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产品连接线电缆的EMI问题分析及思路

物联产品&电磁兼容EMC 2020-04-18 11:57 发文

前面我有研究过产品的内部的EMC设计问题及思路;得出结论是我们需要从产品的内部的EMC问题进行设计控制也或者是控制电子线路板的PCB设计问题;

我有通过如下图示,进行了产品内部电路及PCB分析:

通过上面的图示我们有得出结论:地噪声电压即系统的共模噪声电压是问题的关键;由于这个共模电压的存在;就会形成一个共模电流,这个共模电流就会形成单偶极子天线对外辐射这就是电缆发射的机理。

 

我们电子产品连接线基本上都是会有的;研究连接线缆的共模电压的来源:就能帮我们解决电缆及连接线的EMI问题。

 

为了进行信号电流路径的分析将上面的产品加上外壳或者机箱因此其简化的结构模型参考如下:

    进行我们的主题产品连接线缆的共模电压的来源分析;如上图所示,可以看到连接电缆上的共模电压主要有三个来源;

A.来源于产品PCB地线上的噪声电压(V1),对于有数字电路的系统来说电源线和地线的电流总是在变化的或者是有突变的;那么这个突变的电流在导体上面就很容易产生出来一个感应电压,因为任何一个导体都是有电感的,我们也可以认为导体是有阻抗的当一个变化的电流流过这个阻抗的时候 就产生一个变化的电压;我在产品的内部的EMC设计问题及思路上就有分析!

B.IC2功能电路2输出的信号(V3)。它的输出信号一定会有一个差模电压,来传输这个信号,传输的差模信号(我们讲关键信号)它跟参考接地板通过分布电容也是有一个差模电压就会有一个电位差,这个实际是就是一个共模电压,它也会形成共模电流;如上面图示的路径所示;如果连接线连接负载后也就是这个差模电流经过这个电缆到了负载端了以后,有些关键负载跟参考接地板也还是会存在分布电容的。因此共模电流一部分要通过连接线的分布电容到地线返回另外一部分会通过负载再通过分布电容或其它导体以共模形式返回。

注意:对外辐射发射时就要看这个共模电流的大小了!

C.我们的电子线路板总会有电磁辐射的问题因此就会有电磁场,比如图示中功能电路1和功能电路2存在大的环路设计时就会产生电压V2,V2的这个电磁场会在我们的电缆在机壳内部上的电路上就会感应出一部分电压V2”注意这个电压跟辐射源与电缆的位置有关系!如上图所示(V2”)所形成一个驱动电流的共模电压。在图示中如将该电路直接屏蔽设计就不存在有V2”了!

以上就是连接线电缆上的共模电压的产生机理!这个共模电压就会产生电缆的辐射发射。同时也会带来EMI-传导发射的问题。

传导发射的问题;我们是通过LISN来进行测试的;通过上面的图示我们可以看到上面的共模电压通过分布电容到参考接地板到LISN测试设备再到输入端最后回到信号源的闭环回路。

特别需要注意的是当你的输出连接线电缆和输入电源线有耦合关系(距离近产生近场耦合时)这时候你无论如何改善你的电源线输入滤波器EMI-传导发射可能都不会有改善的。我在检查很多企业的系统设计时经常发现这种情况。正常情况下请参考《EMI输入滤波器的设计》轻松搞定EMI-传导的设计。

 

分析了电缆上的共模电压的问题,那我们优化的方法和思路是怎样的呢?

通过上面的分析是减小共模电压,通过辐射模型的公式(后面我将理论公式进行模型分析和演化-待续)其实就是要减小共模电流了!我们要想降低电缆的辐射;就要减小共模电流,减小共模电流我们的思路及方法如下:

A.减小这个共模电压;电压小了,电流就会小。

B.增加共模回路的阻抗;比如磁珠,共模电感的设计等等。当共模电压一定的时候阻抗越大共模电流也就越小,辐射就越小。

C.改变共模电流的路径,比如使它的回路面积更小;回路面积小了它的辐射就越小;

D.减小地阻抗也就是减小这个共模激励电压;比如PCB地走线设计等等;

 

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。

2020年在电源网研讨会再和大家一起进行课题交流!

以下(课题),欢迎邀约和分享!

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