【導(dǎo)讀】理解EMC法規(guī)需要專業(yè)知識(shí)，OEM廠商可能很難確定新產(chǎn)品的合規(guī)性問題——在時(shí)間緊迫且預(yù)算緊張的情況下，能夠解決這類問題的OEM廠商更是少之又少。了解如何使用濾波器、屏蔽和扼流圈可以幫助尋求快速且具成本效益的解決方案。
序言：EMC挑戰(zhàn)加劇
電磁兼容性（EMC）法規(guī)旨在確保在家庭和工作場(chǎng)所中所使用的以及越來越多地貫穿于智能城市、運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)聯(lián)汽車當(dāng)中的各種不同類型的電氣和電子設(shè)備在彼此靠近使用時(shí)可以共存。這種共存對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)中斷其他設(shè)備或受到外部干擾的影響來說至關(guān)重要。
當(dāng)然，總體目標(biāo)是要防止電磁效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備或過程失效。這種失效帶來的后果可能包括諸如收不到社交媒體信息或計(jì)步器記錄不準(zhǔn)確等輕微不便，或是在起搏器控制器等醫(yī)療設(shè)備或汽車制動(dòng)控制器或鐵路信號(hào)等安全系統(tǒng)發(fā)生中斷的情況下對(duì)生命或安全帶來的嚴(yán)重威脅。
干擾源和兼容性標(biāo)準(zhǔn)
常見的干擾信號(hào)源往往包括開關(guān)電源、開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器和單相或三相電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器。通常，頻率高達(dá)30MHz的干擾會(huì)通過電纜和電流路徑傳導(dǎo)，或通過電感或電容機(jī)制在電纜之間耦合。
這些傳導(dǎo)發(fā)射可能會(huì)與同一設(shè)備內(nèi)的子系統(tǒng)相互干擾，或與附近的其他設(shè)備相干擾。高于30MHz的干擾信號(hào)通常會(huì)通過金屬部件、器件或電纜（充當(dāng)天線）向外輻射。這類寄生天線也可能會(huì)接收從另一個(gè)干擾源輻射的干擾信號(hào)。
由于干擾信號(hào)通過相同類型的信號(hào)路徑耦合，因此充當(dāng)強(qiáng)干擾源的設(shè)備可能同時(shí)對(duì)外部干擾存在抗擾度差的問題。
在歐洲，適用的法規(guī)是EMC指令2014/30/EU。該指令下的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)是雙重產(chǎn)品組，例如包含在家用電器和電動(dòng)工具用EN 55014中的產(chǎn)品組及包含在電氣照明用EN 55015中的產(chǎn)品組。這些規(guī)范的范圍包括設(shè)備發(fā)射的電磁信號(hào)的強(qiáng)度以及對(duì)于來自外部干擾源的干擾的抗擾度。
新產(chǎn)品在歐盟國(guó)家銷售之前，必須經(jīng)過合規(guī)性測(cè)試。面向商業(yè)、工業(yè)或企業(yè)環(huán)境中使用而銷售的產(chǎn)品被歸類為A類，而面向住宅環(huán)境中使用的產(chǎn)品被歸類為B類。B類設(shè)備的法規(guī)往往更加嚴(yán)格。
表1概述了用于評(píng)估被測(cè)產(chǎn)品的發(fā)射和抗擾性能的測(cè)試類型。為了通過EMC法規(guī)，被測(cè)設(shè)備必須證明任何發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度都低于傳導(dǎo)和輻射頻率范圍內(nèi)的規(guī)定限值。此外，它們必須證明能對(duì)所述干擾信號(hào)和擾動(dòng)達(dá)到指定強(qiáng)度的抗擾度。
表1.電磁發(fā)射和抗擾度的強(qiáng)制性產(chǎn)品測(cè)試。
EMC設(shè)計(jì)
確保電磁發(fā)射和抗擾度在規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)首先從電路板級(jí)向上采用最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，以便消除潛在的干擾信號(hào)路徑。其包括在IC的Vcc連接處進(jìn)行電源輸出濾波和適當(dāng)解耦，在多層PCB中仔細(xì)接地和正確放置地平面，以及避免可能充當(dāng)天線的長(zhǎng)信號(hào)走線。
OEM廠商的產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)可能不熟悉2014/30/EU指令等文件中指定的規(guī)范和測(cè)試技術(shù)，并且可能無法從企業(yè)內(nèi)部面向EMC的專業(yè)設(shè)計(jì)的專長(zhǎng)中受益。此外，就通過來自不同外部供應(yīng)商的集成模塊創(chuàng)建的產(chǎn)品而言，OEM廠商的工程師通常也無法掌控板級(jí)設(shè)計(jì)決策。
另一方面，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然從外部供應(yīng)商處采購(gòu)的功能模塊可能各自遵守EMC法規(guī)，但包括多個(gè)模塊在內(nèi)的OEM系統(tǒng)的總發(fā)射量可能會(huì)超過特定頻率下的規(guī)定限度。常見的例子包括LED照明系統(tǒng)等設(shè)備——盡管LED照明系統(tǒng)需要采用額外的系統(tǒng)級(jí)濾波來確保成品的合規(guī)性，但其可能包含多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器又具有各自符合EN 55015標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源（SMPS）模塊。
此外，如果某OEM系統(tǒng)已經(jīng)通過了測(cè)試和認(rèn)證，隨后對(duì)創(chuàng)建派生產(chǎn)品或下一代產(chǎn)品而做的設(shè)計(jì)更改可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射量增加，進(jìn)而導(dǎo)致新產(chǎn)品無法通過EMC測(cè)試。
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有時(shí)也可能發(fā)現(xiàn)住宅和工業(yè)電氣設(shè)備允許的EMI信號(hào)強(qiáng)度之間存在差異。工業(yè)設(shè)備用規(guī)范可能在某些頻段允許傳導(dǎo)或輻射噪聲達(dá)到大約75dB或100dB-110dB，但面向住宅設(shè)備的相應(yīng)限制可能要嚴(yán)格10dB或者更多。如果是為暖通空調(diào)（HVAC）或家電產(chǎn)品選擇逆變器等模塊，記住這一點(diǎn)非常重要。
解決……并認(rèn)證
諸如基美電子（KEMET）等元器件制造商通常會(huì)提供研發(fā)資源來測(cè)試客戶的系統(tǒng)是否符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些部門會(huì)分析客戶產(chǎn)品的發(fā)射和敏感性，確定不合規(guī)的原因，并開發(fā)測(cè)試解決方案，或酌情推薦更基本的設(shè)計(jì)更改。
諸如添加濾波器或引入電纜屏蔽或鐵氧體扼流圈等成熟技術(shù)，可以彌補(bǔ)OEM客戶經(jīng)常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)后期遇到的問題。其他方法可能包括金屬屏蔽，或以散裝薄片形式或以定制器件方式提供的柔性抑制材料。
市場(chǎng)上提供各種類型的EMC濾波器，它們分別針對(duì)單相或多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏或風(fēng)力發(fā)電機(jī)、醫(yī)療應(yīng)用、照明或軍事等應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這些濾波器還提供各種外形和安裝方式，例如饋通、底盤安裝或隔板安裝濾波器。除了應(yīng)用和安裝以外，進(jìn)一步的典型選擇標(biāo)準(zhǔn)包括尺寸和成本，以及是否符合適用于濾波器的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括IEC/EN 60939和UL 1283，以及CSA、cUL、MIL和德國(guó)VDE安全標(biāo)準(zhǔn)等。
圖1：基美電子的FLLD3600APVI1大電流三相EMI濾波器
補(bǔ)充案例
案例問題和解決方案1——電機(jī)/控制器應(yīng)用
圖2（a）顯示了電機(jī)/控制器組合的傳導(dǎo)噪聲如何在一個(gè)小范圍頻率內(nèi)超過規(guī)定極限，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)證測(cè)試失敗。該案例顯示了用于地?zé)釤岜玫娜嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能。通過識(shí)別干擾信號(hào)的幅度和受影響的頻率范圍，基美電子設(shè)計(jì)了一個(gè)高通濾波器，用來衰減0-4MHz范圍內(nèi)的較低頻率的干擾信號(hào)。圖2（b）說明了面向這一應(yīng)用設(shè)計(jì)的定制濾波器的作用——它確保了整個(gè)傳導(dǎo)頻率范圍內(nèi)的發(fā)射都低于EMC指令所規(guī)定的限值。
圖2（a）和2（b）：帶X電容的濾波器對(duì)熱泵驅(qū)動(dòng)器發(fā)射的影響。
案例問題和解決方案2——三相磨床
工程師經(jīng)常遇到的時(shí)間、成本或尺寸限制可以幫助您集中尋找解決方案。某三相磨床包含一臺(tái)400V交流電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)由一臺(tái)通過電纜連接至電機(jī)的單獨(dú)逆變器進(jìn)行控制。該磨床經(jīng)過發(fā)現(xiàn)超過了4-10MHz頻率范圍內(nèi)的傳導(dǎo)發(fā)射的規(guī)定限值，如圖3（a）所示。
由于沒有時(shí)間更改設(shè)備的物理布局，或是為了顯著改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)以包含更多的EMI濾波器，基美電子重新設(shè)計(jì)了逆變器和電機(jī)之間的布線，以便引入具有適當(dāng)接地的屏蔽電纜。如圖3（b）所示，這有效地將傳導(dǎo)發(fā)射的最大值減少到了大約55dB——明顯低于2014/30/EU指令所指定的60dB-73/80dB范圍。
圖3（a）和3（b）：使用屏蔽電纜盡可能減少傳導(dǎo)干擾的影響。
案例問題和解決方案3——電池備份系統(tǒng)
基美電子的EMC濾波器研發(fā)部門的另一位客戶最近要求幫助他們確保某臺(tái)醫(yī)療設(shè)備用電池備份系統(tǒng)能夠通過EMC測(cè)試。這個(gè)應(yīng)用需要為電池的往返提供較長(zhǎng)電纜，并在電池管理電路和LED指示燈之間提供長(zhǎng)電纜。經(jīng)過發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的DC/DC轉(zhuǎn)換器由于其陡峭的開關(guān)沿而成為了擾動(dòng)產(chǎn)生的原因。這些擾動(dòng)很容易被充當(dāng)天線的電纜所接收。圖4（a）顯示了電磁噪聲如何在大約57MHz的位置達(dá)到峰值——該峰值大于在該頻率范圍內(nèi)允許的40dB最大值，從而導(dǎo)致設(shè)備無法通過EMC認(rèn)證。
由于該OEM的產(chǎn)品推出迫在眉睫，他們需要快速提供解決方案。外形限制致使不可能對(duì)電纜長(zhǎng)度進(jìn)行縮短。為了解決這些限制條件下的問題，該團(tuán)隊(duì)為電池和LED電纜添加了單匝共模電感器，使每根電纜各通過鐵氧體磁芯一次。這有效地將30-200MHz范圍內(nèi)的干擾信號(hào)從40-50dB衰減到了30dB以下，如圖4（b）所示。
鐵氧體磁芯提供的形狀和尺寸有很多，可用于各種直徑的圓形電纜或其他類型的電纜，如扁平柔性電纜或帶狀電纜。這樣便可以提供經(jīng)濟(jì)的解決方案來盡可能減少設(shè)計(jì)工作，這對(duì)于時(shí)間緊迫或在發(fā)現(xiàn)有EMC問題前已經(jīng)有某些部件被生產(chǎn)的情況來說特別有價(jià)值。
圖4（a）和4（b）：使用鐵氧體磁芯來應(yīng)對(duì)電纜的天線效應(yīng)。
（作者簡(jiǎn)介：Derick Stevens：基美電子（KEMET）歐洲FAE經(jīng)理；Claes Nender：基美電子AB（KEMET Electronics AB）薄膜與電解業(yè)務(wù)部電子研發(fā)經(jīng)理）
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