第1部分 — 規范與測量

簡介

多數電源應用必須減少電磁干擾 (EMI) 以滿足相關要求，系統設計人員必須嘗試各種方法來減少傳導和輻射發射。

電磁兼容性 (EMC) 標準的合規性（例如，針對多媒體設備的 CISPR 32，針對汽車應用的 CISPR 25）是一項非常重要的任務，與產品開發成本和上市時間息息相關。

對于 DC/DC 轉換器而言，雖然采用開關更快的電源器件可以提升開關頻率并縮小尺寸，但在開關轉換期間出現的開關電壓和電流轉換率（dv/dt 和 di/dt）有所提升，通常引起 EMI 加劇，導致整個系統出現問題。

例如，氮化鎵 (GaN) 電源器件的開關速度極快，導致高頻條件下的 EMI 增加 10dB。EMI 濾波器是電力電子系統不可或缺的組成部分，在總體積和總重量方面占比相對較大。因此，必須非常關注系統的 EMI 降噪和抑制，不僅要滿足 EMC 規范，還需降低解決方案成本并提高系統功率密度。

本文是 EMI 系列文章的第一部分，回顧了相關標準和測量技術，主要側重于傳導發射。表 1 列出了與 EMI 有關的常用縮寫和命名法。

表 1：與 EMI 和 EMC 相關的常見縮略語、縮寫和單位

EMC監管規范

EMC 指系統或內含元器件在其電磁環境中按要求運行，不會對環境中的任何設備產生超出容限的電磁干擾的能力。此類干擾可能造成嚴重后果，因此各種國內和國際監管規范中均設立了 EMC 條款。

在歐盟區域內，通信市場銷售的電源產品多年來通常采用 EN 55022/CISPR 22 產品標準，從而在傳導和輻射發射兩方面滿足合規性要求，歐盟之外參照此標準的電源產品使用 CE 符合性聲明 (DoC)，滿足歐盟 EMC 指令 2014/30/EU 的合規性。

針對北美市場設計的產品符合 FCC 第 15 部分 的限值。IEC 61000-6-3 和 IEC 61000-6-4 通用 EMC 標準分別適用于輕工業和工業環境。

然而，在輻射方面，EN 55032 產品標準已取代 EN 55022 (ITE)、EN 55013（廣播接收器和相關設備）和 EN 55103-1（音視頻設備）。這一新標準正式成為符合 EMC 指令的統一輻射標準 [8]。更具體地說，之前根據 EN 55022 進行測試并在 2017 年 3 月 2 日后運往歐盟的所有產品，必須符合 EN 55032 的要求。

隨著 EN 55022 標準撤銷并由 EN 55032 取代，電源制造商和供應商需要按照新標準更新其 DoC 證書，從而合法地使用 CE 認證徽標。圖 1 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的適用頻率范圍內，使用準峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信號檢測器進行的傳導發射的 EN 55022/32 A 類和 B 類限值。

圖 1：使用準峰值和平均值檢測器的 EN 55022 A 類和 B 類傳導發射限值

對于汽車終端設備，未來 EMC 合規性的主要推動力無疑來自于通過車輛間通信支持的自主車輛。針對“板載接收器保護”的 CISPR 25 規范已針對傳導發射設置了嚴格的限制，在 FM 頻帶（76MHz 至 108MHz）的限制尤為嚴格。

從監管角度而言，UNECE 10 號法規在 2014 年 11 月取代了歐盟的汽車 EMC 指令 2004/104/EC，其中要求制造商必須取得所有車輛、電子元器件 (ESA)、元器件和獨立技術單元的型式認證。

CISPR 25 測試的傳導發射均在 150kHz 至 108MHz 頻率范圍的特定頻帶內進行測量。具體而言，調節頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動服務頻帶之間，如圖 2 中的圖象和表格所示。圖 2 還繪制了 CISPR 25 5 類（最嚴苛的要求）的相關限值圖象。盡管頻帶之間的帶隙允許更高的噪聲尖峰，但汽車制造商可能會根據其特定的內部 EMC 要求選擇擴展這些頻率范圍。這些要求通常基于國際 IEC 標準，僅更改不同測試或限值的少量參數，其核心內容保持不變。

圖 2：CISPR 25 5 類傳導發射限值

為了應對 CISPR 25 限值帶來的挑戰，尤其是 FM 頻帶方面，請注意，50Ω 測量電阻產生的 18dBμV 對應的噪聲電流僅為 159nA。

測量傳導EMI

LISN 測量 EUT 產生的傳導發射。它是插入 EMI 源和電源之間測量點的接口，確保 EMI 測量結果的可重復性和可比較性。圖 3 所示為根據 CISPR 16-1-2或 ANSI C63.4。標準定義的標準 50μH LISN 的功能等效電路（并非完整原理圖）。

LISN 提供：

在給定頻率范圍內，產生經過校準的穩定信號源阻抗。

在該頻率范圍內，將 EUT 和測量設備與輸入電源隔離。

與測量設備建立安全適用的連接。

單獨測量兩條線路的總噪聲級別，圖 3 中以 L 和 N 表示。

圖 3：使用 V 型 LISN 進行的傳導發射測量

簡而言之，使用信號源阻抗已知的預定義測試方案能夠獲得可重復性結果。注：LISN 可能包含一個或多個獨立 LISN 電路。

LISN 的實質是 pi 濾波器網絡。通過低通電感-電容 (LC) 濾波器，EUT 與輸入電源線 L 和 N 相連，如圖 3 所示。LISN 電感值基于在產品理想安裝狀態下，電源線的預期電感。

CISPR 16 和 ANSI C63.4 為 LISN 指定了一個 50μH 電感，該值與電信設備中約 50 米的配電布線系統的電感相符。相反，CISPR 25 指定 5μH LISN，與汽車線束的近似電感相對應。

LISN 為噪聲發射信號提供明確定義的阻抗。LISN 制造商通常提供校準曲線，指示特定測量頻率范圍內的標稱阻抗。根據 CISPR 16-1-2，允許的容差是 ±20% 的幅值和 ±11.5° 的相位。

對于使用 EMI 接收器或頻譜分析儀進行的測量，噪聲信號可通過高通濾波器網絡（如圖 3 所示）獲得，該網絡的耦合電容為 0.1μF，放電電阻為 1kΩ，測量端口的端接電阻為 50Ω 。圖 4 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的頻率范圍，(50μH + 5Ω) || 50Ω LISN 的模擬阻抗圖。

圖 4：在 150kHz 至 30MHz 的調節頻率范圍內，測量端口處的 50Ω，50μH LISN 標稱阻抗特性

針對汽車應用的CISPR 25測試裝置

圖 5 顯示了 CISPR 25 推薦的傳導發射測試裝置。該標準定義了待測系統的處理方式以及測量方案和設備。根據 CISPR 25 規范，LISN 在此處指定為 AN。當汽車功率回流線超過 200mm 時，EUT 遠程接地，需要兩個 AN：二者分別用于正電源線和功率回流線。相反，如果汽車功率回流線不超過 200mm，則 EUT 本地接地，只需將一個 AN 應用于正電源。

AN 直接安裝在基準接地平面之上，AN 外殼與接地平面相連。電源回流線還與電源和 AN 之間的接地平面相連。將 EMI 接收器連接到相應 AN 的測量端口可確保成功測量每條電源線上的傳導發射。與此同時，插入另一條電源線的 AN 的測量端口端接 50Ω 負載。

圖 5：CISPR 25 傳導 EMI 測試方案（電壓法）概述

圖 6 顯示了用于預合規測試的 CISPR 25 傳導發射試驗室 [11]。LISN 是右側的藍色箱體，鋰離子汽車電池位于其后，DUT 位于左側的絕緣材料上。為了在特定電源電壓下（例如 13.5V）進行測試，使用可變電壓源從試驗室外部通過隔板饋電。結果通過各自的 LISN 在線路端（熱回路）和返回端（接地）獲取。

圖 7 顯示了典型的 CISPR 25 傳導 EMI 掃描結果，黃色和藍色分別表示峰值和平均測量值。我們可以看到 DC/DC 轉換器安靜地運行，傳導發射遠低于嚴格的 5 類限值。這種測量技術在 30MHz 以上發生改變，因為 EMI 接收器的 RBW 從 9kHz 調整為 120kHz，可能導致測量噪底發生變化。

總結

有意或者無意產生的電磁能量均對其他設備造成電磁干擾。商業產品需要在正常運行過程中將產生的電磁能量降至最低水平。

世界各地的許多管理機構均對允許最終產品產生的傳導和輻射 EMI 的等級進行了規定。采用適用的測量技術可以定量分析此類發射，以便采取適當的措施符合法規的合規性。

EMC 要求通常事關在 AC 電源線（和信號線）所測量系統的整體情況，而 DC/DC 轉換器作為子元器件，并沒有具體的 EMC 限值。然而，用戶可以執行預合規性測試，確定 EMI 是否造成不良影響。

審核編輯：何安