复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法

摘要

复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法：1.分析产生传导EMI噪声的原因：(1)串扰引起的传导EMI噪声；(2)接地不良引起的传导EMI噪声；(3)PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声；2.属于（1）时，将串扰扼流圈的火线和中线进行反进反出紧密绕制；属于（2）时，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8并联且一端接地，U1=U2且分别设置在C1和C2、C4和C5之间C1=C2=22μF，C3=C4=C5=C6=0.1μF，C7=100pF，C8=10pF；属于（3）时，用电磁仿真软件计算PCB电路特征阻抗，根据传输信号的频率特性进行信号完整性分析，使得PCB线路的阻抗达到最佳匹配。

权利要求

1.一种复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：分析产生传导EMI噪声的原因：

当电力系统或通讯系统中存在电力线缆或通讯线缆时，且电力线缆或通讯线缆上传输高频信号，该高频信号随着时间不断在变化，在线缆周围产生射频电磁场，从而耦合至其他线缆上而产生的电磁干扰噪声，其属于因串扰引起的传导EMI噪声；

当PCB电路接地不良时，则此浮地与真实地之间存在一个寄生电容，而此寄生电容的存在会导致原直接接地的负载通过与该寄生电容串联后再接地，即导致负载变为原负载串联一未知大小的寄生电容，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因接地不良引起的传导EMI噪声；

当实际功能电路中存在以驱动各类芯片的时钟信号或射频传输信号时，若时钟信号或射频传输信号的频率高于10MHz，则需要考虑信号在传输过程中的反射、透射以及PCB线缆的特征阻抗，而在PCB线缆特征阻抗失配时，时钟信号或射频传输信号入射后会产生多次反射，并激起信号主频的高次谐波在电路中振荡，从而大大加强传导电磁干扰噪声，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声；

第二步：

当属于因串扰引起的传导EMI噪声时，采用将串扰扼流圈的火线和中线进行反进反出紧密绕制的方式；

当属于因接地不良引起的传导EMI噪声时，采用电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8进行并联，U1设置在C1和C2之间，U2设置在C4和C5之间，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8的一端接地，U1=U2，C1=C2=22μF，C3=C4=C5=C6=0.1μF，C7=100pF，C8=10pF的方式；

当属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声时，则首先需要通过电磁仿真软件计算PCB电路的特征阻抗，然后根据传输信号的频率特性进行信号完整性分析，通过信号完整性分析结果使得PCB线路的阻抗达到最佳匹配，从而解决由其产生的传导EMI噪声。

2.根据权利要求1所述的复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法：其特征在于：第一步所述的判定方式可混配使用，第二步所述的三种方式可混配使用。

3.根据权利要求1所述的复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法：其特征在于：所述的电磁仿真软件采用CST电磁仿真软件。

说明书

复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及对复杂电子系统产生的传导电磁干扰（EMI）噪声的抑制技术，具体而言即对由射频电磁场耦合产生的线缆EMI噪声，因接地不良好引起的传导EMI噪声，以及因PCB线缆阻抗失配引起的传导EMI噪声等的抑制技术，该技术的运用可以较好地保障复杂电子系统通过电磁兼容技术中的传导EMI标准认证，属于电力电子与电磁兼容（EMC）技术领域。

背景技术

[0002] 随着高频开关器件、单片机、可编程逻辑器件、高速数字信号处理芯片（DSP）以及高集成度PCB板的应用，电力电子系统电磁干扰噪声生成机理更加复杂，传导电磁干扰（即为电力线传播的电磁干扰）问题越来越受到广大电子消费者，甚至相关政府部门的关注，传导电磁干扰噪声测量已经成为电气电子产品的强制性检测项目，我国的工业、科学和医疗射频设备标准（GB4824）、家用电器、电动工具和类似用途电磁标准（GB4343）、信息技术设备标准（GB9254）和电气照明设备标准（GB17743）等产品检测标准都提到了传导电磁干扰测量。传导电磁干扰超标产品一旦流入市场，将会给人们的生活生产等带来不利的影响，造成周围电气设备的非正常工作，严重时甚至影响人体的身体健康，因此较好地解决电子设备的传导电磁干扰问题是促进经济有效发展，保证社会和谐发展的一个关键技术支撑。

[0003] 目前，在传导干扰噪声机理分析方面大多采用噪声分离网络（Mardiguian网络，SEE网络，Paul网络，Lo网络）以有效提取被测设备模态噪声，包括共模/差模噪声，从而设计相应的EMI滤波器。在噪声抑制方面，通常采用解耦电容、X电容、Y电容、共模扼流圈、铁氧体磁环、EMI滤波器等滤除线缆高频（10kHz-30MHz）噪声。尽管如此，上述方法尚存不足，如噪声分离网络仅能提取模态噪声，而无法分析噪声生成机理，包括由开关器件上升沿引起的共模/差模噪声，由线缆间射频电磁场耦合产生的线缆噪声（即串扰），由接地不良好或散热地浮地导致的传导噪声以及因PCB线缆阻抗失配引起的传导噪声等。此外，现有噪声抑制方法能够抑制开关器件等引起的线缆噪声，而较难降低因电磁场串扰产生的线缆噪声。

发明内容

[0004] 针对串扰、接地不良和PCB线缆阻抗失配引起的传导EMI噪声问题，提供了一种使复杂电子系统的传导EMI噪声得到有效抑制的复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法。

[0005] 为了解决以上问题本发明提供了一种复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0006] 第一步：分析产生传导EMI噪声的原因：

[0007] 当电力系统或通讯系统中存在电力线缆或通讯线缆时，且电力线缆或通讯线缆上传输高频信号，该高频信号随着时间不断在变化，在线缆周围产生射频电磁场，从而耦合至其他线缆上而产生的电磁干扰噪声，其属于因串扰引起的传导EMI噪声；

[0008] 当PCB电路接地不良时，则此浮地与真实地之间存在一个寄生电容，而此寄生电容的存在会导致原直接接地的负载通过与该寄生电容串联后再接地，即导致负载变为原负载串联一未知大小的寄生电容，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因接地不良引起的传导EMI噪声；

[0009] 当实际功能电路中存在以驱动各类芯片的时钟信号或射频传输信号时，若时钟信号或射频传输信号的频率高于10MHz，则需要考虑信号在传输过程中的反射、透射以及PCB线缆的特征阻抗，而在PCB线缆特征阻抗失配时，时钟信号或射频传输信号入射后会产生多次反射，并激起信号主频的高次谐波在电路中振荡，从而大大加强传导电磁干扰噪声，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声；

[0010] 第二步：

[0011] 当属于因串扰引起的传导EMI噪声时，采用将串扰扼流圈的火线和中线进行反进反出紧密绕制的方式；

[0012] 当属于因接地不良引起的传导EMI噪声时，采用电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8进行并联，U1设置在C1和C2之间，U2设置在C4和C5之间，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8的一端接地，U1=U2，C1=C2=22μF，C3=C4=C5=C6=0.1μF，C7=100pF，C8=10pF的方式；

[0013] 当属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声时，则首先需要通过电磁仿真软件计算PCB电路的特征阻抗，然后根据传输信号的频率特性进行信号完整性分析，通过信号完整性分析结果采取使得PCB线路的阻抗达到最佳匹配，从而解决由其产生的传导EMI噪声。

[0014] 第一步所述的判定方式可混配使用，第二步所述的三种方式可混配使用。

[0015] 所述的电磁仿真软件采用CST电磁仿真软件。

[0016] 有益效果：本发明方法有效抑制了复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法。

附图说明

[0017] 图1线缆间射频电磁场耦合引起的串扰生成机理示意图；

[0018] 图2（a）为PCB接地良好时的等效电路；

[0019] 图2（b）因接地不良引起的传导EMI噪声电路模型的等效电路图；

[0020] 图3 PCB线路射频信号传输示意图；

[0021] 图4共模扼流圈电路模型；

[0022] 图5串扰扼流圈电路模型；

[0023] 图6 （a）为PCB直流电源接地不良电路图；

[0024] 图6 （b）为改进后的PCB直流电源接地电路图；

[0025] 图7（a）为抑制前开关电源的传导EMI噪声测试结果图；

[0026] 图7（b）为采用本发明方法抑制后开关电源传导EMI噪声的测试结果图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。

[0028] 传导EMI噪声包括火线—地线间高频噪声电流引起的共模噪声UCM，以及火线—中线间高频噪声电流引起的差模噪声UDM。然而开关器件的上升沿、接地不良、线缆间射频场耦合以及PCB线缆阻抗适配等均会产生传导EMI噪声，即传导EMI噪声生成机理。

[0029] ▲因串扰引起的传导EMI噪声生成机理

[0030] 在电力系统或通讯系统中，线缆中信号随时间不断改变，根据麦克斯韦方程组，线缆周围会产生射频电磁场，从而将高频噪声耦合至其它线缆，即为串扰。一般而言，线缆中时变信号引起的射频电磁场可等效为电偶极子模型。

[0031] （1）

[0032] 式中 H——磁场强度（A/m）；

[0033] E——电场强度（V/m）；

[0034] Idl——电偶极子的电矩（A·m）；

[0035] k——波矢（rad/m），其模表示波数，方向表示波的传播方向。

[0036] 由式（1）不难发现，在自由空间中，线缆中信号引起的射频电磁场为[0037] （2）

[0038] 式中

[0039]

[0040]

[0041] 如图1所示，线缆Ⅰ1引起的射频电磁场E 4以空间位移电流∂D/∂t 3形式耦合至线缆Ⅱ2，从而在线缆Ⅱ2中产生共模噪声电流ICM。由式（2）可见，射频电磁场与线缆长度，线缆中电流大小有关。考虑最恶劣情况，即θ为π/2 rad，设线缆中因开关器件等引起的高频噪声电流I为50 μA，频率为20 MHz，线缆长度l分别为1cm、5cm、10cm、15cm时，则相应地，在3m处线缆引起的射频电磁场分别为28.64dBμV/m，60.83dBμV/m，74.69dBμV/m，82.80dBμV/m，不同噪声频率及线缆长度引起的射频电磁场如表1所示，线缆越长，线缆中电流频率越高，其产生的辐射电磁场就越强，对应的串扰噪声就越大。

[0042] 值得注意的是，实际应用中，器件驱动电压不能改变，因此线缆中电流一般难以减小，仅能通过减小线缆长度抑制辐射电磁场从而减弱串扰噪声。

[0043] 表1 不同线缆长度引起的射频电磁场：

[0044] 射频电磁场(dBμV/m)

[0045]

[0046] ▲因接地不良引起的传导噪声生成机理

[0047] 对于火线/中线5与地之间产生的共模噪声而言，如图2（a）所示，可以等效为共模噪声源UCM，共模噪声源内阻抗ZCM以及负载阻抗Zload。其中，负载上检测到的噪声电压Uload即为传导EMI噪声。

[0048] （3）

[0049] 当PCB电路接地不良时，浮地7与地之间存在一个寄生电容C，因此等效负载为Zload与寄生电容C 串联，即为ZL 6，如图2（b）所示。此时，传导EMI噪声变为 。

[0050] （4）

[0051] 由式（3）、（4）可知，在共模噪声源UCM，共模噪声源内阻抗ZCM以及负载阻抗Zload确定的条件下， 大于Uload，其中，Uload为PCB电路本身引起的传导EMI噪声，而其增量为因接地不良引起的传导EMI噪声。

[0052] （5）

[0053] 值得注意的是，根据GB 9254标准，传导EMI噪声的标准检测设备为人工电源网络，其内阻抗为50Ω。在实际测试过程中，电路负载阻抗与人工电源网络内阻抗并联，因此，当电路负载阻抗变大时，人工电源网络内阻抗测得的电压变大，故传导EMI噪声也相应增大。

[0054] ▲因PCB线路阻抗失配引起的传导噪声产生机理

[0055] 在实际功能电路中存在一些时钟信号以驱动各类芯片，然而，上述时钟信号的频率一般大于10MHz，因此，需要考虑信号的反射、透射以及PCB线路的特征阻抗等。

[0056] 设PCB线路某一部分的特征阻抗失配，如图3所示，将其分为三段，即分段Ⅰ8、分段Ⅱ9、分段Ⅲ10，其中，每段的特征阻抗为Zi（i=1，2，3）；Rij、Tij分别为电磁波从分段i入射到分段j时的反射系数和透射系数（i、j=1，2，3且i≠j）。若采用归一化场强，即将入射波进行归一化，则对于一次透射13而言，在界面Ⅰ 11上：

[0057] （6）

[0058] 式中，ρ11、Γ11分别为一次透射中，电磁波界面Ⅰ 11传输时的反射波和透射波，γ为材料的传输常数。

[0059] 在界面Ⅱ12上，

[0060] （7）

[0061] 式中，ρ12、Γ12分别为一次透射中，电磁波在界面Ⅱ12传输时的反射波和透射波。

[0062] 对于二次透射14而言，在界面Ⅰ 11上，

[0063] （8）

[0064] 式中，ρ21、Γ21分别为二次透射中，电磁波在界面Ⅰ 11传输时的反射波和透射波。

[0065] 在界面2上，

[0066] （9）

[0067] 式中，ρ22、Γ22分别为二次透射中，电磁波在界面Ⅱ12传输时的反射波和透射波。

[0068] 根据式（6）～（9）以及图3所示，考虑n次透射，电磁波在界面Ⅱ12上的透射波Γn2分别为

[0069] （10）

[0070] 由式（10）不难得出上述PCB线路总的透射波Γ为

[0071] （11）

[0072] 根据式（10）和式（11），当PCB线缆特征阻抗失配时，时钟信号或射频传输信号入射后会产生多次反射，并激起信号主频的高次谐波在电路中振荡，从而大大将强了传导EMI噪声。

[0073] 针对不同类型的传导EMI噪声采用不同的抑制方法

[0074] ▲因串扰引起的传导EMI噪声的抑制方法

[0075] 串扰是由于线缆附近噪声源（包括其它线缆、晶振或芯片等）产生的射频电磁场耦合至线缆中，从而引起的传导EMI噪声。因此，串扰的噪声源为空间射频电磁场，然而，在实际功能电路中，其它线缆、晶振或芯片的工作状态一般无法改变，而且线缆的电磁屏蔽措施也较难应用（屏蔽效能较低且成本较高）。

[0076] 考虑到传统的共模扼流圈能够较好的抑制线路中的共模EMI噪声，如图4所示，火线15和中线16是同进同出。当火线和中线中的差模噪声流入共模扼流圈时，由于差模电流的方向相反，产生的磁通量相互抵消，共模扼流圈呈低阻抗；而当火线和中线中的共模噪声流入共模扼流圈时，由于共模电流的方向相同，产生的磁通量互相叠加，共模扼流圈呈高阻抗，因此共模扼流圈能够抑制共模EMI噪声。

[0077] 值得注意的是，对于串扰而言，线缆相当于一个接收天线（短直天线，电偶极子），若按照图4方式绕制共模扼流圈，由于两个天线（火线和中线）的位置（场点）相同，其接收到射频电磁场幅值和相位均相同，从而大大加剧了串扰的影响。为了解决上述问题，本发明设计了如图5所示的串扰扼流圈。

[0078] 如图4和图5所示，与共模扼流圈不同的是，串扰扼流圈的火线和中线是反进反出，火线和中线不再是两个孤立的短直天线（电偶极子），而变为环路天线（磁偶极子）。同时，由于火线和中线是紧密绕制的，环路天线的面积几乎为零，因此其接收到的射频电磁场也几乎为零，从而大大降低了串扰的影响。

[0079] ▲因接地不良引起的传导噪声抑制方法

[0080] 通常情况下，在实际应用中仅需加强PCB电路的接地系统即可有效抑制因接地不良好引起的传导EMI噪声，然而，对于复杂电子系统而言，PCB电路中存在若干芯片及其直流电源（电压等级也不相同，如5V，3.3V，1.8V，1.2V等）。为了防止上述直流电源间的相互干扰，常常如图6（a）设计各芯片间的直流电源，，铁氧体磁珠FB1和FB2用于隔离直流电源间的相互干扰，但易造成PCB电路的接地不良好，从而引起严重的电磁干扰问题。

[0081] 为了解决上述问题，如图6（b）所示，将铁氧体磁珠FB1和FB2换为滤波电容C7和C8，从而避免电源间的相互干扰，同时改善了PCB电路的接地系统。图中U1=U2，C1=C2=22μF，C3=C4=C5=C6=0.1μF，C7=100pF，C8=10pF。

[0082] ▲因PCB线路阻抗失配引起的传导噪声抑制方法

[0083] PCB线路阻抗失配会引起信号的多次反射，激起信号主频的高次谐波在电路中振荡，从而产生传导EMI噪声。通常，可以通过计算PCB电路的特征阻抗，并根据传输信号的特性进行信号完整性分析，从而尽量使PCB线路的阻抗匹配。

[0084] 值得注意的是，上述方法能够尽量保证传输信号的完整性，然而，PCB线路中的高频谐波并非功能信号，因此若能消减上述高频谐波即可有效减低传导EMI噪声。鉴于此，本发明设计了一种基于PCB线路阻抗失配的传导EMI噪声抑制方法。由式（10）和（11）可见，阻抗失配会产生多次反射和透射，但阻抗失配的设计关键为尽量增加高频噪声的反射系数，减小其透射系数，从而减小传导EMI噪声。

[0085] 一种复杂电子系统的传导EMI噪声抑制方法，包括以下步骤：

[0086] 第一步：分析产生传导EMI噪声的原因：

[0087] 当电力系统或通讯系统中存在电力线缆或通讯线缆时，且电力线缆或通讯线缆上传输高频信号，该高频信号随着时间不断在变化，在线缆周围产生射频电磁场，从而耦合至其他线缆上而产生的电磁干扰噪声，其属于因串扰引起的传导EMI噪声；

[0088] 当PCB电路接地不良时，则此浮地与真实地之间存在一个寄生电容，而此寄生电容的存在会导致原直接接地的负载通过与该寄生电容串联后再接地，即导致负载变为原负载串联一未知大小的寄生电容，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因接地不良引起的传导EMI噪声；

[0089] 当实际功能电路中存在以驱动各类芯片的时钟信号或射频传输信号时，若时钟信号或射频传输信号的频率高于10MHz，则需要考虑信号在传输过程中的反射、透射以及PCB线缆的特征阻抗等，而在PCB线缆特征阻抗失配时，时钟信号或射频传输信号入射后会产生多次反射，并激起信号主频的高次谐波在电路中振荡，从而大大加强传导电磁干扰噪声，而由此产生的电磁干扰噪声，其属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声；

[0090] 第二步：

[0091] 当属于因串扰引起的传导EMI噪声时，采用将串扰扼流圈的火线和中线进行反进反出紧密绕制的方式；

[0092] 当属于因接地不良引起的传导EMI噪声时，采用电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8进行并联，U1设置在C1和C2之间，U2设置在C4和C5之间，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8的一端接地，U1=U2，C1=C2=22μF，C3=C4=C5=C6=0.1μF，C7=100pF，C8=10pF的方式；

[0093] 当属于因PCB线路阻抗失配引起的传导EMI噪声时，则首先需要通过电磁仿真软件计算PCB电路的特征阻抗，然后根据传输信号的频率特性进行信号完整性分析，通过信号完整性分析结果尽量使得PCB线路的阻抗达到最佳匹配，从而解决由其产生的传导EMI噪声。

[0094] 第一步所述的判定方式可混配使用，第二步所述的三种方式可以混配使用。

[0095] 所述的电磁仿真软件优选为CST电磁仿真软件。

[0096] 为了说明复杂电子系统的传导EMI噪声抑制问题，验证本发明抑制方法的有效性，采用存在传导EMI噪声超标问题的某商用开关电源作为试验对象，对其综合采用本发明的抑制方法进行传导EMI噪声抑制。

[0097] 以某商用开关电源为例，分析其产生的传导EMI噪声。利用江苏省计量科学研究院德国罗德施瓦茨（R&S）公司的EMI接收机ESU26和标准人工电源网络ENV216进行测试，结果如图7（a）所示。

[0098] 采用本发明方法分析可知，该电源的传导EMI噪声存在超标问题，其低频和中频段噪声较大，超过美国FCC A类电磁兼容标准，因此根据超标的传导噪声特征，需设计一个合适的传导EMI滤波器对超标的传导EMI噪声进行抑制。具体结果如下：滤波前的噪声频谱如图7(a)所示，发现在10kHz 至10MHz之间，电力线上的共模噪声达到80dBμV，超过FCC的A类标准。接入本发明方法所设计的传导EMI滤波器后，其传导EMI噪声频谱的测试结果如图7(b)所示，可以看出滤波后噪声电平明显降低，噪声值最高在50dBμV左右，达到FCC标准。该测试结果较好地验证了本发明用于抑制开关电源噪声的有效性。

[0099] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。