EMC试验中的故障诊断处理与整改经验汇总

 

 

根据试验的项目不同，本讲中涉及到的内容包括：设备自身工作时的辐射骚扰发射及传导发射超标；设备的抗扰度性能不合格（如静电放电、射频辐射电磁场、电快速瞬变脉冲群、雷击浪涌、以及由射频场感应所引起的射频电流注入）等等。

 

1. 辐射发射超标

 

 

设备的辐射骚扰发射超标有两种可能，一种是设备外壳的屏蔽性能不完善；另一种是射频骚扰经由电源线和其他线缆的逸出。判断方法是，拔掉不必要的电线和电源插头，继续做试验，如果没有任何改善迹象，则应当怀疑是设备外壳屏蔽性能不完善；如果有所改善，则有可能是线缆的问题。如果针对以上两种可能，采取了必要措施，仍然没有任何改进，则有可能是设备上余下线缆的问题。

 

1.1 金属机箱屏蔽性能不完善

 

⑴ 机箱的缝隙过大，或机箱配合上存在问题处理意见：

 

① 清除结合面上的油漆、氧化层及表面沾污；

 

② 增加结合面上的紧固件数目及接触表面的平整度；

 

③ 采取永久性的接缝（要连续焊接）；

 

④ 采用导电衬垫来改善接触表面的接触性能。

 

⑵ 其他功能性开孔过大

 

处理意见：

 

① 通风口采用防尘板，必要时采用波导通风板，但后者成本昂贵；

 

② 显示窗口采用带有屏蔽作用的透明材料；或采用隔舱，并对信号线采取滤波；

 

③ 对键盘等采用隔舱，并对信号线采取滤波。

 

⑶ 机箱内部布线不当，电磁骚扰透过缝隙逸出

 

处理意见：将印刷板及设备内部布线等可能产生辐射骚扰的布局远离缝隙或功能性开孔的部位，或采取增加屏蔽的补救措施或重新布局。

 

1.2 非金属机箱

 

① 对机箱进行导电性喷涂，特别要注意在结合部分的缝隙也要进行喷涂，保证机箱有导电性的连接；

 

② 对产生辐射骚扰和可能产生辐射骚扰的部分采取局部屏蔽，并将所有进入或离开屏蔽体的导线要进行滤波或套上吸收磁环；

 

③ 对内部布线和印刷线路板的布局重新考虑，尽可能使信号及其回线的环路为最小。

 

1.3 线缆问题（包括怀疑是设备上余下线缆的问题在内）

 

⑴ 对电源线的处理

 

① 加装电源线滤波器（如果己经有滤波器，则换用高性能的滤波器），要特别注意安装位置（尽可能放在机箱中电源线入口端）和安装情况，要保证滤波器外壳与机箱搭接良好、接地良好；

 

② 如果不合格的频率比较高，可考虑在电源线入口的部分套装铁氧体磁环。

 

⑵ 对信号线的处理

 

① 在信号线上套铁氧体磁环（或铁氧体磁夹）；

 

② 对信号线滤波（共模滤波）；必要时将连接器改用滤波阵列板或滤波连接器；

 

③ 换用屏蔽电缆。屏蔽电缆的屏蔽层与机箱尽量采用360°搭接方式，必要时在屏蔽线上再套铁氧体磁环。

 

 

2. 传导发射超标

 

 

设备的传导骚扰发射超标，主要是线缆方面的问题，但超标的频率通常都比较低，处理起来常感麻烦。

 

⑴ 对电源线的处理

 

① 检查电源线附近有无信号电缆存在，有无可能是因为信号电缆与电源线之间的耦合使电源线的传导骚扰发射超标（这种情况多见于超标频率的频段较高的情况下）。如有，或拉大两者间的距离，或采用屏蔽措施；

 

② 加装电源线滤波器（如果己经有滤波器，则换用高性能的滤波器），要特别注意安装位置（尽可能放在机箱中电源线入口端）和安装情况，要保证滤波器外壳与机箱搭接良好、接地良好；

 

③ 虽经采取措施，设备传导骚扰发射仍未达标（特别是在低频段没有达标）。此时可考虑在设备内部线路连接接地端子的地方串入一个电感。由于这部分连接属单点接地，平时无电流流过，因此这个电感可以做得很大，而无须担心有铁芯的饱和问题。采取这一措施的理由是，设备传导骚扰发射测试，实际上是共模电压测试（电源线对大地的骚扰电压测试），电源线上有工作电流流过，故滤波器的滤波电感值受制于工作电流，不能做得很大，滤波器的插入损耗也就有限，特别是低频端的损耗更加有限。新方案里的附加电感正好可以弥补这—缺憾，从而取得更好的传导骚扰的抑制能力。

 

⑵ 对信号线的处理

 

① 注意信号线周围有无其他辐射能量（附近的布线及印刷板的布局）被引到信号线上。如有，或拉大两者的距离，或采用屏蔽措施，或考虑改变设备内部布局和印刷板的布局；

 

② 在信号线上套铁氧体磁环（或铁氧体磁夹）；

 

③ 对信号线进行共模滤波，必要时采用滤波连接器（或滤波阵列板）。注意滤波器的参数，传导骚扰发射超标的频率比辐射骚扰发射超标的频率得低些，因此取用的元件参数应当偏大一些。

 

 

3. 抗静电干扰不合格

 

 

静电放电的抗扰度试验有直接放电和间接放电两种，直接放电是放电枪直接透过设备的表面对设备进行放电；间接放电则是放电枪对设备旁边的物体放电（在试验中用放电枪对设备旁边的水平和垂直耦合板的放电来模拟）。

 

3.1 直接放电

 

因对象不同，可能有金属和非金属两种外壳。

 

⑴ 非金属机箱

 

非金属机箱的最大好处是外壳由绝缘材料制成，一般情况下是放不出电的，但如果设备内部布局过于靠近外壳的缝隙，或者表面材料绝缘强度不够，都有可能使该设备的抗静电干扰试验不合格。

 

可采取躲的措施。例如可在缝隙部分用绝缘板来加强隔离；或用楔口来增加放电路径。对有导电插口的部分，把插口做得深一点、缝细一点。总之，要通过结构设计的办法，不让静电放电试验在该设备上放出电来。

 

⑵ 金属机箱

 

对金属机箱，静电放电试验肯定能在机箱表面放出电来，问题是怎样才能使放电对设备正常工作的影响变得最小。

 

十分明显，一台外壳导电性连接良好的设备，加上设备外壳有低阻抗的接地措施，静电放电电流将能在设备外壳上迅速得到排遣，这在一般情况下是不会对设备造成干扰的。

 

反之，在放电的最初几微秒里，由于放电电流波形中拥有丰富的高频谐波，如果机箱的导电连接欠佳，加上接地的低阻抗考虑不够时，还是可以在机箱表面建立一个高频电磁场，构成对设备内部线路的一定干扰。

 

⑶ 线缆及其他部分

 

按标准规定，设备正常工作期间，凡操作人员可以触摸到的部位都属于应该进行静电放电试验的部位。这样看来，除了设备外壳，对设备表面的显示部分以及电源线和I/O线等部位也属于应该放电试验的部位。

 

对显示屏，应考虑采用透明屏蔽材料进行保护，关键是让屏蔽材料与设备外壳间保证有致密的电接触。

 

对电源线、I/O线，采用屏蔽、滤波（共模滤波）及套用铁氧体磁环（或铁氧体磁夹，根据导线的形状决定铁氧体的形状）等措施。其中，对I/O线还可采用瞬变电压吸收二极管来吸收，及采用光电隔离器来隔离等措施。

 

3.2 间接放电

 

间接放电主要是通过由放电产生的电磁场来影响设备的工作。因此，对于外壳有屏蔽作用的设备肯定比不屏蔽的要好。另外，即使外壳不屏蔽也不等于该设备一定会在外界电磁场的作用下出现误动作，这主要看该设备的布线和印刷板布局对电磁场的敏感情况，以及敏感部位与放电板（指试验用的垂直和水平耦合板）的相对距离。

 

对于非金属机箱的设备，还可以考虑通过外壳的导电性喷涂来达到屏蔽的目的。

 

 

 

 

 

 

4. 抗射频辐射电磁场干扰不合格

 

 

按标准要求，抗射频辐射电磁场干扰试验主要是针对设备表面来进行的。事实上，设备的电源线和I/O线也同时曝露在射频辐射电磁场的下面，故电源线和I/O线也有可能充当被动天线，而将干扰引入设备内部，导致设备误动作。

 

对于设备抗辐射电磁场干扰不合格的处理意见与设备的辐射骚扰发射超标的处理意见是相似的，只是电磁场的走向不一样，前者是外界干扰影响内部线路工作；后者是内部骚扰逸出设备，造成辐射骚扰发射的超标。

 

 

5. 抗脉冲群干扰不合格

 

 

从脉冲群试验的本意来说，主要是进行共模干扰试验，只是干扰脉冲的波形前沿非常陡峭，持续时间非常短暂，因此含有极其丰富的高频成分，这就导致在干扰波形的传输过程中，会有一部分干扰从传输的线缆中逸出，这样设备最终受到的是传导和辐射的复合干扰。

 

针对脉冲群干扰，主要采用滤波（电源线和信号线的滤波）及吸收（用铁氧体磁芯来吸收）。采用铁氧体磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效，但要注意做试验时铁氧体磁芯的摆放位置，就是今后要使用铁氧体磁芯的位置，千万不要随意更改，因为我们一再强调脉冲群干扰不仅仅是一个传导干扰，更麻烦的是它还含有辐射的成分，不同的安装位置，辐射干扰的逸出情况各不相同，难以捉摸。一般将铁氧体磁芯用在干扰的源头和设备的入口处为最有效。

 

 

6. 抗浪涌干扰试验不合格

 

 

雷击浪涌试验的最大特点是能量特别大，所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基本无效，必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变压吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌吸收器件才行。

 

雷击浪涌试验有共模和差模两种，因此浪涌吸收器件的使用要考虑到与试验的对应情况。为显现使用效果，浪涌吸收器件要用在进线入口处。由于浪涌吸收过程中的di/dt特别大，在器件附近不能有信号线和电源线经过，以防止因电磁耦合将干扰引入信号和电源线路。此外，浪涌吸收器件的引脚要短；吸收器件的吸收容量要与浪涌电压和电流的试验等级相匹配。

 

最后，采用组合式保护方案将能发挥不同保护器件的各自特点，从而取得最好的保护效果。

 

 

 

7. 由射频场感应所引起的传导干扰抗扰度试验不合格

 

 

从试验方式看，由射频场感应所引起的传导干扰抗扰度试验是共模试验，在经过前述几项试验（特别是静电放电、射频辐射电磁场和脉冲群试验）后，一般应无大碍，万一有问题，主要是通过对滤波的加强，及改善设备内部的布线和布局来得到解决。关于传导发射超标一节中的不少内容，在这里也是适用的，只是电磁干扰的走向不一致。

 

 

EMC整改小技巧:

 

差模干扰与共模干扰

 

差模干扰：存在于L-N线之间，电流从L进入，流过整流二极管正极，再流经负载，通过热地，到整流二极管，再回到N，在这条通路上，有高速开关的大功率器件，有反向恢复时间极短的二极管，这些器件产生的高频干扰，都会从整条回路流过，从而被接收机检测到，导致传导超标。

共模干扰：共模干扰是因为大地与设备电缆之间存在寄生电容,高频干扰噪声会通过该寄生电容，在大地与电缆之间产生共模电流，从而导致共模干扰。

下图为差模干扰引起的传导FALL数据，该测试数据前端超标，为差模干扰引起：

 

 

下图为开关电源EMI原理部分：

 

 

图中CX2001为安规薄膜电容（当电容被击穿或损坏时，表现为开路）其跨在L线与N线之间，当L-N之间的电流，流经负载时，会将高频杂波带到回路当中。此时X电容的作用就是在负载与X电容之间形成一条回路，使的高频分流，在该回路中消耗掉，而不会进入市电，即通过电容的短路交流电让干扰有回路不串到外部。

 

对差模干扰的整改对策：

 

1. 增大X电容容值

2. 增大共模电感感量，利用其漏感，抑制差模噪声（因为共模电感几种绕线方式，双线并绕或双线分开绕制，不管哪种绕法，由于绕制不紧密，线长等的差异，肯定会出现漏磁现象，即一边线圈产生的磁力线不能完全通过另一线圈，这使得L-N线之间有感应电动势，相当于在L-N之间串联了一个电感）

 

下图为共模干扰测试FALL数据：

 

 

电源线缆与大地之间的寄生电容，使得共模干扰有了回路，干扰噪声通过该电容，流向大地，在LISN-线缆-寄生电容-地之间形成共模干扰电流，从而被接收机检测到，导致传导超标（这也可以解释为什么有的主板传导测试时，不接地通过，一夹地线就超标。USB模式下不接地时，电流回路只能通过L-二极管-负载-热地-二极管-N,共模电流不能回到LISN，LISN检测到的噪声较小，而当主板的冷地与大地直接相连时，线缆与大地之间有了回路，此时若共模噪声未被前端LC滤波电路吸收的话，就会导致传导超标）

 

对共模干扰的整改对策：

 

1. 加大共模电感感量

2. 调整L-GND，N-GND上的LC滤波器，滤掉共模噪声

3. 主板尽可能接地，减小对地阻抗，从而减小线缆与大地的寄生电容。

 

EMC寄语：随着时代的发展，越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测，其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵，EMC实验室造价昂贵，绝大部分测量设备又需要采用进口设备，导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的，一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素，就会很容易导致EMC测试失败，以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如，产品设计研发工程师们根据需求，设计出效果良好的滤波电路，置入产品I/O(输入/输出）接口的前级，可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处；设计出隔离电路（如变压器隔离和光电隔离等）解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰，同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰；设计出能量吸收回路，从而减少电路、器件吸收的噪声能量；通过选择元器件和合理安排的电路系统，使干扰的影响减少。

 

EMC技能:整改小技巧

 

1、150kHz-1MHz，以差模为主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干扰是共模，低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上，用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰。

2、保险过后加差模电感或电阻。

3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。

4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI，体积别选太大(DR8太大，能用电阻型式或DR6更好)否则幅射不好过，必要时可串磁珠，因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。5、传导冷机时在0.15MHz-1MHz超标，热机时就有7dB余量。主要原因是初级BULk电容DF值过大造成的，冷机时ESR比较大，热机时ESR比较小，开关电流在ESR上形成开关电压，它会压在一个电流LN线间流动，这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。

6、测试150kHz总超标的解决方案：加大X电容看一下能不能下来，如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰，或者把电源线在一个大磁环上绕几圈， 下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好，就减小Y电容，看一下布板是否有问题，或者就在前面加磁环。

7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。

8、PWM线路中的元件将主频调到60kHz左右。

9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。

10、共模电感的两边感量不对称，有一边匝数少一匝也可引起传导150kHz-3MHz超标。11、一般传导的产生有两个主要的点：200kHz和20MHz左右，这几个点也体现了电路的性能;200kHz左右主要是漏感产生的尖刺;20MHz左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射，加屏蔽都没用，辐射过不了。

12、将输入BUCk电容改为低内阻的电容。

13、对于无Y-CAP电源，绕制变压器时先绕初级，再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边，后绕次级。

14、将共模电感上并联一个几k到几十k电阻。

15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。

16、在PCB设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。

17、保险套磁珠。

18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471。

19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡) 。

20、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地，或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来， 也可以用一个小电容代替。

21、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替， 将另外一个电容加大。

22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。

23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来，并且铜箔两端短接在一起，再用一根铜线连接到地。

24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。

25、将开关管用金属套起来连接到地。

26、加大X2电容只能解决150kHz左右的频段，不能解决20MHz以上的频段，只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环，电感量约50uH-1mH。

27、在输入端加大X电容。

28、加大输入端共模电感。

29、将辅助绕组供电二极管反接到地。

30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。

31、加大输入端滤波电容。

32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz这两处传导都不过，可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题，该接地的地方一定要加强接牢，主板上的地线一定要理顺，不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。

33、在整流桥上并电容，当考虑共模成分时，应该邻角并电容，当考虑差模成分时，应该对角并电容。

34、加大输入端差模电感。

 

2、产品电磁兼容骚扰源有：

 

1、设备开关电源的开关回路：骚扰源主频几十kHz到百余kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。

 2、设备直流电源的整流回路：工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz；开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。

 3、电动设备直流电机的电刷噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。

 4、电动设备交流电机的运行噪声：高次谐波可延伸到数十MHz。

 5、变频调速电路的骚扰发射：开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。

 6、设备运行状态切换的开关噪声：由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。

7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰：骚扰源主频几十kHz到几十MHz，高次谐波可延伸到数百MHz。

8、微波设备的微波泄漏：骚扰源主频数GHz。

 9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射：骚扰源主频几十kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。

 10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波：骚扰源主频数十MHz到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。

11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路：骚扰源主频数十MHz到数百MHz（经内部倍频主频可达数GHz），高次谐波可延伸到十几GHz。