案例分享磁環(huán)妙用解決某產(chǎn)品EMC輻射超標(biāo)問(wèn)題

1.問(wèn)題描述

某國(guó)外醫(yī)療產(chǎn)品需要在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行醫(yī)療產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)，其輻射騷擾在60MHz和130MHz左右超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)工程師在AC220V電源線纜增加大量不同種類的磁環(huán)都沒(méi)有改善，如圖1所示。

圖130MHz～1GHz輻射騷擾原始頻譜

從圖1可以看出，產(chǎn)品輻射騷擾在60MHz左右，最大超標(biāo)約1dB，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)不通過(guò)。

2.故障診斷——磁環(huán)加哪里？

產(chǎn)品為便攜式醫(yī)療設(shè)備，由AC220V和電池供電。測(cè)試時(shí)工程師在AC220V電源線加磁環(huán)無(wú)改善，再次確認(rèn)時(shí)直接拔掉AC220V電源線，使用電池為產(chǎn)品供電，此時(shí)測(cè)試輻射騷擾，前后結(jié)果無(wú)任何改變，因此確認(rèn)產(chǎn)品輻射騷擾和AC220V電源線無(wú)關(guān)。

打開(kāi)機(jī)殼，使用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭在機(jī)殼內(nèi)部單板、線纜等處查找電磁干擾源，當(dāng)近場(chǎng)探頭置于電池電源線時(shí)，在所關(guān)心的60MMHz和130MMHz左右電磁干擾陡然增大，如圖2、圖3所示。

圖2引起EMI問(wèn)題的電池電源線

圖3電池電源線電磁干擾

對(duì)比圖1和圖3的頻譜，可以看出近場(chǎng)測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試兩者的結(jié)果非常接近，因此懷疑電池電源線引起的輻射超標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證，當(dāng)而拔掉電池電源線時(shí)，近場(chǎng)測(cè)試的電磁干擾幅度大幅度減小，因此可以斷定引起產(chǎn)品輻射超標(biāo)的為電池電源線。

3.原因分析

從圖4可以看出，電池電源線緊貼AC220V開(kāi)關(guān)電源板。

圖4電池電源線緊貼開(kāi)關(guān)電源板

開(kāi)關(guān)電源板為單面板，頂層為器件，底層為布線，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，其一直處于高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，此時(shí)電路中存在強(qiáng)烈的電壓和電流變化，即du/dt≠0，或者di/dt≠0。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的電壓或者電流產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)可以在環(huán)路里面感應(yīng)出電壓和電流，那么電池電源線緊貼開(kāi)關(guān)電源板底層布線層，空間距離很近，因此，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，將在電池電源線上感應(yīng)出噪聲，由于電池電源線較長(zhǎng)（約50mm），此時(shí)就構(gòu)成了很好的輻射發(fā)射天線，從而產(chǎn)生電磁干擾。

4.整改措施——磁環(huán)加哪個(gè)？

本產(chǎn)品為國(guó)外產(chǎn)品，無(wú)任何硬件電路圖和技術(shù)支持工程師，因此為避免大動(dòng)干戈損壞產(chǎn)品，選擇使用磁環(huán)的整改方案。

鐵氧體磁環(huán)是一種吸收損耗型元件。在低頻段，鐵氧體呈現(xiàn)出非常低的感性阻抗值，不影響數(shù)據(jù)線或信號(hào)線上有用信號(hào)的傳輸。而在高頻段，阻抗增大，其感抗分量仍保持很小，電阻性分量卻迅速增加，當(dāng)有高頻能量穿過(guò)磁性材料時(shí)，電阻性分量就會(huì)把這些能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

首先查看頻譜圖，產(chǎn)品超標(biāo)頻段為60MHz-130MHz，因此要求磁環(huán)在本頻段有較高的阻抗，查看磁環(huán)規(guī)格書(shū)，如圖5所示。

圖5 鐵氧體磁環(huán)規(guī)格書(shū)

從圖5可以看出，型號(hào)為74271112磁環(huán)，在關(guān)心的超標(biāo)頻段，當(dāng)線圈繞2匝時(shí)阻抗高達(dá)800Ω/100MHz左右，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，所選的磁環(huán)阻抗?jié)M足濾波需求，其頻率阻抗特性如圖6所示。

圖6 磁環(huán)頻率阻抗特性圖

5.實(shí)踐效果

根據(jù)前面的整改措施，將電池電源線在磁環(huán)上繞2匝，以抑制電池電源線的輻射，如圖7所示。

圖7電池電源線加磁環(huán)繞2匝

合攏整機(jī)進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試，此時(shí)在所關(guān)心的頻段電磁干擾改善約12dB，實(shí)驗(yàn)通過(guò)，如圖8所示。

圖8電池電源線加磁整改后輻射

【總結(jié)】

磁環(huán)在EMC實(shí)驗(yàn)室可以說(shuō)遍地皆是，如果要調(diào)查下工程師最喜愛(ài)的EMI抑制器件，磁環(huán)說(shuō)第二，絕對(duì)沒(méi)有哪個(gè)器件敢說(shuō)第一，簡(jiǎn)直乃神一樣的存在！但與其地位嚴(yán)重不符的是，磁環(huán)的應(yīng)用方法，業(yè)界和工程師卻沒(méi)有清晰的思路，現(xiàn)場(chǎng)整改時(shí)，這個(gè)試試，那個(gè)試試，碰運(yùn)氣和撞大運(yùn)的成分居多。本文通過(guò)實(shí)戰(zhàn)案例，系統(tǒng)地總結(jié)了磁環(huán)的選型思路和應(yīng)用方法，全文思路清晰，滴水不漏，讀來(lái)讓人如撥云見(jiàn)日，受益匪淺！