某控制组合电磁发射超标分析及解决方案

侯燕春 张 倩 石彦超 杨 雪 陈思阳

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

1 引 言

传导发射(CE)和辐射发射(RE)测试，是电磁兼容测试中主要测试项目中的两类。在测试中，CE、RE发射值超过标准要求限值的现象较为普遍。随着电子技术及产品功能的提升，电磁兼容标准日臻完善[1]，电磁发射指标限值要求也正逐步成为电子设备及电气系统必须满足的性能指标和强制要求[2,3]。

本文尝试探讨电源线传导发射、设备辐射发射超标原因，梳理常见的发射超标加固方法。以某控制组合为例，制定排查方案，定位主要发射部位，提出加固措施并验证，方法有效，为其他电子设备提升电磁兼容性，通过发射类测试，提供参考。

2 发射超标原因

以电源线传导发射(CE)为例，分析超标主要原因。目前交流供电设备普遍采用开关电源，直流供电设备采用逆变器或其他变流器。开关电源中的开关电路主要由开关管和高频变压器组成，它产生的尖峰电压有较大幅度的窄脉冲，频谱较宽且谐波丰富[4,5]。如果EMC设计不当，干扰可以通过近场辐射或者耦合的方式，传输到电源线，再传输到LISN上，被接收机获取，造成电源线传导发射超标。

设备辐射发射(RE)超标的主要原因有，电源线辐射发射、信号线辐射发射、机箱泄漏或线路板的辐射发射。以电源线的辐射发射为例，开关电源产生的干扰信号，除被接收机接收到以外，干扰信号还可能沿着电源线，加之电场或磁场耦合感染上其他电路的干扰信号向外传输，由线缆辐射，被接收天线获取，造成辐射发射超标[6]。

3 超标诊断及定位方法

3.1 诊断方法和定位

对电源线传导发射，观察干扰波形，可通过LISN的信号端连接示波器测试。对辐射发射，可通过直接插拔外接电缆，判断辐射发射来源。当不能插拔外接电缆时，可使用近场探头、射频放大器、频谱仪方法[7]，测试线缆、孔缝的泄露，查找主要发射来源。孔缝泄露多为磁场辐射，频率相对低，可使用磁场探头查找，还可使用电流钳测试电缆或电缆束上的共模电流，共模电流越大，对外辐射的能力越强。

针对辐射发射，根据频谱信息确定超标频率，分析由被测电路哪部分发出。超标频率可能不是电路工作主频，而是倍频、谐波或杂波信号。根据近场探头测试结果，判断主要发射部位，对应采取措施。

3.2 常用加固方法

电源线传导发射超标的加固方法有电源端口加滤波器[8]，改善开关电源的设计和使用屏蔽接地电源线等。对开关电源引起的电源线传导发射超标，可在电源输入端口添加滤波器。滤波器应正确安装[9]，最有效的安装位置是在机壳的进线口上。试验证明，添加适当的滤波器，可有效解决电源线传导发射超标。同时，添加滤波器对改善电源线的辐射发射，也有帮助。

辐射发射超标的加固方法有减小金属机箱孔缝，采用屏蔽电缆和连接器，连接器360度环接，电缆、电路板输入输出端口添加滤波和去耦电路，电缆添加铁氧体磁环等[10]。采取加固方法时，可逐一采取并验证。为满足标准发射限值要求，通常同时使用多种加固方法。

4 某控制组合加固方法

4.1 干扰定位

被测件为控制组合，供电电压DC 28V，工作电流10A，连接8根电缆，分别为供电电缆、备份电缆、通信光纤及网线。被测件电源线传导发射、辐射发射均超标。电源线传导发射测试结果如图1所示。

图1 电源正线传导发射限值及测试数据的幅频曲线图Fig.1 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line

根据实际试验条件，结合辐射发射加固会改善电源线传导发射的经验，对被测件电缆、机箱内部板卡、机箱辐射发射进行测试。查找主要辐射发射信号，确定干扰来源，相应采取加固措施并验证，以达到发射满足标准要求的目的。

测试中，采用电流钳、近场探头，连接射频放大器、频谱仪的测试系统，完成干扰源定位的定性测试。

首先开展机箱连接的线缆辐射发射测试。

1)将电流钳卡在被测件连接的电缆根部，依次测试，结果显示每根电缆对外辐射波形相似，其中电源线发射最大，如图2所示。在测试频段内，频谱仪显示最大发射约70dBμV；

图2 电源线辐射特性曲线图Fig.2 Radiated emission of power line

2)将电流钳卡在电源线上，依次断开被测件连接的电缆，观察电缆对电源线发射的影响。经测试发现，备份电缆对电源线发射影响明显。当断开备份电缆时，电源线最大发射降低优于20dB，且干扰波形发生变化，如图3所示。经确认，该电缆为测试用非屏蔽电缆；

图3 断开备份电缆，电源线辐射发射测试曲线图Fig.3 Radiated emission of power line when the back-up cable was disconnected

3)使用近场探头测试控制组合机箱内基带、电源、宽带板卡对外辐射发射特性。打开机箱前面板，在各板卡侧面及边缘，使用探头测试干扰波形。经测试发现，各板卡测得的干扰波形趋势均与图2相似；

4)对机箱前面板、侧面板及孔缝处发射测试，如图4所示。在测试频段内，发射频点与电源线辐射特性(图2)相似，频谱仪显示最大发射约65dBμV。

图4 机箱侧面板测试曲线图Fig.4 Radiated emission of the side face of shell

为进一步判断干扰来源，将机箱内各板卡取掉，仅留电源板测试。经测试发现，电源板辐射发射波形表现为点频及其倍频发射，如图5所示，波形与电源线辐射发射干扰波形的发射频点、倍频特性(图2)吻合，均以约0.25MHz为间隔发射。

图5 仅电源板对外辐射曲线图Fig.5 Radiated emission of the power panel only

电源板上共有工作在不同频点的8个电源模块，由机箱前面板3个开关按键控制电源模块工作。机箱内仅留电源板，观察机箱开关的开、关对电源板辐射的影响。依次按下开关1～3，测试波形如图6至图8所示。当最后接通开关3时，为全部电源模块均工作的状态。

图6 仅开关1接通曲线图Fig.6 Radiated emission of the switch 1 on only

图7 再接通开关2曲线图Fig.7 Radiated emission of the switch 1 and switch 2 on

图8 再按下开关3曲线图Fig.8 Radiated emission of three switches on

经测试发现，接通开关1，发射频点以0.25MHz为间隔(图6)；再接通开关2，在已有发射频点附近新增一发射频点(图7)；再接通开关3，再次新增一发射频点(图8)。此时发射波形与电源线辐射特性测试(图2)相似。

通过上述测试，发现：

1)电缆、板卡、电源板及机箱面板的辐射测试曲线，发射频点相似；

2)屏蔽不连续的备份电缆对电源线发射影响明显；

3)电源板、电源线为干扰发射主要来源，其中电源板上的电源模块为干扰信号主要产生部位。

4.2 加固验证

1)在备份电缆上添加铁氧体磁环，观察备份电缆辐射变化情况，如图9和图10所示。经测试发现：添加铁氧体磁环后，备份电缆最大发射降低优于10dB，该方法对改善备份电缆辐射发射有效。

图9 未添加铁氧体磁环前，备份电缆辐射发射曲线图Fig.9 Radiated emission of back-up cable before adding the ferrite magnet ring

图10 添加铁氧体磁环后，备份电缆辐射发射曲线图Fig.10 Radiated emission of back-up cable after adding the ferrite magnet ring

进一步，将控制组合电源线包裹屏蔽层，其他电缆均用防波套包裹，接插件处用铜箔包裹，机箱孔缝处粘贴铜箔屏蔽；

2)在电源线处添加壳体接地良好的滤波器，滤波器输入输出线包屏蔽层，将电源板上的每个电源模块的输入、输出端均添加0.1μF电容，就近接地。

采取上述措施后，进行电源线传导、辐射发射测试，结果如图11和图12所示。

综上所述，采取本文设计的加固措施后，控制组合能够通过电源线传导和设备辐射发射测试。

图11 加固后电源正线传导发射限值及测试数据的幅频曲线图Fig.11 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line after modification

图12 加固后(2～30)MHz辐射发射测试数据的幅频曲线图Fig.12 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for (2～30)MHz radiated emission after modification

5 结束语

在电子设备研制过程中，抗干扰设计和措施可在设备设计之初完成，能有效避免后续测试阶段电磁干扰问题。经上述分析与加固梳理，初步发现：电源输入端连接适当的滤波电路(滤波器)且滤波器封装、接地良好情况下，能有效改善传导发射；线缆、接插件及孔缝良好屏蔽，能有效改善辐射发射。

在排查确认发射干扰源、验证加固措施有效性时，可采取逐一断电缆、逐一断板卡、电源模块分步加电的方法，判断干扰信号特性和确定干扰源；应用加固措施时，可使用首先采取一种加固措施并验证，继而在该措施基础上，逐一添加加固措施并验证的方法。本文所述排查方法和加固措施，可为其他电子设备电磁兼容性设计和通过测试提供借鉴。