某控制組合電磁發射超標分析及解決方案

侯燕春 張 倩 石彥超 楊 雪 陳思陽

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

1 引 言

傳導發射(CE)和輻射發射(RE)測試，是電磁兼容測試中主要測試項目中的兩類。在測試中，CE、RE發射值超過標準要求限值的現象較為普遍。隨著電子技術及產品功能的提升，電磁兼容標準日臻完善[1]，電磁發射指標限值要求也正逐步成為電子設備及電氣系統必須滿足的性能指標和強制要求[2,3]。

本文嘗試探討電源線傳導發射、設備輻射發射超標原因，梳理常見的發射超標加固方法。以某控制組合為例，制定排查方案，定位主要發射部位，提出加固措施并驗證，方法有效，為其他電子設備提升電磁兼容性，通過發射類測試，提供參考。

2 發射超標原因

以電源線傳導發射(CE)為例，分析超標主要原因。目前交流供電設備普遍采用開關電源，直流供電設備采用逆變器或其他變流器。開關電源中的開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成，它產生的尖峰電壓有較大幅度的窄脈沖，頻譜較寬且諧波豐富[4,5]。如果EMC設計不當，干擾可以通過近場輻射或者耦合的方式，傳輸到電源線，再傳輸到LISN上，被接收機獲取，造成電源線傳導發射超標。

設備輻射發射(RE)超標的主要原因有，電源線輻射發射、信號線輻射發射、機箱泄漏或線路板的輻射發射。以電源線的輻射發射為例，開關電源產生的干擾信號，除被接收機接收到以外，干擾信號還可能沿著電源線，加之電場或磁場耦合感染上其他電路的干擾信號向外傳輸，由線纜輻射，被接收天線獲取，造成輻射發射超標[6]。

3 超標診斷及定位方法

3.1 診斷方法和定位

對電源線傳導發射，觀察干擾波形，可通過LISN的信號端連接示波器測試。對輻射發射，可通過直接插拔外接電纜，判斷輻射發射來源。當不能插拔外接電纜時，可使用近場探頭、射頻放大器、頻譜儀方法[7]，測試線纜、孔縫的泄露，查找主要發射來源。孔縫泄露多為磁場輻射，頻率相對低，可使用磁場探頭查找，還可使用電流鉗測試電纜或電纜束上的共模電流，共模電流越大，對外輻射的能力越強。

針對輻射發射，根據頻譜信息確定超標頻率，分析由被測電路哪部分發出。超標頻率可能不是電路工作主頻，而是倍頻、諧波或雜波信號。根據近場探頭測試結果，判斷主要發射部位，對應采取措施。

3.2 常用加固方法

電源線傳導發射超標的加固方法有電源端口加濾波器[8]，改善開關電源的設計和使用屏蔽接地電源線等。對開關電源引起的電源線傳導發射超標，可在電源輸入端口添加濾波器。濾波器應正確安裝[9]，最有效的安裝位置是在機殼的進線口上。試驗證明，添加適當的濾波器，可有效解決電源線傳導發射超標。同時，添加濾波器對改善電源線的輻射發射，也有幫助。

輻射發射超標的加固方法有減小金屬機箱孔縫，采用屏蔽電纜和連接器，連接器360度環接，電纜、電路板輸入輸出端口添加濾波和去耦電路，電纜添加鐵氧體磁環等[10]。采取加固方法時，可逐一采取并驗證。為滿足標準發射限值要求，通常同時使用多種加固方法。

4 某控制組合加固方法

4.1 干擾定位

被測件為控制組合，供電電壓DC 28V，工作電流10A，連接8根電纜，分別為供電電纜、備份電纜、通信光纖及網線。被測件電源線傳導發射、輻射發射均超標。電源線傳導發射測試結果如圖1所示。

圖1 電源正線傳導發射限值及測試數據的幅頻曲線圖Fig.1 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line

根據實際試驗條件，結合輻射發射加固會改善電源線傳導發射的經驗，對被測件電纜、機箱內部板卡、機箱輻射發射進行測試。查找主要輻射發射信號，確定干擾來源，相應采取加固措施并驗證，以達到發射滿足標準要求的目的。

測試中，采用電流鉗、近場探頭，連接射頻放大器、頻譜儀的測試系統，完成干擾源定位的定性測試。

首先開展機箱連接的線纜輻射發射測試。

1)將電流鉗卡在被測件連接的電纜根部，依次測試，結果顯示每根電纜對外輻射波形相似，其中電源線發射最大，如圖2所示。在測試頻段內，頻譜儀顯示最大發射約70dBμV；

圖2 電源線輻射特性曲線圖Fig.2 Radiated emission of power line

2)將電流鉗卡在電源線上，依次斷開被測件連接的電纜，觀察電纜對電源線發射的影響。經測試發現，備份電纜對電源線發射影響明顯。當斷開備份電纜時，電源線最大發射降低優于20dB，且干擾波形發生變化，如圖3所示。經確認，該電纜為測試用非屏蔽電纜；

圖3 斷開備份電纜，電源線輻射發射測試曲線圖Fig.3 Radiated emission of power line when the back-up cable was disconnected

3)使用近場探頭測試控制組合機箱內基帶、電源、寬帶板卡對外輻射發射特性。打開機箱前面板，在各板卡側面及邊緣，使用探頭測試干擾波形。經測試發現，各板卡測得的干擾波形趨勢均與圖2相似；

4)對機箱前面板、側面板及孔縫處發射測試，如圖4所示。在測試頻段內，發射頻點與電源線輻射特性(圖2)相似，頻譜儀顯示最大發射約65dBμV。

圖4 機箱側面板測試曲線圖Fig.4 Radiated emission of the side face of shell

為進一步判斷干擾來源，將機箱內各板卡取掉，僅留電源板測試。經測試發現，電源板輻射發射波形表現為點頻及其倍頻發射，如圖5所示，波形與電源線輻射發射干擾波形的發射頻點、倍頻特性(圖2)吻合，均以約0.25MHz為間隔發射。

圖5 僅電源板對外輻射曲線圖Fig.5 Radiated emission of the power panel only

電源板上共有工作在不同頻點的8個電源模塊，由機箱前面板3個開關按鍵控制電源模塊工作。機箱內僅留電源板，觀察機箱開關的開、關對電源板輻射的影響。依次按下開關1～3，測試波形如圖6至圖8所示。當最后接通開關3時，為全部電源模塊均工作的狀態。

圖6 僅開關1接通曲線圖Fig.6 Radiated emission of the switch 1 on only

圖7 再接通開關2曲線圖Fig.7 Radiated emission of the switch 1 and switch 2 on

圖8 再按下開關3曲線圖Fig.8 Radiated emission of three switches on

經測試發現，接通開關1，發射頻點以0.25MHz為間隔(圖6)；再接通開關2，在已有發射頻點附近新增一發射頻點(圖7)；再接通開關3，再次新增一發射頻點(圖8)。此時發射波形與電源線輻射特性測試(圖2)相似。

通過上述測試，發現：

1)電纜、板卡、電源板及機箱面板的輻射測試曲線，發射頻點相似；

2)屏蔽不連續的備份電纜對電源線發射影響明顯；

3)電源板、電源線為干擾發射主要來源，其中電源板上的電源模塊為干擾信號主要產生部位。

4.2 加固驗證

1)在備份電纜上添加鐵氧體磁環，觀察備份電纜輻射變化情況，如圖9和圖10所示。經測試發現：添加鐵氧體磁環后，備份電纜最大發射降低優于10dB，該方法對改善備份電纜輻射發射有效。

圖9 未添加鐵氧體磁環前，備份電纜輻射發射曲線圖Fig.9 Radiated emission of back-up cable before adding the ferrite magnet ring

圖10 添加鐵氧體磁環后，備份電纜輻射發射曲線圖Fig.10 Radiated emission of back-up cable after adding the ferrite magnet ring

進一步，將控制組合電源線包裹屏蔽層，其他電纜均用防波套包裹，接插件處用銅箔包裹，機箱孔縫處粘貼銅箔屏蔽；

2)在電源線處添加殼體接地良好的濾波器，濾波器輸入輸出線包屏蔽層，將電源板上的每個電源模塊的輸入、輸出端均添加0.1μF電容，就近接地。

采取上述措施后，進行電源線傳導、輻射發射測試，結果如圖11和圖12所示。

綜上所述，采取本文設計的加固措施后，控制組合能夠通過電源線傳導和設備輻射發射測試。

圖11 加固后電源正線傳導發射限值及測試數據的幅頻曲線圖Fig.11 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line after modification

圖12 加固后(2～30)MHz輻射發射測試數據的幅頻曲線圖Fig.12 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for (2～30)MHz radiated emission after modification

5 結束語

在電子設備研制過程中，抗干擾設計和措施可在設備設計之初完成，能有效避免后續測試階段電磁干擾問題。經上述分析與加固梳理，初步發現：電源輸入端連接適當的濾波電路(濾波器)且濾波器封裝、接地良好情況下，能有效改善傳導發射；線纜、接插件及孔縫良好屏蔽，能有效改善輻射發射。

在排查確認發射干擾源、驗證加固措施有效性時，可采取逐一斷電纜、逐一斷板卡、電源模塊分步加電的方法，判斷干擾信號特性和確定干擾源；應用加固措施時，可使用首先采取一種加固措施并驗證，繼而在該措施基礎上，逐一添加加固措施并驗證的方法。本文所述排查方法和加固措施，可為其他電子設備電磁兼容性設計和通過測試提供借鑒。