电源的电磁干扰和电磁兼容性测量简介 - 第 1 部分：传导电磁干扰

来源：Digi-Key
作者：Art Pini

本博客系列文章本文是第 1 部分主要讨论了传导电磁干扰 (EMI) 的测量。第 2 部分讨论了辐射电磁干扰的测量。

电子设备几乎涉及生活的方方面面，而这些设备的激增引发出这样一个问题：它们之间相互干扰的程度有多大？电磁兼容性 (EMC) 和电磁干扰 (EMI) 是我们用来确定电子设备和系统协同工作情况的指标。

电磁干扰测量可以量化一个设备对其他设备或系统的干扰能力。与此相反的是电磁兼容性测量，它可以量化外部系统如何影响被测电子设备的运行情况。

为了尽量减少干扰并确保所有电子设备和系统的兼容性，目前制定了大量的国家标准和国际标准。制定这些标准的组织包括国际无线电干扰特别委员会 (CISPR)、国际电工委员会 (IEC)、国际标准化组织 (ISO)、美国汽车工程师学会 (SAE)、美国联邦通信委员会 (FCC) 以及其他一些组织。

对所有制造商来说，电子产品的验收测试是必经之路。设计人员在开始进行任何设计之前，都应该了解测试的类型和规格限值。同样，开发工程师和技术人员应该能够进行预符合性测试，以尽量减少产品验收和推出时的意外延误。

从电磁干扰的角度来看，电源设计给设计工程师带来了许多挑战。干扰可以从电源通过空气辐射传播（辐射干扰），也可以通过设备的接线传导（传导干扰）。测试标准对这两种类型的干扰都设有度量指标。下面我们将介绍传导电磁干扰。

传导电磁干扰测试

电源产生的传导干扰来自开关模式电源设备内的不连续电流。传导干扰分为两个分量：共模信号与差模信号（图 1）。请注意，共模信号在电源和被测设备（DUT，本例中为电源）之间的线路中以相同的方向传输。接地线提供了必要的返回路径。差模信号以相反的方向传输。


图 1：根据 DUT 和电源之间的信号流动方向，传导电磁干扰由共模和差模分量组成。（图片来源：Art Pini）

测试传导发射需要使用线路阻抗稳定网络 (LISN)，安装在电源和 DUT 之间（图 2）。


图 2：一个安装在电源（线路 L 和中性线 N）与被测试电源之间的 LISN 示例。（图片来源：Texas Instruments）

LISN 基本上是一个与电源串联的低通滤波器。其目的是确保在测试频率范围内有一个稳定、已知的源阻抗。它还可以实现电源与 DUT 以及测量设备与输入电源之间的隔离。请注意，在安全振幅电平下，LISN 还为测量仪器（通常是频谱分析仪或电磁干扰接收器）提供了连接。

Analog Devices 的 DC2130A 频谱分析仪电源管理板是一个双 LISN。评估板的一部分在高达 800 MHz 的频率范围内为测量端口提供 10 dB 的衰减。另一部分提供 30 dB 的增益，用于放大 10 MHz 至 2.5 GHz 频率范围内的微弱电磁干扰信号。每个部分可以单独使用，也可以组合使用（图 3）。


图 3：DC2130A 设置使用 -10 dB 和 +30 dB 的 LISN 实现共模隔离。电源/电池为 +30 dB 放大器供电。（图片来源：Analog Devices）

要在现有设计上消减传导电磁干扰，通常需要在电源和 DUT 的电源输入之间增加一个电磁干扰滤波器。DC-DC 转换器的最新设计包括板载有源电磁干扰滤波器，与分立元件滤波器相比，其能在更小的物理面积上更好地降低电磁干扰。

例如，Texas Instruments 的 LM25149-Q1EVM-2100 评估板中就集成了一个这样的有源滤波器（图 4）。该评估板使用带有有源电磁干扰滤波器的 LM25149-QI 同步降压转换器。这种转换器还具有扩频调制功能，对开关时钟进行频率调制，将所有电磁干扰分散在一系列频率内，从而降低峰值幅度。


图 4：LM25149-Q1EVM-2100 评估板使用了有源电磁干扰滤波器以及扩频调制。后者能在一系列频率内分散电磁干扰，以降低峰值幅度。（图片来源：Texas Instruments）

对于该评估板，可以在 CISPR 25 Class 5 传导发射测试中看到这些技术的有效性。该测试比较了无消减特性时与采用有源电磁干扰滤波器和扩频开关时的传导电磁干扰（图 5）。测试使用的是以 dB 为单位的电磁干扰幅值相对频率的频谱图。


图 5：CISPR 25 Class 5 传导发射图，此图比较了无消减电磁干扰操作 (a) 与启用有源电磁干扰滤波器和扩频操作 (b) 之间的电磁干扰水平。（图片来源：Texas Instruments）

红色水平线标记了 CISPR 25 Class 5 认证的传导电磁干扰的峰值和平均测试水平。以黄色显示的测量峰值频谱（未消减）约等于 2.1 MHz 开关频率下的峰值测试限值，超过了平均测试限值。而通过电磁干扰滤波和扩频切换，两个峰值都远低于测试限值。

结语

电子设备无处不在，使得电磁干扰和电磁兼容性的测试和消减变得日益重要，但这是一门复杂的艺术。不过，有一些基本原则可以使用。如上所述，传导电磁干扰的测试需要电源、LISN 和频谱分析仪或电磁干扰接收器。本系列文章的第 2 部分将讨论辐射电磁干扰测试。