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交流输入无接地端子-系统接地EMI传导为何超标!

物联产品&电磁兼容EMC 2019-10-30 22:00 发文

   电路的信号传导需要一来一回的两条路,通常回来的路一般用地线!理想的地线电阻为零;注意实际中地线总是有一定的阻抗的,尤其在高频信号时,地线的阻抗变化会很大从而产生噪声干扰的问题;同样对电源线也一样,当地线噪声严重的时候,电源的噪声一般也比较严重!

    地线与产品外壳接大地;其目的是使地和线的电位稳定,再次是为了安全尤其有高电压的电路时,有的产品或设备外壳必须接地。因为发生漏电人接触就会触电。接地时要注意导线的高频阻抗,导线越粗的电阻越小,但长度太长的话由于电感效果而使得阻抗也会增加;地线出现环路时走线的电感会大幅增加,阻抗也会大幅增加同时会成为环状天线;地线是较长直线时也会成为天线!建议地线应尽量:短,粗,直!

对于有些信息类设备测试标准:CISPR 22/85(ITE)-Class B 有要求系统的输出端通过连接线接地进行测试;同时要求系统的传统能通过相应的测试标准;我们在正常进行测试时如果产品的机壳通过连接线连接参考接地板时(测试设备地),能通过EMI的测试标准;但通过连接地线连接到参考接地板时(测试设备地)EMI传导的问题出现超标的现象!连接测试图如下:

对于大地并不一定是地球,我们在实验室的参考接地板就是较大的导电体也可以作为大地;也是AC输入线的接地,AC电源线也是个很大的噪声源!AC电源线连接着很多仪器设备,互为噪声源(电源浪涌&电流变化噪声等)AC电源线本身是个大天线可以收发噪声AC交流频率本身也会成为噪声。

我们应用上面的接地方式进行EMI传导测试时;有时在实验室得到数据在500KHZ-5MHZ的数据都有超标的情况;这种系统接地EMI传导为何超标?

我的EMI的理论分析都有典型推荐的AC电源交流噪声滤波器的基本对策设计:设计理论方法请网上搜索或关注电源网研讨会有详细的资料;

实践的噪声滤波器请参考如下:

在实际应用中EMI滤波器设计的关键是共模电感的选型和设计;不同的共模电感的材料结构及绕制方式对应的频率阻抗特性参考如下:

在上面的电路设计结构中合理选择我推荐的如下的共模电感类型;EMI传导的问题是很容易通过的!

AC电源的噪声主要是共模噪声引起的超标,共模噪声滤波器的电容必须接地才能把共模噪声引入到地线上去。因此一定不要让AC电源滤波器的地和仪器中信号的地线之间拥有共同阻抗。否则AC电源的共模噪声就会引入到信号中去!

我通过如下产品进行分析:研究一下产品或设备接地或不接地情况下的信号路径分析!对不同产品的需求我们如何都能通过实验的测试要求?

产品的系统结构如下:系统要求产品接地端子有接输入电网地和不接地的两种测试要求;

1.产品机壳及金属端子等不接地-参考接地板传导测试效果好;测试的EMI-传导Data如下:

测试数据实际的产品不接地时测试的EMI曲线如上:(测试数据OK!)

1.1对产品结构EMI的路径分析如下:

2.产品通过参考接地板连接线接地-参考如下连接方式;进行地线连接后测试的EMI曲线如下:

(测试结果NG)接地后,测试的EMI传导测试数据变高!

对于电源板内的引入地和引出端子强制接地措施:对于引入地一般为来自接口插座的地线,引入的地线有纹波噪声当噪声较高时一般需要增加共模电感再连接的板内的。对引出端子的AC接地通过接口插座向板外引出线到测试设备的地线噪声源会直接通过连接线传导噪声,这时需要通过共模电感再引出!

产品通过接地端子连接线直接接入参考接地板端子地测试的数据曲线如下:

测试的数据结果变差,不能通过测试标准!

2.1产品机壳接-参考接地板传导测试效果变差;产品结构共模噪声电流路径如下:

问题点路径分析:

产品机壳接参考接地板:传导效果差?-理论与实际的测试及改善!!

从产品的EMC测试原理分析:主要影响产品EMC测试结果的为共模干扰,因此,产品的EMC问题主要与共模干扰有关,对于产品的EMC设计来说,真正需要我们重点关注的也是共模问题!如上图所示:采用连接线接地后噪声电流通过我们的连接线回到我们的LISN;需要我们的输入滤波器要提供更大的插入损耗!

设计理论:对于电路板中的电源线和地线布线:电路板中的电源线和地线要尽可能使他们的共同阻抗要小;对于低频模拟信号电路,尽量单点接地,电源也尽量单点接地,注意地线的单点接地效果要大;对于高频信号电路应大面积铺地(信号线层的空处也要铺地,信号层的相对应的层也要尽量铺地)电源线和地线之间需要去耦电容

3.我们此类的产品设计其按CISPR 22/85(ITE)-Class B要求有接地测试时同样要求通过EMI测试标准,我提供理论与实践的数据进行参考;

在实践中我再提供系统路径分析法进行优化:(系统的问题系统分析法)

通过对系统的骚扰源可能的路径进行图示的示意;我们可以看出产品开关电源系统拓扑架构的Y电容的大小 和 输入滤波器的第一级后面的2个对地Y电容是设计的关键;如果我们改变系统骚扰源的电流路径即可让少部分的骚扰源共模电流流过LISEN即可解决产品EMI的传导问题!

3.1通过上面的路径分析理论我们直接改变电子产品开关电源系统的拓扑结构的Y电容设计大小,直接通过测试;测试数据如下:(如红色整改曲线数据)

总结:

从上面可以看到阿杜老师的路径分析法提供解决问题策略;同时该系统的测试方法-主要影响产品EMI测试结果的为共模干扰,因此,产品的EMI问题主要与共模干扰有关,对于电子产品的EMI设计来说,真正需要我们重点关注的也是共模问题!

对于系统的结构布线问题建议如下:

A.走线要越短越好,信号线的一去一回的两根线要越接近越好;

B.尽量用双绕线,不要形成环路;

C.相互容易产生影响的线尽量使他们垂直;

D.使用线束和排线时要尽可能地短,容易相互影响的信号线不要靠近,不同的排线不要平行布线

E.特别注意AC线不要和其它线接近布线,布线要尽量贴近接地的金属板!

更多设计应用实践及技术交流;请关注阿杜老师!

杜佐兵 

电磁兼容(EMC)线上&线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

2019年在电源网研讨会和大家一起进行交流!

下一站 深圳的朋友们……我将理论与实践分享;

与君探讨,我们不见不散!

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