的黄色波形为时域波形，下方为该时域波形的频域波形。当将近场探头放置在核心板与底板连接器附近时，能清晰地捕捉到辐射超标的频点，图中标出频点：234.4MHz和240MHz。而这个连接器上的信号线正好包含显示板时钟信号PANEL_SCK和测试量板上串行转并行595的时钟信号：F1_595SCK、F2_595SCK、F3_595SCK，因此证明这些信号是辐射源。

图 3整改前R&S示波器近场扫描数据

这些时钟信号是间隔传输的，并不是明显的周期信号，因此之前用公司的频谱仪并未能定位到此点。在确定辐射源后，利用频谱仪的数据保持最大功能，在与R&S示波器测试的相同位置进行一段时间的测试，最终得到如图 7所示数据。频谱仪同样也捕捉到了辐射超标的频点，避免了仪器误差，进一步证明了显示板时钟信号和595时钟信号为辐射源。虽然这些时钟信号的频率并不高，最高才3.125MHz,并且是间隔传输的，但是这些信号的上沿陡峭，它们的信号带宽相应的也宽。这些信号在传输过程中，一旦遇到阻抗变化，如连接器引起传输线阻抗变化，便会产生振铃，不但影响信号质量，而且还会形成强有力的电磁辐射。这些时钟信号从核心板经过电源底板，再分别进入前面显示和各测量板，中间存在多个过孔，连接器，传输线阻抗严重失调。并且走线超过50cm，已经超过频点240MHz所对应波长的四分之一，形成强劲的辐射天线。

图 4 整改前频谱仪近场扫描数据

1.2整改措施

针对一些时钟频率不高，对信号上升沿要求不高的时钟信号所引起辐射超标的最有效的方案是对其进行滤波处理。因此需要在这些信号的源端增加滤波设计，沿长信号上升沿时间和抑制高次谐波信号能量。整改前利用力科公司的示波器wavepro7100A对显示板时钟信号PANEL_SCK进行频谱分析，测试数据如图 9所示。从图中可看出，该时钟信号的高次谐波分量幅值较高，并且包含各超标频点。在不影响信号正常工作的前提下，对其进行滤波处理。

图 5整改前显示板时钟信号PANEL_SCK频谱分析数据

经调试，最终确定的滤波电路是：串接TDK磁珠MMZ1608D121B，磁珠后加去耦电容220pF，原理图和参数如图 6所示。

图 6 滤波电路原理图

磁珠的阻抗曲线图如图 11所示，其选型原则是：在不影响信号正常工作的前提下，在有用信号频率段阻抗越小越好，在需要抑制的频率段阻抗越大越好。从中可看到，有用信号频率其基频3.125MHz至5倍频15.625MHz的阻抗约为20Ω，对信号的衰减较弱，不影响信号正常工作；而在高次谐波频段200MHz至300MHz范围内，其阻抗最高能达到700Ω，能起到有效的抑制作用。

图 7MMZ1608D121B磁珠阻抗曲线

整改后与整改前对比，再用R&S的示波器RTO1024及安捷伦的频谱仪，在相同的位置进行近场扫描。超标频点已全部消失，滤波电路已有效的抑制高次谐波信号的辐射。

整改后，功率计通过辐射发射测试，裕量比较大。

2.结论

在功率计的电磁兼容设计中，对于辐射发射要给以特别关注。本文基于功率计在研发样机阶段出现辐射发射超标问题，通过在电磁兼容整改中合理的利用磁珠与电容组成的滤波电路解决出现的辐射发射问题，结并提出了解决辐射发射的电磁兼容设计方案。最后功率计顺利通过辐射发射测试，裕量充足。本文通过电磁兼容辐射整改案例的应用加深了对磁珠特性的了解和明确了在电磁兼容设计中对磁珠的应用选型关键。

参考文献

[1]王继红，王志鹏．磁珠在开关电源EMC设计中的应用[J].通信电源技术，2004 21(5):20-22

[2]郑军奇．电子功率计设计EMC风险评估[M].北京：电子工业出版社，2008

作者简介

黎己林，男，1985年10月，广东省乐昌市，

大学本科，仪器仪表电磁兼容设计与整改

E-mail：bevin.0000@163.com.电话:13926407865

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