EMI(干扰)和EMS(抗扰)基础知识与整改流程

EMC主要包含两大项:EMI(干扰)和EMS(产品抗干扰和敏感度)。

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EMI(Electromagnetic Interference),表示电磁干扰(电磁干涉、电磁妨碍)的术语。由于发射电磁波会导致干扰,所以经常与Emission(辐射、发射)这一术语成对使用。从开关电源方面讲,是指因开/关工作而产生开关噪声。

EMS(Electromagnetic Susceptibility),电磁敏感性,要求具备“即使受到EMI,也不会引起误动作等问题”的耐受能力,多与Immunity(耐受性、抗扰度、排除能力)成对使用。

EMI和EMS这两大项中又包括许多小项目,

EMI主要测试项:RE(产品辐射,发射)、CE(产品传导干扰)、Harmonic(谐波)、Ficker(闪烁)。其中关键测试指标RE和CE分别为传导噪声(Conducted Emission)和辐射噪声(Radiated Emission),传导噪声CE是指经由线体或PCB板布线传导的噪声,辐射噪声RE是指排放(辐射)到环境中的噪声。

EMS主要测试项:ESD(产品静电)、EFT(瞬态脉冲干扰)、DIP(电压跌落)、CS(传导抗干扰)、RS(辐射抗干扰)、Surge(雷击)、PMS(磁场抗扰)。

即:

  1. EMC(电磁兼容性)是指兼备EMI和EMS两方面的性能。
  2. EMI(电磁干扰)是指因辐射/排放(Emission)电磁波而对环境产生的干扰。
  3. EMS(电磁敏感性)是指对电磁波干扰(EMI)的耐受性/抗扰度(Immunity)。

通过这些测试项目我们不难看出EMC测试主要围绕产品的电磁干扰和敏感度两部分,如果一旦产品不符合安全认证标准需要EMC整改的时候我们可以通过降低其材料和零部件进行整改。

EMI典型电路

EMI(Electromagnetic Interference)电磁干扰屏蔽的主要元件包括电容、磁珠(磁珠抑制作用在频带宽上比电感更佳,用磁珠替代电感作为EMI元件)、电感、共模电感、ESD器件。基本共模、差模滤波电路如下。

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 一个常用共模、差模噪声抑制、传导干扰屏蔽电路、防电磁干扰的滤波电路,该电路用于滤除电源的输入和输出的噪声(150kHz~30MHz),消减对直流稳压电源的传导干扰:

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通常对于追求效率的电源来说,NTC热敏电阻几瓦的损耗始终会降低电源的转换效率,而且对于关机后在短时间内再次开机的情况,如果没有继电器,处于高温下的NTC热敏电阻将无法发挥正常作用,因此继电器与NTC在高端电源中往往是配套使用,以达到“鱼与熊掌得兼”的效果。

PC电源中的EMI滤波电路可以分为一级EMI滤波电路以及二级EMI滤波电路,也就是我们常说的“一级EMI”和“二级EMI”,其中前者一般放置在电源上的AC输入插座上,有直接把元件焊接在插座上的,也有制作成独立PCB再与插座连接的;而后者在多数是放置在PC电源的主PCB上,元件相比一级EMI滤波电路更多,同时也是电源保护系统的重要组成部分。

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 海韵X-650电源的一级EMI与二级EMI电路组成

当然并不是所有电源都会明显地区分“一级EMI”以及“二级EMI”,也有不少产品是把两者都整合到主PCB上的,不过目前大部分的产品还是会采用分离式的设计,这样既可以确保EMI滤波电路能够完全发挥作用,同时电源主PCB的布局也不会过于拥挤。

EMI滤波电路的典型元件

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图中左侧黄色方块为X电容,右侧两个蓝色元件为Y电容,中间白色磁环线圈为共模电感

PC电源的一级EMI滤波电路主要由X电容和Y电容组成,X电容和Y电容都属于安规电容,其中X电容并接在火线和零线之间,块头通常比较大,负责滤除差模干扰;而Y电容则是在火线与地线之间以及零线与地线之间并接的电容,通常以成对的形式出现,负责滤除共模干扰。

大部分的PC电源在都会采用一个X电容和一对Y电容组成一级EMI滤波电路,基本上这个属于主流的标准配置。而有部分产品会在这个基础上加入共模电感以增强EMI滤波作用,高端PC电源甚至会在这样的基础上增加接地金属罩以加强对EMI的防护效果,如海韵X-650电源就采用了类似这样的一级EMI滤波电路。
 

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 海韵X-650电源的二级EMI滤波电路组成

PC电源的二级EMI滤波电路则是在一级EMI滤波电路的基础上增添更多元件而来,除了X电容和Y电容外还会有共模电感和差模电感。共模电感(Common Mode Choke) 是拥有两个绕组的线圈,即上图中绿色磁环的电感线圈,其主要作用是抑制市电输入中的共模干扰,同时也抑制电源本身的共模干扰对外泄漏;而差模电感(Differential Mode Choke) 则是单个绕组的电感线圈,及上图中的黑色磁环线圈,其主要用于抑制市电输出中的差模干扰。

当然二级EMI滤波电路的组成往往不止如此,以海韵X-650电源的二级EMI滤波电路为例,其差模电感的旁边有一个使用热缩套包裹的两脚直插元件,被称为MOV,即金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor),它可以抑制输入电压的尖峰,可以起到防止输入电压过高以及雷击保护的作用。

此外NTC即热敏电阻(Negative Temperature CoeffiCient Resistor)也是二级EMI滤波电路中的常见的元件 ,就是海韵X-650电源的二级EMI电路中位于共模电感旁边、采用热缩套包裹的墨绿色元件,具有常温下高电阻、随着自身温度提升阻值迅速减小的特性,电源在刚通电的时候NTC的温度往往与室温相当,自身呈高阻值, 可以限制电源主电容充电形成的冲击电流。

降低NTC影响,实现高效率电源
由于NTC本质上是一个电阻,因此其多少会形成不必要的电流消耗,从而影响电源的转换效率。不过其在电源进入正常工作后,会因为自身通电而发热,随之阻值下降, 对电流的限制也会放宽,从而减少对电源效能的影响。也有部分追求高效率的电源会设法将NTC的影响降到最低,这就需要用到继电器了。

在海韵X-650电源的二级EMI滤波电路中,位于NTC隔壁的白色方块元件即为继电器。继电器一般并联在NTC热敏电阻上,在开机前处于断开状态,因此在电源通电时是NTC热敏电阻在工作;而当电源进入正常工作状态后,继电器启动并导通,从而短路NTC热敏电阻,此时NTC热敏电阻不再工作,不再 消耗电流,也就不再发热,重新回到高阻态的模式下。

继电器与NTC并联的设计可以在减少电流损耗的同时也提高 了PC电源的可靠性。
 

EMC整改意见

1、在拿到整改意见书以后,需要提前定位好EMC整改计划。没有定位好计划就去盲目的整改产品就像无头的苍蝇一样到处乱动,这样只会增加整改的成本。

2、定位手段,对于这里小编觉得主要可以分为两点。第一:直觉判断,需要完全依托工程师的直觉和经验来进行判断。第二:比较测试,根据测试仪器所提供的数据来进行分析问题。

EMC整改流程

1、RE超标整改流程:
 

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 2、电线电缆超标整改流程:

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 3、信号电缆整改流程:

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 4、屏蔽体泄漏整改流程:

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EMC整改的一些小建议

1、电容的滤波作用

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即频率f越大,电容的阻抗Z越小。

当低频时,电容C由于阻抗Z比较大,有用信号可以顺利通过;

当高频时,电容C由于阻抗Z已经很小了,相当于把高频噪声短路到GND上去了。

2、电容滤波在何时会失效

整改中常常会使用电容这种元器件进行滤波,往往有“大电容滤低频,小电容滤高频”的说法。

以常见的表贴式MLCC陶瓷电容为例,进行等效模型如下:

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 容值10nF,封装0603的X7R陶瓷的模型参数如下:

 由于等效模型中既有电容C,也有电感L,组成了二阶系统,就存在不稳定性。对电路回路来说,就是会发生谐振,谐振点在如下频率处:

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 下图是谐振曲线的示例:

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即常说的在谐振点前是电容,谐振点之后就不再是电容了。

3、LC滤波何时使用

如果串联电感L,再并联组成C,就形成了LC滤波:

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  单独一个电容C是一阶系统,单独一个电感L也是一阶系统,在幅值衰减斜率是-20dB。但LC组成的二阶系统,幅值衰减斜率是-40dB,更靠近理想的“立陡”的截止频率的效果,即滤波效果更好。

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4、PWM频率到底是多少

往往提到PWM,比如会说用20kHz PWM驱动电机等。但实际上,这个20kHz仅代表PWM的脉冲周期是50us:

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 那么所谓的20kHz PWM在频域上的频率点落在哪里呢,如下公式:

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 对于阶跃信号来说,由于上升时间tr无穷小,则频率f无穷大。当频率高了之后,寄生参数则不能在忽略,会引发很多谐振的问题。

从信号上来看,就是很陡峭的阶跃信号会有过冲和振荡的问题。简单来说就是频率f越大,则噪声所占的频率就会越宽泛,即EMC特性就会越差。

5、如何将原理图和PCB对应起来

由于细分工种的问题,原理图和PCB被割裂开来,由两组人进行分工作业:
 

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 例如在原理图上有如下的电路:

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隐含一个问题就是在PCB上其实V1的负极和C1的负极是有一条线(PCB layout工具软件中用的词比较准确,Trace,踪迹/轨迹)。

往往在设计阶段A->B->C是都会关注的。如果EMC出现问题,除了要在原理图上查找电路参数的问题,还需要特别关注C->D,即回流路径。

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 如果回流路径不顺畅,会造成信号的畸变:

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比如在EMC试验时,MCU的ADC采集到的信号被干扰到了,则除了在原理图上分析外,在PCB上讲该信号高亮出来,然后再耐心寻找该信号的回流路径是否有不顺畅的地方:

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对着信号线头脑中想象回流路径。

6、总结

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参考文档:

1、EMI(干扰)和EMS(产品抗干扰和敏感度)。_emi ems_Me sl ·的博客-CSDN博客

2、【杂记】EMC、EMI、EMS、TVS、ESD概念学习总结_emi元件是什么_Real-Staok的博客-CSDN博客

3、EMI滤波电路是由哪些元件组成的,一文看懂_电源滤波器拆解_攻城狮华哥的博客-CSDN博客

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