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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-04-22 08:48
本文主要舉例分析某塑料外殼產(chǎn)品電源輸入端口出現(xiàn)傳導(dǎo)騷擾問題的現(xiàn)象、原因分析，解決措施，思考與啟示。
1.現(xiàn)象描述:2-3MHz的“電磁煙花”
某塑料外殼產(chǎn)品, 其AC電源入口的濾波電路如下圖所示：
從電路中可以看出, 濾波電路中采用兩級(jí)Y電容的共模濾波, Y電容CY2 和CY1 分列于共模電感M的兩邊。
PE是產(chǎn)品的接地端子。
其在傳導(dǎo)測試中上演驚魂一幕——2~3MHz頻段突然炸出超標(biāo)尖峰，如下圖所示：
就像電路板上突然點(diǎn)燃的電磁煙花，任憑工程師瘋狂調(diào)整電感電容參數(shù)，超標(biāo)點(diǎn)依然頑固不化！
詭異現(xiàn)象：
全頻段近乎達(dá)標(biāo)，唯獨(dú)2~3MHz頻段異常突起
共模電感堆到10mH，濾波電容加足猛料卻無濟(jì)于事
剪斷CY1電容引線后，頻譜曲線秒變平滑
2.原因分析：Y電容的“叛變之路”
第一幕：共模電流的“偷渡通道”
解剖分析前面的濾波電路發(fā)現(xiàn)致命設(shè)計(jì)：
[共模電流越獄路線]
開關(guān)電源噪聲 → CY1（4.7nF）→ PE線寄生電感 → 直通LISN
關(guān)鍵證據(jù)：
CY1在3MHz時(shí)阻抗約10Ω左右，共模電感（10mH）阻抗約200kΩ，形成99.99%電流旁路
PE線1m長度寄生電感≈1μH，化身共模電壓發(fā)生器
塑料外殼產(chǎn)品存在CY1 時(shí)傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖 如下圖所示：
根據(jù)上圖所示, 開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾共模電流ICM 在產(chǎn)品的電源端口和測試系統(tǒng)中的LISN之間產(chǎn)生分流。
其主要路徑分為兩路：
一路流向PE接地線, 即圖4中的IPE
另一路流向LISN, 即圖中的ILISN , 它直接決定著傳導(dǎo)騷擾的測試結(jié)果 (共模傳導(dǎo)騷擾)
當(dāng)A/B? PE與參考接地板之間的電位差都等于零時(shí) (即PE線無阻抗, CY2 和CX1 濾波完美), ILISN 的大小將等于零?
但是實(shí)際上, PE接地線是一根約1m長的線, 其寄生電感約為1μH (較長導(dǎo)線的寄生電感與電纜粗細(xì)影響不大, 粗細(xì)只影響電纜的等效電阻)?
這種情況下, 當(dāng)共模電流IPE 流過PE線時(shí), PE 線上產(chǎn)生的壓降ΔU就像一個(gè)電壓源一樣, 使LISN上流過一個(gè)電流ILISN , 即ILISN 必然不等于零, 如下圖所示：
共模電流ILISN 的大小在PE線寄生電感一定的情況下, 取決于LISN 的接電源線處到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE之間 (即上圖中C/D到PE之間) 的阻抗?
對(duì)于本案例產(chǎn)品的濾波電路設(shè)計(jì)來說, LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE之間存在兩條路徑：
第一條: LISN的接電源線處通過CY1 到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE (即上圖中ILISN2 電流所在的路徑)
第二條: LISN的接電源線處通過共模電感M和CY2 到產(chǎn)品中接地點(diǎn)PE (即上圖中ILISN1 電流所在的路徑)?
假設(shè)CY1 為4.7nF, 其在3MHz的頻率下, 阻抗約為10Ω, 而共模電感M為10mH時(shí), 在3MHz的頻率下, 阻抗約為200 kΩ。
所以第一條路徑的阻抗要遠(yuǎn)小于第二條路徑上的阻抗。
因此, 共模電感M相當(dāng)于被電容CY1 旁路, 流過LISN 的共模電流 ILISN 沒有被共模電感 M 抑制, 傳導(dǎo)騷擾測試電平較高?
第二幕：金屬/塑料外殼的“雙面人生”
塑料外殼：CY1成共模電流VIP通道，金屬外殼卻能通過殼體屏蔽分流90%噪聲。
高頻悖論：CY1在10MHz以上反而成救星（金屬外殼場景）
割斷電容CY1對(duì)地引線后, 上面兩圖所示的情況發(fā)生了變化。
即此時(shí)流過LISN 的共模電流ILISN 被共模電感M抑制, 共模電感M發(fā)揮了作用, 使傳導(dǎo)騷擾共模電流ILISN 降低, 測試通過?
無CY1 時(shí)傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖如下圖所示：
3.處理措施：給濾波電路“做減法”
1. 手起刀落剪CY1：
拆除共模電感前端Y電容，迫使電流流經(jīng)電感主路
效果對(duì)比：2MHz頻段騷擾電平直線下降，測試曲線全線飄綠
2. 金屬外殼必殺技：
殼體良好接地，PE線長度壓縮至＜10cm
高頻場景保留CY1（1000pF足矣），利用殼體屏蔽效應(yīng)（后面會(huì)解釋）
在上面的濾波電路原理圖中, 裝置內(nèi)部的干擾信號(hào)通過電容CY1 回到電源端口, 旁路了應(yīng)該發(fā)揮共模電流抑制作用的共模電感M而使傳導(dǎo)騷擾失敗。
按以上原理分析, 只要去掉共模電感前端的Y 電容CY1 , 就可以使本案例中的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾測試通過, 并保持有一定的裕量?
4.思考與啟示：濾波設(shè)計(jì)的“三重境界”
血淚經(jīng)驗(yàn)包
1. 少即是多：
盲目堆料反成噪聲高速公路，案例證明“剪”電容比加電容更有效
黃金法則：每增加一個(gè)器件，需評(píng)估其對(duì)電流路徑的影響
2. 接地不是萬能藥：
塑料外殼產(chǎn)品接地線長＞0.5m時(shí)，Y電容可能適得其反
金屬外殼接地要“短粗硬”，接地點(diǎn)阻抗＜0.1Ω
3. 頻段分治策略：
低頻靠電感（10mH級(jí)），高頻靠電容（nF級(jí)）
金屬外殼產(chǎn)品可玩“高頻魔法”，塑料外殼需走“極簡風(fēng)”
舉一反三技巧
遇到特定頻段超標(biāo)，立即去掉疑似電容驗(yàn)證效果
用阻抗分析儀實(shí)測PE線阻抗（1MHz以上頻段是關(guān)鍵）
共模電感優(yōu)選三明治繞法，漏感控制在1%~5%
從前面的分析，我們需要明白，一味地接地或增加濾波器件并不是抑制電源端口共模傳導(dǎo)騷擾的方法。
傳導(dǎo)騷擾的本質(zhì)是騷擾電流 (包括共模與差模, 高頻時(shí)以共模電流為主) 流過LISN。
通過濾波電路或接地改變騷擾電流的流向, 不讓騷擾電流流向LISN, 并盡量減小流向LISN的騷擾電流才是正確的產(chǎn)品傳導(dǎo)騷擾抑制設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思路?
雖然本案例是通過去除CY1 來解決傳導(dǎo)騷擾問題的, 但是并非說前面的濾波電路設(shè)計(jì)是錯(cuò)誤的?
前面對(duì)流向LISN的共模電流ILISN 是針對(duì)產(chǎn)品接地阻抗較高的軟塑料外殼產(chǎn)品。
且在CY2 電容濾波較為理想 (即CY2兩端壓降在某頻率下接近于零) 且共模電流ICM 主要是從參考接地板返回到產(chǎn)品內(nèi)部的情況下的。
實(shí)際上圖中A/B點(diǎn)到參考接地板之間的共模電壓不但與PE接地線及其上的共模電流大小有關(guān), 還與CY2 的阻抗有關(guān)?
實(shí)際產(chǎn)品中CY2 不可能做到非常低的阻抗, 即CY2 兩端存在共模電壓降ΔU′?
此時(shí), 前面所示的共模等效電路原理圖, 可以轉(zhuǎn)化為如下圖所示的CY2 兩端存在共模電壓降ΔU′而導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問題的原理圖，如下圖所示：
從圖中可以看到CY1 的存在, 反而旁路了流向LISN的共模電流? 也就是說, 此時(shí), CY1 對(duì)電源輸入端口的傳導(dǎo)騷擾測試的通過是有幫助的, 這與前面所示的情況正好相反?
實(shí)際上, PE接地線上共模電流很小的產(chǎn)品通常是帶有金屬外殼且連接正確的產(chǎn)品?
下圖是金屬外殼產(chǎn)品存在CY1 時(shí)傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖:
對(duì)于帶有金屬外殼的產(chǎn)品, 由于金屬外殼的存在, 金屬外殼可以把大部分開關(guān)電源產(chǎn)生的共模騷擾電流在到達(dá)參考接地板或LISN之前旁路在金屬外殼之內(nèi) (前提是連接正確)?
這樣, 這種產(chǎn)品的PE接地線上流過的共模電流就會(huì)很少, PE接地線上的共模電壓ΔU也會(huì)很低,即 CY1 對(duì)所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾的影響也很小?
相反, CY1 對(duì)CY2 兩端存在共模電壓降ΔU′而導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾問題的產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾的影響卻很大?
這也是為什么有些產(chǎn)品在電源輸入端口處再增加一個(gè)Y 電容反而對(duì)EMI很有幫助的原因?
可見對(duì)于金屬外殼產(chǎn)品來說, 采用圖中一開始所示的濾波電路還是可取的, 它會(huì)對(duì)高頻 (如10MHz以上, 100MHz以下) 的抑制帶來一定的好處?
通常情況下, 約1000pF容值的 CY1 已經(jīng)足夠了?
金屬外殼產(chǎn)品存在CY1 的共模電流路徑分析原理圖如下圖所示：
低頻時(shí), 即使是金屬外殼的產(chǎn)品也不會(huì)對(duì)抑制電源端口的傳導(dǎo)騷擾帶來很大的幫助。
這是因?yàn)榈皖l時(shí)CY1 的阻抗要遠(yuǎn)大于25Ω (LISN等效共模阻抗), CY1 的增加并不會(huì)減小流向 LISN 的共模電流?
來源：電子工程師之家
