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頻段突然炸出超標尖峰，如下圖所示：

就像電路板上突然點燃的電磁煙花，任憑工程師瘋狂調(diào)整電感電容參數(shù)，超標點依然頑固不化！

 

詭異現(xiàn)象：

 

全頻段近乎達標，唯獨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：

 

[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A/B? PE與參考接地板之間的電位差都等于零時 (即PE線無阻抗, CY2 和CX1 濾波完美), ILISN 的大小將等于零?

 

但是實際上, 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影響不大, 粗細只影響電纜的等效電阻)?

 

這種情況下, 當共模電流IPE 流過PE線時, PE 線上產(chǎn)生的壓降ΔU就像一個電壓源一樣, 使LISN上流過一個電流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PE之間 (即上圖中C/D到PE之間) 的阻抗? 

 

對于本案例產(chǎn)品的濾波電路設(shè)計來說, LISN的接電源線處到產(chǎn)品中接地點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, 在3MHz的頻率下, 阻抗約為200 kΩ。

 

所以第一條路徑的阻抗要遠小于第二條路徑上的阻抗。

 

因此, 共模電感M相當于被電容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對地引線后, 上面兩圖所示的情況發(fā)生了變化。

 

即此時流過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)（后面會解釋）

 

在上面的濾波電路原理圖中, 裝置內(nèi)部的干擾信號通過電容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)計的“三重境界”

 

血淚經(jīng)驗包

 

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：每增加一個器件，需評估其對電流路徑的影響

 

2. 接地不是萬能藥：

 

塑料外殼產(chǎn)品接地線長＞0.5m時，Y電容可能適得其反

 

金屬外殼接地要“短粗硬”，接地點阻抗＜0.1Ω

 

3. 頻段分治策略：

 

低頻靠電感（10mH級），高頻靠電容（nF級）

 

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，立即去掉疑似電容驗證效果

 

用阻抗分析儀實測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)計是錯誤的? 

 

前面對流向LISN的共模電流ILISN 是針對產(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。

 

實際上圖中A/B點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, 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, CY1 對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 時傳導(dǎo)騷擾問題的分析原理圖:

 

對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很少, PE接地線上的共模電壓ΔU也會很低,即 CY1 對所示產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾的影響也很小? 

 

相反, CY1 對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Y 電容反而對EMI很有幫助的原因? 

 

可見對于金屬外殼產(chǎn)品來說, 采用圖中一開始所示的濾波電路還是可取的, 它會對高頻 (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, 即使是金屬外殼的產(chǎn)品也不會對抑制電源端口的傳導(dǎo)騷擾帶來很大的幫助。

 

這是因為低頻時CY1 的阻抗要遠大于25Ω (LISN等效共模阻抗), CY1 的增加并不會減小流向 LISN 的共模電流?