本文主要举例分析某塑料外壳产品电源输入端口出现传导骚扰问题的现象、原因分析，解决措施，思考与启示。

 

1.现象描述:2-3MHz的“电磁烟花”

 

某塑料外壳产品, 其AC电源入口的滤波电路如下图所示：

从电路中可以看出, 滤波电路中采用两级Y电容的共模滤波, Y电容CY2 和CY1 分列于共模电感M的两边。

 

PE是产品的接地端子。

 

其在传导测试中上演惊魂一幕——2~3MHz频段突然炸出超标尖峰，如下图所示：

就像电路板上突然点燃的电磁烟花，任凭工程师疯狂调整电感电容参数，超标点依然顽固不化！

 

诡异现象：

 

全频段近乎达标，唯独2~3MHz频段异常突起

 

共模电感堆到10mH，滤波电容加足猛料却无济于事

 

剪断CY1电容引线后，频谱曲线秒变平滑

 

 

2.原因分析：Y电容的“叛变之路”

 

第一幕：共模电流的“偷渡通道”

 

解剖分析前面的滤波电路发现致命设计：

 

[共模电流越狱路线]  

 

开关电源噪声 → CY1（4.7nF）→ PE线寄生电感 → 直通LISN  

 

关键证据：

 

CY1在3MHz时阻抗约10Ω左右，共模电感（10mH）阻抗约200kΩ，形成99.99%电流旁路

 

PE线1m长度寄生电感≈1μH，化身共模电压发生器

 

塑料外壳产品存在CY1 时传导骚扰问题的分析原理图 如下图所示：

根据上图所示, 开关电源产生的传导骚扰共模电流ICM 在产品的电源端口和测试系统中的LISN之间产生分流。

 

其主要路径分为两路：

 

一路流向PE接地线, 即图4中的IPE 

 

另一路流向LISN, 即图中的ILISN , 它直接决定着传导骚扰的测试结果 (共模传导骚扰)

 

当A/B､ PE与参考接地板之间的电位差都等于零时 (即PE线无阻抗, CY2 和CX1 滤波完美), ILISN 的大小将等于零｡

 

但是实际上, PE接地线是一根约1m长的线, 其寄生电感约为1μH (较长导线的寄生电感与电缆粗细影响不大, 粗细只影响电缆的等效电阻)｡

 

这种情况下, 当共模电流IPE 流过PE线时, PE 线上产生的压降ΔU就像一个电压源一样, 使LISN上流过一个电流ILISN , 即ILISN 必然不等于零, 如下图所示：

 

 

共模电流ILISN 的大小在PE线寄生电感一定的情况下, 取决于LISN 的接电源线处到产品中接地点PE之间 (即上图中C/D到PE之间) 的阻抗｡ 

 

对于本案例产品的滤波电路设计来说, LISN的接电源线处到产品中接地点PE之间存在两条路径：

 

第一条: LISN的接电源线处通过CY1 到产品中接地点PE (即上图中ILISN2 电流所在的路径)

 

第二条: LISN的接电源线处通过共模电感M和CY2 到产品中接地点PE (即上图中ILISN1 电流所在的路径)｡

 

假设CY1 为4.7nF, 其在3MHz的频率下, 阻抗约为10Ω, 而共模电感M为10mH时, 在3MHz的频率下, 阻抗约为200 kΩ。

 

所以第一条路径的阻抗要远小于第二条路径上的阻抗。

 

因此, 共模电感M相当于被电容CY1  旁路, 流过LISN 的共模电流 ILISN 没有被共模电感 M 抑制, 传导骚扰测试电平较高｡ 

 

第二幕：金属/塑料外壳的“双面人生”

 

塑料外壳：CY1成共模电流VIP通道，金属外壳却能通过壳体屏蔽分流90%噪声。

 

高频悖论：CY1在10MHz以上反而成救星（金属外壳场景）

 

割断电容CY1对地引线后, 上面两图所示的情况发生了变化。

 

即此时流过LISN 的共模电流ILISN 被共模电感M抑制, 共模电感M发挥了作用, 使传导骚扰共模电流ILISN 降低, 测试通过｡

 

无CY1 时传导骚扰问题的分析原理图如下图所示：

 

 

3.处理措施：给滤波电路“做减法”

 

1. 手起刀落剪CY1：

 

拆除共模电感前端Y电容，迫使电流流经电感主路

 

效果对比：2MHz频段骚扰电平直线下降，测试曲线全线飘绿

 

2. 金属外壳必杀技：

 

壳体良好接地，PE线长度压缩至＜10cm

 

高频场景保留CY1（1000pF足矣），利用壳体屏蔽效应（后面会解释）

 

在上面的滤波电路原理图中, 装置内部的干扰信号通过电容CY1 回到电源端口, 旁路了应该发挥共模电流抑制作用的共模电感M而使传导骚扰失败。

 

按以上原理分析, 只要去掉共模电感前端的Y 电容CY1 , 就可以使本案例中的产品传导骚扰测试通过, 并保持有一定的裕量｡ 

 

4.思考与启示：滤波设计的“三重境界”

 

血泪经验包

 

1. 少即是多：

 

盲目堆料反成噪声高速公路，案例证明“剪”电容比加电容更有效

 

黄金法则：每增加一个器件，需评估其对电流路径的影响

 

2. 接地不是万能药：

 

塑料外壳产品接地线长＞0.5m时，Y电容可能适得其反

 

金属外壳接地要“短粗硬”，接地点阻抗＜0.1Ω

 

3. 频段分治策略：

 

低频靠电感（10mH级），高频靠电容（nF级）

 

金属外壳产品可玩“高频魔法”，塑料外壳需走“极简风”

 

举一反三技巧

 

遇到特定频段超标，立即去掉疑似电容验证效果

 

用阻抗分析仪实测PE线阻抗（1MHz以上频段是关键）

 

共模电感优选三明治绕法，漏感控制在1%~5%

 

从前面的分析，我们需要明白，一味地接地或增加滤波器件并不是抑制电源端口共模传导骚扰的方法。

 

传导骚扰的本质是骚扰电流 (包括共模与差模, 高频时以共模电流为主) 流过LISN。

 

通过滤波电路或接地改变骚扰电流的流向, 不让骚扰电流流向LISN, 并尽量减小流向LISN的骚扰电流才是正确的产品传导骚扰抑制设计的指导思路｡ 

 

虽然本案例是通过去除CY1 来解决传导骚扰问题的, 但是并非说前面的滤波电路设计是错误的｡ 

 

前面对流向LISN的共模电流ILISN 是针对产品接地阻抗较高的软塑料外壳产品。

 

且在CY2 电容滤波较为理想 (即CY2两端压降在某频率下接近于零) 且共模电流ICM 主要是从参考接地板返回到产品内部的情况下的。

 

实际上图中A/B点到参考接地板之间的共模电压不但与PE接地线及其上的共模电流大小有关, 还与CY2 的阻抗有关｡ 

 

实际产品中CY2 不可能做到非常低的阻抗, 即CY2 两端存在共模电压降ΔU′｡

 

此时, 前面所示的共模等效电路原理图, 可以转化为如下图所示的CY2 两端存在共模电压降ΔU′而导致传导骚扰问题的原理图，如下图所示：

从图中可以看到CY1 的存在, 反而旁路了流向LISN的共模电流｡ 也就是说, 此时, CY1 对电源输入端口的传导骚扰测试的通过是有帮助的, 这与前面所示的情况正好相反｡ 

 

实际上, PE接地线上共模电流很小的产品通常是带有金属外壳且连接正确的产品｡ 

 

下图是金属外壳产品存在CY1 时传导骚扰问题的分析原理图:

 

对于带有金属外壳的产品, 由于金属外壳的存在, 金属外壳可以把大部分开关电源产生的共模骚扰电流在到达参考接地板或LISN之前旁路在金属外壳之内 (前提是连接正确)｡

 

这样, 这种产品的PE接地线上流过的共模电流就会很少, PE接地线上的共模电压ΔU也会很低,即 CY1 对所示产品的传导骚扰的影响也很小｡ 

 

相反, CY1 对CY2 两端存在共模电压降ΔU′而导致传导骚扰问题的产品的传导骚扰的影响却很大｡ 

 

这也是为什么有些产品在电源输入端口处再增加一个Y 电容反而对EMI很有帮助的原因｡ 

 

可见对于金属外壳产品来说, 采用图中一开始所示的滤波电路还是可取的, 它会对高频 (如10MHz以上, 100MHz以下) 的抑制带来一定的好处｡

 

通常情况下, 约1000pF容值的 CY1 已经足够了｡ 

 

金属外壳产品存在CY1 的共模电流路径分析原理图如下图所示：

低频时, 即使是金属外壳的产品也不会对抑制电源端口的传导骚扰带来很大的帮助。

 

这是因为低频时CY1 的阻抗要远大于25Ω (LISN等效共模阻抗), CY1 的增加并不会减小流向 LISN 的共模电流｡ 

来源：电子工程师之家

关键词： 电源 传导骚扰失效