新颖的时频对照法解决EMI问题

黄敏超

（敏业信息科技（上海）有限公司，上海200135）

新颖的时频对照法解决EMI问题

黄敏超

（敏业信息科技（上海）有限公司，上海200135）

在产品开发的EMI测试和整改过程中，经常会遇到很多问题很难用常见的电磁干扰理论进行解释和解决，由此提出一种新颖的时频对照法来解释并解决这些EMI问题。时频对照法借助近场探头和频谱分析仪，确认产品中隐藏的电磁场分布，准确定位噪声源位置和其传播途径。结合实际案例，通过抑制噪声源本身强度来解决EMI问题。

时频对照法；电磁兼容；EMI；近场探头

引言

目前，业界分析和解决电磁干扰EMI（electro magnetic interference）问题，主要有两种电磁干扰理论，可以简称为“路”和“场”的方式［1，2］。“路”的方式将噪声源分成差模噪声和共模噪声，通常主要用于传导干扰问题的分析和处理；“场”的方式，将电磁噪声源分为di/dt和dv/dt，根据噪声源的波长λ/ 2π，将电磁干扰的问题分成近场和远场进行分析和解决，多用于辐射干扰问题的分析和处理。

然而采用“路”的方式设计和解决传导EMI问题时很难回答以下2个问题：①常见的火线L和零线N的传导干扰为何不对称？②EMI滤波器设计中的关键参数“寄生电容”的位置在哪里，容量是多少？同样采用“场”的方式设计和解决辐射EMI问题时也会遇到2个问题：①为何垂直方向的辐射干扰强度和水平方向的辐射干扰强度不一样？②传播路径为何不像电磁波那样的直线传播？而且采用上述两种方式处理EMI问题时，并没有从电磁兼容三要素［1］出发，确认噪声源的准确位置和找出其传播路径，再采取针对性的解决措施。替而代之，多数工程师更倾向于依据以往的经验，采取多级的共模滤波器、差模滤波器、各种屏蔽和反复更改布线来解决EMI问题，而采取不断的增加共模滤波的级数来解决传导EMI问题，这样的EMI整改实践有点像“盲人摸象”，不同的工程师会有各自不同的判断和解决方法，而且这样获得的经验就很难直接复制到别的新产品中。因此，EMI问题一直是业界新产品开发中最头疼的问题，而且整改的进度无法控制，少则2～3周，多则2～3个月，甚至6个月以上。而且产品的EMI测试结果当满足EMI法规要求后，依然不清楚噪声源的准确位置和传播路径，从而无法对产品中的EMI措施进行进一步的优化，达到最低成本和体积最小化的目的；还不能保证大批量生产时的EMI性能的稳定性，出现大批量生产时EMI抽查超标，以及客户质量投诉。

针对上述问题，本文提出一种新颖的时频对照法来分析和解决EMI问题，借助近场探头和频谱分析仪，准确定位噪声源位置和其传播途径，提出针对性的解决方案。结合实际案例，介绍如何定位噪声源位置及其传播途径，阐述如何通过抑制噪声源强度采取针对性的解决措施来解决EMI问题。

1　新颖的时频对照法

时频对照法是基于电磁兼容三要素中的噪声源、传播途径和敏感设备，借助近场探头和频谱分析仪，在频域下确认特定频段噪声源的准确位置及其传播途径；当明确噪声源的位置后，可利用示波器、电压探头和电流探头，在时域下确认噪声源的具体dv/dt的电压波形或di/dt的电流波形，找到与特定频率相关的因素；根据产品的具体设计，可以选择2种方式解决EMI问题，一种通过抑制噪声源本身强度解决EMI问题，另一种在噪声的传播途径中采取EMI整改措施解决产品的EMI问题。

抑制噪声源本身强度是一种EMI解决措施中属于治本的方法，通过抑制噪声源强度，可以大幅减轻EMI滤波器，甚至可以省掉一些体积庞大的共模滤波器，减小体积，降低成本。因此在各种EMI解决措施中可优先考虑。

当噪声源强度属于电路基本工作原理而无法改变时，就必须从噪声源的传播途径中采取EMI整改措施来解决产品EMI问题，比如改变电路布局、电路布线、改变EMI滤波器参数［5，6］等，使得噪声源通过EMI滤波器，避免通过其他路径产生对外界环境的干扰。

2　近场探头及频谱分析仪使用方法

近场探头和频谱分析仪是时频对照法中定位噪声源位置和其传播途径的关键工具［3-5］。近场探头有不同的外形，其外形和配件如图1所示。近场探头探测电磁场的范围大小也不同，可以从20 mm～2 mm的精度。因此，可以定位噪声源的位置精细到器件的引脚。

图1　近场探头组Fig.1 Near filed probe set

频谱分析仪的使用方法不同于示波器。频谱分析仪在扫描信号强度时，需要关注一个重要参数：频率步长。在其用于EMI的噪声强度评测时，频率步长为9 kHz。当扫描噪声强度时，每屏扫描同样位置上的某个特定频率点噪声强度都会不同，其测试背景示意如图2所示。这样当采取不同整改措施时，就很难对特定频段的噪声强度进行比对。

图2　特定频段的磁场强度测试示意Fig.2 Magnetic field test picture at specified frequency range

因此，使用频谱分析仪确认噪声强度的方法，不是采用示波器的触发同步方法，而是采用最大值保持功能进行反复刷新，采样最大的噪声强度，其测试背景示意如图3所示。

频谱仪的最大值保持功能可以很方便地评估整改措施前后对电路板上电磁场分布的影响，图4为LED驱动器控制芯片的供电端Vcc对地并联0.1 μF旁路退耦电容前后磁场差异的测试现场示意。

图3　最大值保持模式的噪声强度测试示意Fig.3 Noise strength test picture at max hold mode

图4　并联0.1 μF旁路电容前后对比示意Fig.4 Comparison test picture before and after paralleled with 0.1 μF bypass capacitor

3　实际案例

本文实验方案的制定和实验数据的测量基于宁波远东照明有限公司的实验测试平台进行。图5为58 W电子镇流器样机照片，其电路原理和印刷线路板PCB如图6和图7所示。它的零线传导干扰在300 kHz到600 kHz超过EN55015中Class B的限制要求，但火线传导干扰符合Class B的限制要求，属于不对称传导干扰，如图8所示。

图5　58 W电子镇流器样机Fig.5 58 W e-ballast prototype

图6　58W电子镇流器电路原理Fig.6 Schematic of 58 W e-ballast

为准确定位300～600 kHz噪声源的位置，利用近场探头和频谱仪对多处关键电路板测试点进行场强测试，测试结果如图9所示。图（a）为PCB上的场强测试点分布，图中，圈圆为测试点；测试点1为共模电感连接火线的引脚，其最大磁场为66 dBμV，如图9（b）所示；测试点2为谐振半桥的中点，其最大磁场强为57 dBμV，如图9（c）所示；测试点3为连接荧光灯阴极的引脚，其最大磁场为50 dBμV，如图9（d）所示；测试点4为无源PFC的二极管D9和D10的连接点，其最大磁场为72 dBμV，如图9（e）、（f）所示。通过比较各测试点的磁场强度，可以发现点4的磁场强度超过点1、点2和点3的场强，甚至超过晶体管谐振半桥桥臂的中点场强。因此可以判断点4，即无源PFC电路中二极管D9和D10的连接点为噪声源。

图7　58 W电子镇流器PCB图Fig.7 PCB layout of 58 W e-ballast

图8　58 W电子镇流器传导干扰Fig.8 CE of 58 W e-ballast

进一步根据各测试点的场强，得出噪声源的传播途径，如图10所示。从图中噪声的传播路径来看，可以解释为何零线的传导干扰比火线要厉害。

为找到解决方案，需要进一步确认噪声源的时域特性，是由di/dt还是由dv/dt引起的？用电流探头测试流经二极管D9和D10电流；测试电咱如图11（a）所示，波形如图11（b）所示，从图（b）中二极管D9和D10电流波形中可以看出，虽然电流波形频率为50 Hz，但在二极管导通时，有很快的电流上升率di/dt。噪声源就是这个电流上升率di/dt引起的，而且噪声源的强度与电流波形的上升率直接相关。如果可以改变二极管的电流上升率，就可以降低噪声源的干扰强度，解决产品的传导EMI问题。

尝试在二极管D9和D10上串联电阻，如图12所示，以改变流进二极管的电流上升率。当在二极管D9和D10上串联39 Ω的电阻后，流进二极管D9的电流波形就从陡峭的电流跳变而改变成光滑的电流波形，如图13所示。进一步验证产品的传导干扰，串联电阻后场强直接降低了接近10 dB，可以满足EN55015传导干扰的要求，如图14所示。由于串入39 Ω电阻将导致将近0.2 W的额外损耗，考虑到产品无多余的空间用来采取差模和共模的噪声抑制措施，而且这些措施也会带来损耗和体积的增加，因此串入39 Ω电阻是一种性价比较好的解决措施。

图9　噪声源的准确位置测试结果Fig.9 Exact location test results of noise resources

图10　噪声源的传播途径Fig.10 Transfer path of noise resource

图11　测试D9和D10的电流电路和波形Fig.11 Test circuit and current waveform through D9and D10

图12　D9/D10串联电阻后的电路Fig.12 Circuit of resistors series to D9and D10

这验证了时频对照法可以很快速且有效地确认噪声源准确位置及其传播途径。通过确认噪声源时域下的对应特性，可以很快地找到正对性的EMI解决方法。

图13　二极管D9的电流波形变化Fig.13 Current waveform changing through D9

图14　串联电阻前后零线传导干扰的变化Fig.14 Netural CE change befor and after resistors in series

4　结语

基于电磁兼容三要素，时频对照法通过近场探头和频谱分析仪确认产品中电磁场分布，确认噪声源的准确位置及其传播途径，依据噪声源的频域和时域特性，可以很便捷地找到EMI的解决方法。

通过58 W电子镇流器中的电磁场分布和噪声源的传播途径探测，发现有新的问题有待解释和研究：

（1）为何噪声源的传播途径只往输入侧传播，而不往别的方向传播？

（2）噪声源传播方向和路径与哪些因素相关？传播路径是否与功率器件的开关波形的各次谐波的频率相关？

（3）噪声源的传播方向和路径是否可以预测？

［1］Paul Clayton R.Introduction to Electromagnetic Compatibility［M］.Kentucky，USA：John Wiley&Sons Inc.，2006.

［2］黄敏超.LED灯具的电磁兼容设计及应用［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［3］安捷伦科技.如何选择和使用近场探头进行电磁干扰分析（2012）［EB］.http：//literature.cdn.keysight.com/litweb/ pdf/5991-0144CHCN.pdf.

［4］Newell C.Planar near-field measurement.Nat.Bur.Stand［Z］.1985.

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［6］白新民，冯江涛，陈为.共模电磁干扰的无源补偿新方案［J］.电源学报，2003，1（2）：395-398。Bai Xinmin，Feng Jiangtao，Chen Wei.A new passive common mode EMI cancellation scheme［J］.Journal of Power Supply，2003，1（2）：395-398（in Chinese）.

［7］冯江涛，杨志辉，管峻峰，等.变压器屏蔽对开关电源电磁干扰（EMI）影响的分析［J］.电源学报，2002，1（2）：115-118 Feng Jiangtao，Yang Zhihui，Guan Junfeng，et al.Analysis of transformer shielding on SMPS EMI noise［J］.Journal of Power Supply，2002，1（2）：115-118（in Chinese）.

Novel Time-frequency Cross Methods to Resolve EMI Issues

HUANG Minchao
（Relab Tech Co.，Ltd.，Shanghai 200135，China）

During resolving the product electromagnetic interference（EMI）issues，it is difficult for the general EMI theory to explain the root cause of some EMI phenomenon.A novel time-frequency cross method was proposed to confirm the root causes and resolve the EMI issues.Based on the three electromagnetic compatibility（EMC）elements，the time-frequency cross method can confirm the exact location of the noise and its transfer path according to the hidden electric-magnetic field distribution.The EMI issue is resolved by suppressed the noise strength itself with the real case.

time-frequency cross method；electromagnetic compatibility（EMC）；electromagnetic interference（EMI）；near field probe

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.150

TM 154

A

黄敏超（1972-），男，通信作者，博士，高级工程师，主要从事电子产品的电磁兼容技术和可靠性设计的研究和解决方案，提供现场和远程的技术服务，E-mail：mickey1972@189.cn。

黄敏超

2015-12-04