基于单片机电子设备的电磁干扰问题分析与诊断

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基于单片机电子设备的电磁干扰问题分析与诊断
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赵阳：各位嘉宾下午好，下面由我介绍苏州泰思特科技有限公司关于单片机电磁干扰噪声问题的优化解决方案，一是讲电磁干扰噪声，二是强调怎么优化的。简单来讲分为三个方面：一是问题描述，传导噪声是什么问题；二是传导噪声的分析与诊断；三是具体的传导电磁干扰噪声抑制与处理；最后是结论。当然能站在这里跟大家分享鄙人的这些经验心得，还得感谢本次研讨会主办方电子元件技术网(www.cntronics.com)、中国电子展及我爱方案网(www.52solution.com)！
好下面开讲：第一，问题描述，单片机实际上是一个数字电子秤，它是在计量面的检测没有过关，我们帮它采用了泰思特公司的电磁干扰噪声解决方案的方法帮它解决了，所以我们讲是提供一个基于“8951单片机”电子设备的传导电磁干扰问题解决方案。这是它的测试结果图，一个是峰值，一个是平均值，两个都超标了。这几个频段，一个是12MHz、18MHz、15MHz的频段超标了，它带的问题没有过的，我们帮他解决。这是它的电路，我们通过分析发现，主要原因是单片机的 12M晶振在这个位置放大了一下，晶振对应的频率分别有12MHz、18MHz、24MHz，我们分析这是它的主要原因，是三个招标频段。这是问题描述，对于这个问题我们怎么分析它、解决它？叫噪声的分析和诊断，分析是你用什么方法解决，诊断是用什么措施来做。
包括三个方面：一是传统电磁干扰噪声模态分量提取；二是噪声源内阻抗测定；三是EMI滤波器设计。这三个实际上是不同的概念，第一，为什么要做模态提取，我们知道传统的电磁干扰噪声分布摩擦膜，简单来讲例如开关电源在工作状态下，它的共模是什么原因？开关状态和散热器地板之间的共模的分布电容并起来的，差模比如说变换器在环路之间摩擦的原因，我为什么要分析它的机理呢？因为EMI滤波器分为共模和差模，有不同的解决机理，如果没有把原因找出来就做是不经济的，而且效果也不好。假如说一个宽频滤波器在2MHz有一个，10MHz有一个，你把它设置成15MHz的EMI滤波器，问题是解决不了的。所以我们要分析第一个是什么原因？是共模噪声还是差模噪声？把原因找清楚了再谈设计。
第二，为什么要做噪声源内阻抗测定？我们知道EMI滤波器，左边是人工电源，右边是噪声源，比如说开关电源，中间是EMI滤波器，因此你要有一个好的滤波器，你没有一个阻抗概念的话，不和他匹配，我们说有最大的匹配才能把噪声抑制，什么叫噪声抑制？让它过滤波器的时候最大的筛减，然后跑到外面的检测杆。现在一般的方法简单地讲是共模，所以为什么效果不好？因为你不知道一个大概的范围。最后一个EMI滤波器的设计，不是说你的东西越多越好，你还有个优化的问题，这三个是噪声分析解决方案里的三方面。传导噪声在这个地方，这叫人工电源网络，单向的三根线，比如说开关电源，共模电流是这样做，差模电流是在环路里的，这里面产生噪声源，DC-DC等都有它的原因，共模是分布电容的，差模主要是开关，只要用到开关状态就必然产生共模和噪声。
我要对噪声进行提取，提取的方法有新加坡的，有美国等，还有一些是参考自电子元件技术网知识库 ( http://www.cntronics.com/public/baike )和我爱方案网知识堂 ( http://www.52solution.com/knowledge )的。我们现在选用最简单的就是设计变压器，是简单的差模输出，就是从LISN的两端这样的分级网络。分级网络特性怎么样？你怎么知道你测的噪声就是你的共模噪声？你有什么保证呢？所以分级网络有一个特性要保证，有：共模插损和差模插损、共模抑制比和差模抑制比，共模输出越小越好，什么意思？这是我要测的，什么叫分离网络，我进来的同时有共模信号和差模信号，如果我想看共模噪声有多大，那么我希望输出设计的越小越好，假如我进来的是共模信号，我想看差模分量，按道理讲是零，就是说抑制比越大越好，所以有两个参数，就是插入损耗和抑制比，插入损耗就是你要看的信号差损越小越好，抑制比就是你不想看的信号，抑制越大越好。比如说现在我的机器接在这端，看差模信号，如果这个时候进来的是差模信号，100%的信号进来，我的信号98、99%差模信号输出，抑制住差模越小越高。
假如说这个机器接的是共模，如果是差模进来，理论上它的共模分量很少为零，因此到了这个地方应该是抑制比越大越好，40分贝就是抑制100贝，60分贝就是抑制1000贝，这是我不想看到的。假如既有共模又有差模分量，这个地方是差模分量，这个地方是共模分量，因为我要做滤波器设计，我必须要确定这个分量，所以这个特性保证了插损越小越好，抑制比越大越好，一般来讲，抑制比比插损大于26个分贝就可以达到，但是按照原来我们南洋理工的说法，抑制比大概40分贝，插损50分贝以内，这是我们网络的特性，关键能拉开，20分贝就是10倍，这样才能起到作用。
第二，噪声源内阻抗测定。内阻抗测定就是主要测量噪声源的，就是被测噪声源的阻抗。这是一个开关电源，这个地方分别由共模阻抗测量和差模阻抗测量，比如现在测的是共模阻抗，它利用了一个信号发生源，传导噪声测是10千赫至30兆，有注入式电流探头和检测式电流探，耦合阻抗是什么呢？我在阻电路里组合电容，因为你是在阻电路里，你要把高频信号拿出来，所以要用到耦合阻抗。关于建模有几种方法，有一个说法是双电流探头法等四、五种建模方法。这是系数，Vp2表示为监测探头输电压，对于特定的测试系统而言，K为一个比例复常数，双电流方法中要求采用的标准电阻。第二种交叉短路，短路之后取得Zin。第三种相当于把这两个系数确定了，因为这些参数是保持不变的，所以具体来讲要分为三步。滤波器设计原理就是刚才讲的，抑制传导电磁干扰噪声，假如说以共模举例，我们假设是个噪声源，这是等效阻抗，现在我们测量出来了，容是多少，这两个LISN，是两个并联，滤波器放在这里，作用就是没有滤波器的时候，噪声是100%跑到这里了，有了滤波器之后有一定的衰减，比如说在某个频段有两个接空，有12兆、18兆、24兆，在这三个频率点上分别超标了10分贝，如果能分别把它设计到20、30，那么这个12、24到18的电源怎么样，这是我要检测的，就达到我的检测要求，这就是滤波器的目的。为什么要有滤波器的等效电路？这是噪声源，如果这个损耗不知道，或者给个经验值，有人直接给50，因为大家都认为这是匹配的，实际上这是没有经验，所以这个值知道了，因为是标准的，因此如果这两个知道以后，滤波器也知道了，我们就能优化设计。同样，差模滤波器为什么120？因为它是串在一起的。

刚才讲的第一个是噪声诊断，分析是共模还是差模为主。第二是噪声源内阻抗测量，是为了滤波器的优化设计；第三开始设计滤波器了，因为噪声要抑制了，简单来说共模滤波器是基本结构，一个共模大于两个电容，一个差模滤波器是差模电缆，一个直接画可以，但是一定要优化。如果这是在地铁上或者什么上面要有 100安培，上次我们在徐州做的，可能是70、80安培的这种，你算一下70、80安培的电缆做噪声，你要多少的绕？电容也是这样的，因为大电容意味着 ESR很大，一旦做到18-24兆，测噪声就知道，当然这个功率不大，但是也有这个问题，电感不是越大越好，分布参数全上来了，而且也不优化，电容更是这个原因，电容绝对不是计算值，不是那样的，这是基本结构。
第二，差模为什么要做LDM？首先它有几个作用，现在这里面没有差模噪声，如果说这里面有10兆的差模噪声，还有一个28兆的差模噪声，中间隔着18兆的，如果你把两个噪声全部让一个电容分配完，你就想有两个人，一个胖子，一个瘦子，怎么设计一个东西既能让胖子用又能让瘦子用？所以你必须要把它分流，把高的从这里过，低的从这里过，才能把它分摊开，否则高频噪声你想用一个做就做不了。第三，我们就来看看具体在这个方案里是怎么解决噪声的，第一步，噪声诊断，用了我们公司的EMI-2000，传导噪声对该电子设备的传导电磁干扰模态进行提取和分析，EMI-NA20000传导噪声分析仪主要是测量通过电源线传导对外发出的电磁干扰进行分离和分析，并建立起一整套的EMI噪声智能分析系统，50和 35共模和差模大于50个。通过做这个以后，我们测量的结果在这里，共模噪声50dBuV、52dBuV、56dBuV，差模噪声35dBuV、 40dBuV、42dBuV，这两个一比，50和35，共模大于差模15个dBuV，因此共模为主要的，差模不用考虑。第二个，18兆，大于12，也是共模为主，第三个是24兆，我为什么举这三个频点？因为它说的就是三个频点，别的不超标。
讲到滤波器也是，不是说滤波器什么都好，原来做一个卫星上的开关电源，1/3它的阻电路，2/3是它的EMI滤波器，重量摆在这边，如果把它打到天上去，它要多少能量？所以不是说滤波器频道越快越好，是要更优化地解决噪声。所以现在最关心的就是三个噪声，三个噪声一比较共模大于差模，共模是主要噪声，所以结论是以共模噪声为主，我仅仅需要设计共模滤波器，差模滤波器就不用考虑了。怎么设计呢？刚才讲了是由电感和电容构成，加个电容和电感就可以了？不是的，我们看看他们怎么优化。如果你设计一个电容，取20个PF的电容放在这边做，这20个PF既要在12兆，又要在18兆、24兆，做不到，为什么？就是源于ESR不一样，所以我们做的时候是把电容分成两个，你可以按级别分成若干个，太多了也不行，分成若干个之后每一个电容，比这个是处理24兆的噪声，这个是处理18兆的噪声，合理了之后就很有序了，这样的话才几毛钱就可以把噪声解决了。所以并不是计算一个理论值就可以了，这是电容优化。第二是扼流圈优化，扼流圈就是电感，扼流圈第一体积大，第二重量重，第三钱很贵，比如说电感，假如说要300块钱，但是你要自己做，把它的性能做到了以后，这还是一个很小的功率，我们把电感这样设计，电感分成阻电感，另外一个辅助电感的1、 2、3，电感假如能做到几个毫升，再大了分布参数上去了以后，有时候到了高频以后特性大了，损耗已经变了。不知不觉时间也过了20多分钟，接下来未讲完的内容，大家可以去主办方电子元件技术网和我爱方案网上看，他们会开班 网络直播方式的： http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/72/sid/15
第二，重量和成本也不可能无限制高，我要取得这个作用，把它设计好，因为电容和电感共同抑制共模噪声，比如这个总共超过15分贝，是在24兆，我把10兆用电容来立，剩下的5、6兆用电感来立，我把超标的12个分贝中拿8个分贝用电感做，剩下的6个分贝用电容做，这是一个优化，我们就做一个辅助电感，10个分贝的电感做的话，我也把它分开，也不可能一个东西放在这里，这样做了以后小电感很小，成本很低，一样可以抑制12、18、24兆的高频噪声。根据这个设计我们得到了参数，在下面这一排，C1、C2 的参数，是滤波器直接做的...