接收机供电系统EMC设计

毛志军

（中国西南电子技术研究所 四川 成都610036）

接收机供电系统EMC设计

毛志军

（中国西南电子技术研究所 四川 成都610036）

为了解决一种宽带高灵敏度接收机供电系统的电磁干扰问题，文章基于DC/DC电源的EMI机理和EMI的解决措施进行分析，结合接收机分级供电的特点，并通过切断干扰传播途径和提高设备抗干扰能力的方式进行EMC设计改进，使接收机的电磁兼容性满足使用要求。

接收机；DC/DC电源；EMI机理；EMC设计

由于开关电源EMI[1]信号占有很宽的频率范围，又有一定强度，在小的空间及高频电路中传导和辐射，污染了周围的电磁环境，影响电子设备的电磁兼容性，对此，宽带高灵敏度接收设备是不能接受的。文中就DC/DC电源产生EMI机理[2]和EMI解决措施进行简要的介绍，并提出了基于宽带高灵敏度接收机的供配电系统的EMC设计的主要问题和解决办法。

1 开关电源产生EMI机理及解决措施

1.1 开关电源EMI机理及产生原因

开关电源产生EMI的机理及主要原因包括：

1）开关管产生噪声:不论开关电源是调频式还是调宽式，开关管始终工作在开关状态，在导通时流过较大的脉冲电流。输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量，从傅立叶级数[3]理论分析频率可达数GHz。

2）高频变压器产生噪声:由高频变压器初级，开关管，滤波电容构成的高频开关电流回路及绕组漏感引起电流突变，都会产生尖峰干扰可能产生较大的空间辐射。

3）整流二极管反向恢复时间引起的噪声:高频整流回路中二极管因其受反偏电压而转向截止时，PN结中有较多的载流子积累，载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而产生很大的电流变化（di/dt）。

4）其他原因产生的干扰。

1.2 开关电源EMI传播途径

开关电源产生的尖峰和谐波干扰能量通过开关电源的输入输出线传播出去而形成干扰称为传导干扰，传导干扰主要有差模和共模的两种形式；谐波和寄生振荡的能量通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场，这种电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰，如图1所示。

1.3 开关电源EMI的解决措施

形成电磁干扰的3大要素是干扰源、传播途径和受扰设备[4]。因此，解决电磁干扰必须从这3个方面着手。

图1 DC/DC干扰途径示意图

1）首先应该抑制或消除干扰源，选择不易产生噪声，不易传导及辐射噪声的零件，由于我们属于二次集成故此技术取决于电源制造厂商水平。

2）其次采用EMI滤波器技术[5]、隔离技术、屏蔽技术切断干扰源和受干扰设备之间的传播途径。

3）最后对内部用电模块二次稳压供电，同时隔离供电回路和对连接电缆及模块采取屏蔽措施，提高受干扰设备抗干扰能力，降低对干扰信号的电磁敏感度[6]。

2 宽带高灵敏度接收机供电系统的EMC设计

由于我们的设备使用的电源一般都属于是二次集成，即在模块的基础上组合应用，故这里仅对切断干扰传播途径和提高设备抗干扰能力两点进行分析，同时结合宽带高灵敏度接收机供电系统设计中遇到的电磁兼容问题进行总结。

2.1 电源干扰对中频输出噪声基底的影响

宽带高灵敏度接收机中频输出的频谱噪声基底偏高，且不平坦，不满足系统噪声基底平坦的要求。其频段范围内噪声基底全景图如图2所示。

图2 噪声基底全景图

2.1.1 分 析

接收机出现噪声基底偏高和不平坦的主要因素有：一种是接收机信道出现故障，信噪比发生变化；另一种是接收机输出信号受到噪声干扰，输出信号噪声基底被抬高。通过图3我们可以看出，接收机在整个频段范围内有部分噪声基底满足要求；同时，对接收机输入参考信号测试发现其工作正常，故怀疑接收单元信道噪声基底受到外界干扰。

采取用直流稳压源单独对接收单元加电测试，发现接收单元工作正常，初步判断接收单元信道在整机上受到了电源噪声的影响。

因此，首先对接收机电源单元输出进行了测试，发现其纹波为50 mV，满足指标要求；其次，对电源的输出滤波电路进行了分析，低通滤波[7]电路如图3所示。其主要由扼流圈L10与C10组成低通滤波电路，扼流圈L10的等效电感为L，以电源输出端作为输入，负载方向作为输出。

图3 低通滤波电路

由图可见，以上LC网络组成的低通滤波电路，可滤除ω0=1/L10C10以上的高次谐波，但对共模噪声干扰的没有抑制措施，图1中提出的共模噪声在这里不能进行有效的抑制或隔离，可能导致共模噪声通过辐射和传导两种传播途径干扰接收单元信道。

2.1.2 措 施

1）对开关电源电路屏蔽和结构屏蔽的采取以下几点措施

①由于双绞线、同轴电缆都能有效地抑制电磁干扰。双绞线绞合的圈数最好为偶数，且每单位波长所绞合的圈数愈多，消除耦合的效果愈好。使用同轴电缆时要注意，其屏蔽层必须完全包覆信号线接地，即接头与电缆屏蔽层必须360°搭接，才能有效屏蔽电磁场。

②短距离的信号传输时，为了降低差模信号的电磁辐射可以采用带状电缆，这样减小了信号线和信号回流线所形成的回路面积，因此，在设计带状电缆与插座布局时，最好将成对的信号线与接地线间隔排列。

③在选择材料进行开关电源的盒体结构设计时，当干扰电磁场的频率较高时，选用高电导率的金属材料；当干扰电磁场的频率较低时，选用高磁导率的金属材料；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，则采用高电导率和高磁导率的金属材料组成多层屏蔽体。

④在设计开关电源盒体时，金属板之间的搭接采用焊接，无法焊接时则使用电磁密封垫或其它的屏蔽材料；盒体上的开孔孔径要小于被屏蔽的电磁波波长的1/2，否则屏蔽效果将大大降低；如果盒体的屏蔽效能仍无法满足要求时，可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了对开关电源整个盒体的屏蔽之外，还可以对电源单元内部的元器件、部件等干扰源或敏感器件进行局部屏蔽。

通过上述几点电路和结构屏蔽技术[8]的应用后，再次全景频谱扫描发现接收机输出噪声基底如图4所示，比对上次全景图（图2），发现采取一系列屏蔽措施后全景频谱扫描时的干扰频点有所减少。

图4 采取屏蔽技术后的全景图

虽然上述屏蔽技术减少了干扰频点，但并未到达噪声基底降低的结果，故继续开展了以减小电源传导干扰为中心的滤波措施。

2）共模和差模混合滤波措施

由于前面的分析表明，我们的电源滤波电路存在着无法滤除共模噪声的缺陷，因此，这里对差模和共模干扰在共模电感中的特性进行了分析。对开关电源二根进线或出线而言，存在共模干扰和差模干扰，如图5（a）及图5（b）所示。

图5 共模及差模干扰

在差模干扰信号作用下，干扰源产生的电流i，在磁芯中产生方向相反的磁通Φ，磁芯中等于没有磁通，线圈电感几乎为零。因此不能抑制差模干扰信号。

在共模干扰信号作用下，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。这种接法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。因此，电路中在各组电源输出与负载之间插入共模扼流圈，该扼流圈对电源高频共模噪声[9]的等效阻抗较高，因而可以得到希望的插入损耗。

为了其兼顾差模和共模滤波电路的特点我们将原来图3中的差模和图5（b）中共模扼流圈组合成如图6所示的组合滤波电路。

图6 组合滤波电路

L1、L2、C1可除去差模干扰。L1、L2为不易磁饱和的材料，C1可选陶瓷电容。选定C1及截止频率fo，可根据 L1=L2=1/[（2πf0）22C1]计算 L1及 L2。

L3、C2、C3可除去共模干扰，L3为共模扼流圈。选定 C=C2=C3及截止频率 fo，则可根据 L3=1/[（2πf0）2C]计算 L3。

通过采取的组合滤波技术，我们单独测得电源单元在输出纹波在满足要求情况下，其固有噪声包络（频率范围XXXMHz～XXXMHz）电平由不加组合滤波前-70 dBm降至-110 dBm。此时，系统全景频谱扫描接收机中频输出的噪声基底也降低到-125 dBm，具体如图7所示。

图7 采取组合滤波技术后的全景图

2.1.3 结 论

由图7中的全景图可以看出接收机中频输出噪声基底偏高的主要原因是电源共模噪声通过传导的方式干扰输出信号，将噪声基地抬高。在采取了组合滤波措施后电源的差模和共模的宽带噪声干扰都得到了有效的抑制，系统全景扫描的频谱噪声基底达到了指标要求。

2.2 电源噪声与输出中频信号相位噪声的关系

接收机输出中频信号相位噪声[10]有变化，出现不稳定现象。多次测试发现相噪指标有波动，且不稳定，故怀疑接收机某部件性能指标偏差，不稳定引起。反复测试该现象可重复出现，说明为固有特性，只要改善该部份电路的性能，就可能排除现象。

2.2.1 分 析

经过分析，认为对接收机中频输出信号相噪有影响的主要是接收机的几个本振源，其中影响最大的是一、二本振信号的相位噪声[11]。

用频谱分析仪测量一本振和二本振信号的相位噪声，测试结果如表1所示。

表1 改进前相位噪声测试结果

由于接收机频率源单元的一本振和二本振的环路滤波器的运算放大器的供电均是直接使用DC/DC电源输出电压供给，电源上的噪声可通过运放供电叠加到VCO[12]的压控端，形成寄生调相噪声[13]，影响输出本振信号相位噪声。其机理分析如下：

图8 存在噪声时的环路相位模型

图8为存在运放电源噪声干扰时的锁相环环路线性相位模型。

图中：Kd为鉴相器的鉴相增益；F（p）为环路滤波器的传输算子；

K0为VCO 的压控灵敏度；θi（t）为输入信号相位；θo（t）为输出信号相位；θe（t）鉴相器输出误差信号相位；n（t）为电源噪声信号。由图8可得②～③的传递函数 Hn（s），即。

设噪声信号 n（t）=Uncos（ωnt+θn）则 n（t）产生的寄生调相振幅为

一本振和二本振为二阶锁相环，有

ωn为环路自然谐振频率即环路带宽，ξ为阻尼系数。

由上式可见，当 x＞＞1 或 x＜＜1 时，|Hn（jω）|随 x的增加或减小而减小，其最大值发生在x=1附近。所以，要想减小运放电源带来的寄生调相噪声，必须使环路的自然谐振频率远小于或远大于电源的干扰噪声频率[14]。

由于接收机内电源单元的DC/DC电源模块的干扰噪声具有宽带特性，依靠调整锁相环路参数无法完全虑除电源噪声干扰。加之，VCO压控灵敏度很高K0（400 MHz/V），噪声在这里引入直接影响了本振信号的短稳性能，即相位噪声。

2.2.2 措 施

鉴于开关电源在前面采取的一系列屏蔽和滤波措施，其输出纹波，噪声基底已经达到了一个很小的值，如果一味加强电源滤波其体积将大大增加，受体积重量限制，在滤波方案设计上进行了折中考虑。为获得好的电源特性，经分析比较，使用低压差线性二次稳压可以得到良好的隔离滤波特性[15]。

采用低压差线性稳压器，对频率源单元的运算放大器的24 V供电就近进行二次稳压，稳压到+22 V后再供给运算放大器使用。因此，一、二本振VCO频率调谐压控范围可以达到+2～+20 V，并能够覆盖全频段工作范围，而且经过独立二次稳压后的调谐电压也更为稳定，故本振信号相噪可以得到提高。用频谱分析仪测量一本振和二本振的相位噪声，测试结果如表2所示。

表2 改进后相位噪声测试结果

2.2.3 结 论

通过表2测试结果表明，一、二本振的相位噪声有明显的改善，接收机输出中频信号相噪不再波动，满足系统要求，二次稳压措施有效，充分证明了设备供电系统采用分级供电在电磁兼容方面所具有的优势。也为设备电磁兼容性从系统供电角度打开了新的设计思路。

3 结束语

文章基于DC/DC开关电源在宽带高灵敏度接收机供电系统中带来的电磁干扰进行了实例分析，总结了其在设备中的EMC设计方法。该设备供电系统具有抗干扰性强、稳定性高、输出纹波小、电磁兼容性好的特点；其设计方法使宽带高灵敏度接收机得电磁兼容性达到了同行业内领先水平；这些方法对其它电子产品的EMC设计提供了一定参考价值。从电磁兼容设计角度来讲，系统供电设计不仅是设备稳定工作的重要保证，而且是设备EMC设计重点方向之一。

[1]张文波.电子设备电磁兼容性测试[J].电子技术与软件工程，2014（7）:141.

[2]胡锦毅.开关电源电磁干扰及其抑制技术的分析[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2016（2）:233-234.

[3]徐华中.开关电源噪声分析及处理方法[J].武汉理工大学学报，2010，32（6）:900-903.

[4]李军庆，胡绍忠.开关电源电磁干扰问题的探讨[J].轻工科技，2012（5）:56-57，66.

[5]武小军.EMI滤波器设计[J].电子测试，2011（7）:75-80，113.

[6]李炤.浅析通信电源的电磁兼容性[J].农家科技，2011（S1）:38.

[7]宋青.飞艇DC-DC配电器供电系统优化设计[J].计算机仿真，2015，32（12）:30-35，71.

[8]宋凯平.电磁干扰的屏蔽技术研究[J].舰船电子工程，2014，34（1）:155-157，167.

[9]宋飞，胡世平，姚信安.开关电源低纹波设计研究[J].价值工程，2011（19）:30.

[10]徐坤智，敬守钊，戴治洪.射频信道的相位噪声分析[J].电子质量，2012（9）:4-7，16.

[11]潘姚华，梅年松，陈虎，等.A 3 to 5 GHz lowphase-noise fractional-Nfrequency synthesizer with adaptive frequency calibration for GSM/PCS/DCS/WCDMA transceivers[J].半导体学报，2012，32（1）:80-85.

[12]李永波.本振相位噪声对接收机性能的影响[J].电讯技术，2012，52（4）:562-565.

[13]周峰.一种新的伴随调相测量方法[J].电子学报，2012，40（3）:592-594.

[14]漆家国.频谱监测射频接收机频谱纯度的影响因素分析[J].电讯技术，2012，52（4）:539-543.

[15]陈富吉.浅析线性稳压器的原理及特点[J].中国新通信，2012（8）:82.

EMC design of receiver power supply system

MAO Zhi-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to solve the problem of electromagnetic interference in a broadband high sensitivity receiver power supply system，this paper analyzes the EMI mechanism and the EMI solution based on the DC/DC power supply，according to the characteristics of power supply of the receiver，the EMC design is improved by cutting off the interference transmission way and improving the anti-interference ability of the equipment，so that the electromagnetic compatibility of the receiver meets the requirement.

receiver； DC/DC power； EMI mechanism； EMC design

TN86

B

1674－6236（2017）16-0166-05

2016-07-24稿件编号：201607171

毛志军（1979—），男，四川广汉人。研究方向：卫星有效载荷、航天外测设备。