序言:EMC挑战加剧

电磁兼容性(EMC)法规旨在确保在家庭和工作场所中所使用的以及越来越多地贯穿于智能城市、运输基础设施和网联汽车当中的各种不同类型的电气和电子设备在彼此靠近使用时可以共存。这种共存对于系统运行不会中断其他设备或受到外部干扰的影响来说至关重要。

当然,总体目标是要防止电磁效应导致设备或过程失效。这种失效带来的后果可能包括诸如收不到社交媒体信息或计步器记录不准确等轻微不便,或是在起搏器控制器等医疗设备或汽车制动控制器或铁路信号等安全系统发生中断的情况下对生命或安全带来的严重威胁。

干扰源和兼容性标准

常见的干扰信号源往往包括开关电源、开关DC/DC转换器和单相或三相电动机及其相关的驱动器。通常,频率高达30MHz的干扰会通过电缆和电流路径传导,或通过电感或电容机制在电缆之间耦合。

这些传导发射可能会与同一设备内的子系统相互干扰,或与附近的其他设备相干扰。高于30MHz的干扰信号通常会通过金属部件、器件或电缆(充当天线)向外辐射。这类寄生天线也可能会接收从另一个干扰源辐射的干扰信号。

由于干扰信号通过相同类型的信号路径耦合,因此充当强干扰源的设备可能同时对外部干扰存在抗扰度差的问题。

在欧洲,适用的法规是EMC指令2014/30/EU。该指令下的协调标准是双重产品组,例如包含在家用电器和电动工具用EN 55014中的产品组及包含在电气照明用EN 55015中的产品组。这些规范的范围包括设备发射的电磁信号的强度以及对于来自外部干扰源的干扰的抗扰度。

新产品在欧盟国家销售之前,必须经过合规性测试。面向商业、工业或企业环境中使用而销售的产品被归类为A类,而面向住宅环境中使用的产品被归类为B类。B类设备的法规往往更加严格。

表1概述了用于评估被测产品的发射和抗扰性能的测试类型。为了通过EMC法规,被测设备必须证明任何发射的信号强度都低于传导和辐射频率范围内的规定限值。此外,它们必须证明能对所述干扰信号和扰动达到指定强度的抗扰度。

20170721EMC-t1 表1.电磁发射和抗扰度的强制性产品测试。

EMC设计

确保电磁发射和抗扰度在规定的范围内,应首先从电路板级向上采用最佳设计实践,以便消除潜在的干扰信号路径。其包括在IC的Vcc连接处进行电源输出滤波和适当解耦,在多层PCB中仔细接地和正确放置地平面,以及避免可能充当天线的长信号走线。

OEM厂商的产品开发团队可能不熟悉2014/30/EU指令等文件中指定的规范和测试技术,并且可能无法从企业内部面向EMC的专业设计的专长中受益。此外,就通过来自不同外部供应商的集成模块创建的产品而言,OEM厂商的工程师通常也无法掌控板级设计决策。

另一方面,设计团队可能会发现,虽然从外部供应商处采购的功能模块可能各自遵守EMC法规,但包括多个模块在内的OEM系统的总发射量可能会超过特定频率下的规定限度。常见的例子包括LED照明系统等设备——尽管LED照明系统需要采用额外的系统级滤波来确保成品的合规性,但其可能包含多个驱动器,这些驱动器又具有各自符合EN 55015标准的开关电源(SMPS)模块。

此外,如果某OEM系统已经通过了测试和认证,随后对创建派生产品或下一代产品而做的设计更改可能会导致发射量增加,进而导致新产品无法通过EMC测试。

设计团队有时也可能发现住宅和工业电气设备允许的EMI信号强度之间存在差异。工业设备用规范可能在某些频段允许传导或辐射噪声达到大约75dB或100dB-110dB,但面向住宅设备的相应限制可能要严格10dB或者更多。如果是为暖通空调(HVAC)或家电产品选择逆变器等模块,记住这一点非常重要。

解决……并认证

诸如基美电子(KEMET)等元器件制造商通常会提供研发资源来测试客户的系统是否符合国际标准。这些部门会分析客户产品的发射和敏感性,确定不合规的原因,并开发测试解决方案,或酌情推荐更基本的设计更改。

诸如添加滤波器或引入电缆屏蔽或铁氧体扼流圈等成熟技术,可以弥补OEM客户经常在产品设计后期遇到的问题。其他方法可能包括金属屏蔽,或以散装薄片形式或以定制器件方式提供的柔性抑制材料。

市场上提供各种类型的EMC滤波器,它们分别针对单相或多相电机驱动器、光伏或风力发电机、医疗应用、照明或军事等应用进行了优化。这些滤波器还提供各种外形和安装方式,例如馈通、底盘安装或隔板安装滤波器。除了应用和安装以外,进一步的典型选择标准包括尺寸和成本,以及是否符合适用于滤波器的标准。这些标准包括IEC/EN 60939和UL 1283,以及CSA、cUL、MIL和德国VDE安全标准等。

20170721EMC-1 图1:基美电子的FLLD3600APVI1大电流三相EMI滤波器

补充案例

案例问题和解决方案1——电机/控制器应用

图2(a)显示了电机/控制器组合的传导噪声如何在一个小范围频率内超过规定极限,从而导致整个系统的认证测试失败。该案例显示了用于地热热泵的三相电机驱动器的性能。通过识别干扰信号的幅度和受影响的频率范围,基美电子设计了一个高通滤波器,用来衰减0-4MHz范围内的较低频率的干扰信号。图2(b)说明了面向这一应用设计的定制滤波器的作用——它确保了整个传导频率范围内的发射都低于EMC指令所规定的限值。

20170721EMC-2 图2(a)和2(b):带X电容的滤波器对热泵驱动器发射的影响。

案例问题和解决方案2——三相磨床

工程师经常遇到的时间、成本或尺寸限制可以帮助您集中寻找解决方案。某三相磨床包含一台400V交流电动机,该电机由一台通过电缆连接至电机的单独逆变器进行控制。该磨床经过发现超过了4-10MHz频率范围内的传导发射的规定限值,如图3(a)所示。

由于没有时间更改设备的物理布局,或是为了显著改变产品设计以包含更多的EMI滤波器,基美电子重新设计了逆变器和电机之间的布线,以便引入具有适当接地的屏蔽电缆。如图3(b)所示,这有效地将传导发射的最大值减少到了大约55dB——明显低于2014/30/EU指令所指定的60dB-73/80dB范围。

20170721EMC-3 图3(a)和3(b):使用屏蔽电缆尽可能减少传导干扰的影响。

案例问题和解决方案3——电池备份系统

基美电子的EMC滤波器研发部门的另一位客户最近要求帮助他们确保某台医疗设备用电池备份系统能够通过EMC测试。这个应用需要为电池的往返提供较长电缆,并在电池管理电路和LED指示灯之间提供长电缆。经过发现,系统中的DC/DC转换器由于其陡峭的开关沿而成为了扰动产生的原因。这些扰动很容易被充当天线的电缆所接收。图4(a)显示了电磁噪声如何在大约57MHz的位置达到峰值——该峰值大于在该频率范围内允许的40dB最大值,从而导致设备无法通过EMC认证。

由于该OEM的产品推出迫在眉睫,他们需要快速提供解决方案。外形限制致使不可能对电缆长度进行缩短。为了解决这些限制条件下的问题,该团队为电池和LED电缆添加了单匝共模电感器,使每根电缆各通过铁氧体磁芯一次。这有效地将30-200MHz范围内的干扰信号从40-50dB衰减到了30dB以下,如图4(b)所示。

铁氧体磁芯提供的形状和尺寸有很多,可用于各种直径的圆形电缆或其他类型的电缆,如扁平柔性电缆或带状电缆。这样便可以提供经济的解决方案来尽可能减少设计工作,这对于时间紧迫或在发现有EMC问题前已经有某些部件被生产的情况来说特别有价值。

20170721EMC-4 图4(a)和4(b):使用铁氧体磁芯来应对电缆的天线效应。

作者简介

Derick Stevens:基美电子(KEMET)欧洲FAE经理;Claes Nender:基美电子AB(KEMET Electronics AB)薄膜与电解业务部电子研发经理