开关噪声的电磁兼容性评估

1/1开关噪声的电磁兼容性评估第一部分开关噪声的来源及频谱分布 2第二部分传导发射与辐射发射评估方法 3第三部分时域与频域测量技术对比 5第四部分不同标准下的EMC限值 7第五部分噪声耦合路径分析 10第六部分噪声抑制与设计优化措施 12第七部分滤波器应用与参数选择 14第八部分接地、屏蔽和隔离对噪声的影响 17

第一部分开关噪声的来源及频谱分布开关噪声的来源及频谱分布

开关噪声产生于开关元件，如晶体管或场效应晶体管，在开关操作过程中产生的瞬态电流和电压扰动。开关噪声的特性取决于开关元件的类型、开关速度、负载特性和系统布局。

#开关噪声的来源

开关噪声的主要来源有：

-开关瞬变电流和电压：当开关元件导通或关断时，会产生瞬态电流和电压，这会导致电磁场扰动。

-电流峰值：开关导通时，电流会迅速上升至峰值，产生高频电磁脉冲。

-开关反弹：开关关断时，电流可能会反向流动，产生反弹，导致高频噪声。

-寄生元件：开关元件周围的寄生电感和电容会与开关瞬变相互作用，产生谐振和其他频率分量。

-负载阻抗：负载阻抗影响开关元件的开关过程，从而影响噪声特性。

#频谱分布

开关噪声的频谱分布取决于开关速度、开关元件特性和系统布局。一般来说，开关噪声的频率范围从几千赫兹到几十兆赫兹，甚至更高。

频谱形状：开关噪声的频谱通常具有以下形状：

-低频分量：开关频率附近有低频分量，主要由开关瞬变电流和电压引起。

-谐波分量：开关频率的整数倍附近有谐波分量，主要由寄生元件的谐振引起。

-宽带分量：频率范围较宽的宽带分量，主要由开关反弹和高频寄生效应引起。

影响频谱分布的因素：

-开关速度：开关速度越快，频谱分布越宽，谐波分量也更明显。

-开关元件：不同类型的开关元件具有不同的开关特性，影响噪声的频谱分布。

-寄生元件：寄生电感和电容的值影响谐振频率和噪声的频谱形状。

-负载阻抗：不同的负载阻抗会导致开关过程不同，从而影响噪声的频谱分布。

了解开关噪声的来源及频谱分布对于抑制和控制电磁干扰至关重要。通过采取适当的措施，如选择低噪声开关元件、优化开关电路设计和采用滤波技术，可以有效降低开关噪声的影响，提高系统的电磁兼容性。第二部分传导发射与辐射发射评估方法传导发射与辐射发射评估方法

传导发射评估

传导发射评估旨在测量器件或系统通过电源线或信号线（如数据线、音频线）传导的电磁干扰。评估方法包括：

*线路阻抗稳定网络（LISN）：将LISN插入设备的电源线或信号线中，测量通过LISN的传导发射。LISN具有高阻抗，可模拟电网或其他外部负载。

*对称电磁干扰探头（SEMI）：SEMI是一个宽带探头，用于测量电源线或信号线上的瞬态或连续干扰。它通过差分连接到被测器件，可以隔离共模干扰。

辐射发射评估

辐射发射评估旨在测量器件或系统通过空间辐射的电磁干扰。评估方法包括：

*辐射骚扰场强度（RE）计：RE计用于测量器件或系统在特定频率范围内辐射的场强度。它通常采用宽带或窄带天线来捕捉辐射发射。

*半电波暗室：半电波暗室是一种电磁屏蔽室，用于接收和测量器件或系统的辐射发射。它可以模拟实际使用环境，消除外部干扰。

*近场探测：近场探测使用近场探头测量器件或系统辐射近场区域内的场强度。近场探头可以识别发射源的位置和幅度。

评估步骤

传导和辐射发射评估通常遵循以下步骤：

1.测试设备准备：

*确保被测器件处于预期操作模式。

*连接必要的设备（例如LISN、SEMI、RE计）。

2.场地校准：

*为半电波暗室或开放场址进行电磁场校准。

*使用已知发射源或校准器来验证测量系统的准确性。

3.数据采集：

*在指定的频率范围内进行测量。

*记录传导发射或辐射场的幅度和频率。

4.数据分析：

*将测量结果与适用标准进行比较，例如国际电信联盟（ITU）或联邦通信委员会（FCC）的限制。

*确定器件或系统是否符合电磁兼容性要求。

注意事项

*测试环境对测量结果影响很大，需要进行仔细控制。

*使用适当的屏蔽和接地技术以最小化外部干扰。

*熟练的技术人员应执行评估，以确保准确性和可重复性。

*器件或系统的实际使用条件，例如负载、电缆长度和环境，会影响发射特性。第三部分时域与频域测量技术对比时域与频域测量技术对比

时域测量技术

优点：

*能够直接捕获噪声脉冲的形状和幅度。

*可用于识别噪声源的类型和位置。

*适合于测量瞬态噪声和高频噪声。

缺点：

*测量时间较长，尤其对于低频噪声。

*受限于示波器的带宽和采样率。

*难以量化噪声的频谱特征。

频域测量技术

优点：

*提供噪声的频谱分布信息。

*可用于量化噪声的幅度和功率密度。

*能够识别噪声的谐波成分。

缺点：

*无法直接捕获噪声脉冲的形状和幅度。

*受限于频谱分析仪的分辨率带宽和动态范围。

*对于瞬态噪声和高频噪声的测量效果较差。

详细对比

|特征|时域测量技术|频域测量技术|

||||

|测量对象|噪声脉冲的形状和幅度|噪声的频谱分布|

|适用范围|瞬态噪声、高频噪声|谐波噪声、低频噪声|

|优点|直接捕获噪声脉冲|量化噪声频谱|

|缺点|受限于示波器带宽和采样率|受限于频谱分析仪分辨率带宽和动态范围|

|测量效率|低|高|

|定量化程度|低|高|

应用建议

*对于瞬态噪声或高频噪声的评估，建议采用时域测量技术。

*对于谐波噪声或低频噪声的评估，建议采用频域测量技术。

*在实际应用中，经常需要结合时域和频域测量技术，以获得全面的噪声评估结果。

实例

以下是一些开关噪声测量技术的实际应用示例：

*时域测量：使用示波器测量开关噪声脉冲的幅度和形状，以识别噪声源和评估其影响。

*频域测量：使用频谱分析仪测量开关噪声的频谱分布，以量化噪声的功率密度和识别谐波成分。

*时域和频域联合测量：同时使用示波器和频谱分析仪，以捕获噪声脉冲并分析其频谱特征，提供全面而深入的噪声评估。第四部分不同标准下的EMC限值关键词关键要点【CISPR15：家用电器、电动工具和类似电机驱动装置的电磁兼容性】

1.辐射骚扰限值：20dB(µV)/m@120kHz-300MHz；40dB(µV)/m@300MHz-1GHz

2.传导骚扰限值：66dB(µV)@150kHz-30MHz

3.在不同频段内设置了特定的峰值限制，以防止峰值过度辐射

【CISPR22：信息技术设备的电磁骚扰特征】

不同标准下的EMC限值

国际电磁兼容（EMC）标准规定了电子设备允许发出的电磁辐射的最大限值，以防止对其他设备的干扰。主要标准包括：

CISPR11

国际无线电干扰特别委员会（CISPR）制定的CISPR11标准适用于工业、科学和医疗（ISM）设备，频率范围为9kHz至400GHz。该标准规定了传导和辐射发射的限值，具体取决于设备的类别和额定功率。

EN55011

欧洲标准EN55011与CISPR11类似，也适用于ISM设备。然而，EN55011对传导发射的限值更严格，涵盖更广泛的频率范围（9kHz至1GHz）。

FCCPart15

美国联邦通信委员会（FCC）颁布的FCCPart15适用于数字设备，频率范围为9kHz至1GHz。该标准规定了传导和辐射发射的限值，具体取决于设备的类型和操作频率。

MIL-STD-461

美国军用标准MIL-STD-461针对军用电子设备制定，涵盖电磁干扰、电磁脉冲和射频辐射。该标准规定了广泛的传导和辐射发射限值，以确保军用设备在电磁恶劣环境中正常运行。

IEC61000-6-3

国际电工委员会（IEC）发布的IEC61000-6-3标准适用于住宅、商业和轻工业环境中的电磁兼容性。该标准规定了辐射发射的限值，频率范围为150kHz至1GHz。

表：不同标准下的EMC限值比较

|标准|传导发射限值|辐射发射限值|频率范围|

|||||

|CISPR11|B类：2.5µV(150kHz-30MHz)<br>A类：6.0µV(150kHz-30MHz)|B类：30µV/m(30MHz-1GHz)<br>A类：100µV/m(30MHz-1GHz)|9kHz-400GHz|

|EN55011|B类：2.5µV(150kHz-30MHz)<br>A类：6.0µV(150kHz-30MHz)|B类：24µV/m(30MHz-1GHz)<br>A类：74µV/m(30MHz-1GHz)|9kHz-1GHz|

|FCCPart15|B类：5µV(150kHz-30MHz)<br>C类：20µV(150kHz-30MHz)|B类：30µV/m(30MHz-1GHz)<br>C类：100µV/m(30MHz-1GHz)|9kHz-1GHz|

|MIL-STD-461|CS101：1000µV(10kHz-100MHz)<br>RE102：100µV/m(100kHz-10GHz)|RE102：100µV/m(100kHz-10GHz)|10kHz-18GHz|

|IEC61000-6-3|B类：2.5µV(150kHz-30MHz)<br>A类：6.0µV(150kHz-30MHz)|B类：30µV/m(150kHz-1GHz)<br>A类：100µV/m(150kHz-1GHz)|150kHz-1GHz|

注意：

*上述限值仅为一般参考，实际限值可能因具体设备和使用环境而异。

*EMC标准的最新版本应始终参考以获取准确的信息。

*遵守EMC限值对于确保设备电磁兼容性至关重要，并防止干扰其他电子设备。第五部分噪声耦合路径分析噪声耦合路径分析

在电磁兼容性（EMC）评估中，分析开关噪声的耦合路径对于识别和减轻电磁干扰（EMI）至关重要。噪声耦合路径是指噪声从噪声源传播到受害设备或系统的途径，可以通过以下几种方式：

传导耦合

*共阻抗耦合：噪声通过电路中的公共阻抗网络（例如接地回路、电源线）从噪声源耦合到受害设备。

*电容耦合：噪声通过电容性元件（例如电缆之间的寄生电容）从噪声源耦合到受害设备。

*电感耦合：噪声通过电感性元件（例如印刷电路板（PCB）走线和磁芯）从噪声源耦合到受害设备。

辐射耦合

*电场辐射：噪声信号产生电场，该电场在空间中传播并与受害设备的接收天线（例如导线或天线）耦合。

*磁场辐射：噪声信号产生磁场，该磁场在空间中传播并与受害设备的导体或磁芯感生出噪声电压。

分析噪声耦合路径的方法

噪声耦合路径分析可以使用以下方法进行：

*传导阻抗测量：测量噪声源和受害设备之间的阻抗，以识别共阻抗耦合路径。

*电容测量：测量寄生电容值，以评估电容耦合路径对噪声传播的影响。

*电感测量：测量走线和磁芯的电感，以评估电感耦合路径对噪声传播的影响。

*近场扫描：使用近场探头扫描噪声源周围区域，以检测辐射耦合路径。

*远场测量：使用天线在受害设备附近测量电场和磁场强度，以评估辐射耦合路径的影响。

噪声耦合路径的评估

分析耦合路径后，可以评估其对EMI的影响：

*共阻抗耦合：通过降低公共阻抗（例如通过隔离或选择适当的接地方式）来减轻。

*电容耦合：通过增加寄生电容之间的距离或使用屏蔽材料来减轻。

*电感耦合：通过减少走线长度、增加走线间距或使用屏蔽技术来减轻。

*电场辐射：通过使用屏蔽材料、增加距离或重新定位天线来减轻。

*磁场辐射：通过使用铁芯、屏蔽材料或重新定位磁芯来减轻。

综合考虑噪声耦合路径的分析、评估和缓解措施，可以有效降低开关噪声引起的EMI，提高系统的电磁兼容性。第六部分噪声抑制与设计优化措施关键词关键要点【噪声源识别和建模】

1.利用电磁场模拟工具，如有限元方法（FEM）和边界元方法（BEM），精确地模拟开关噪声的传播路径和电磁辐射特征。

2.采用频谱分析技术和近场/远场测量，测量开关噪声的幅度、频谱和方向性，以获取其精确的电磁特征。

3.运用统计方法和时频分析，分析开关噪声的随机性、间歇性和非平稳特性，建立可靠的噪声模型。

【滤波和屏蔽技术】

噪声抑制与设计优化措施

噪声抑制方法

1.电源去耦

*使用贴片电容将电源线与地线之间进行去耦，以抑制电源线上的高频噪声。

*使用电解电容和陶瓷电容相结合，形成多层去耦网络，覆盖更宽的频率范围。

2.布线优化

*电源线和地线应宽而短，以减少电感和电阻。

*使用多层板，并为电源层和地层分配专用层，以改善平面分布并减少阻抗。

*采用星形接地，以将地线集中到一个点上，从而减小地线阻抗。

3.隔离和屏蔽

*使用隔离器或变压器将噪声源与敏感电路隔离。

*使用金属屏蔽罩将噪声源包围起来，以防止噪声辐射。

*使用接地板将屏蔽罩接地，以提供低阻抗路径，并将噪声电流泄漏到地线。

4.滤波器

*使用低通滤波器去除高频噪声分量。

*使用带状滤波器去除特定频率范围的噪声。

5.噪声整形

*改变噪声频谱，使其分布在不太敏感的频率范围内。

*使用扩频技术，将噪声分布在更宽的带宽内，降低功率谱密度。

设计优化措施

1.组件选择

*使用低ESR电容，以减少去耦网络的阻抗。

*选择具有低电感封装的开关，以减小寄生电感。

*使用高频电容，以获得高频范围内的有效去耦。

2.布局设计

*将噪声源、敏感电路和去耦元件靠近放置，以减少噪声耦合路径。

*避免将噪声源放置在敏感区域的附近。

*遵循良好的布线实践，以最小化寄生参数。

3.元件参数优化

*根据噪声频率范围，选择合适的去耦电容值。

*优化开关的栅极驱动电路，以减少开关损耗和EMI。

*调整滤波器参数，以获得所需的频率响应。

4.仿真和验证

*使用仿真工具预测噪声水平和电磁兼容性性能。

*进行实际测量，以验证设计是否符合电磁兼容性要求。

5.测试和认证

*针对电磁兼容性标准进行测试，以确保设计符合法规要求。

*获得必要的认证，以表明符合性。

通过实施这些噪声抑制和设计优化措施，可以显着降低开关噪声，提高电磁兼容性，并确保电子设备的可靠性和性能。第七部分滤波器应用与参数选择关键词关键要点主题名称：滤波器类型

1.无源滤波器：由电阻器、电容器和电感器等被动元件组成，具有低成本、无功耗的优点。

2.有源滤波器：使用放大器或运放等有源元件，具有更灵活的滤波特性和更高的滤波精度。

3.数字滤波器：使用数字信号处理技术，具有极高的滤波精度和可编程性。

主题名称：滤波器特性

滤波器应用与参数选择

滤波器是电磁兼容性（EMC）设计中抑制开关噪声的关键元件。通过选择合适的滤波器参数，可以有效减少开关瞬变引起的电磁干扰（EMI）。

滤波器类型

常用的滤波器类型有：

*电感滤波器：利用电感的阻抗特性，在高频范围阻挡信号。

*电容滤波器：利用电容的容抗特性，在低频范围阻挡信号。

*电感-电容（LC）滤波器：将电感和电容串联或并联，实现对特定频率范围的滤波。

滤波器参数

选择滤波器时，需要考虑以下参数：

*截止频率（fc）：滤波器开始衰减信号的频率。

*衰减特性：滤波器对超过截止频率的信号衰减的速率，通常以分贝/倍频程表示。

*插入损耗：滤波器引入的信号衰减，在设计时需要考虑对信号的最小影响。

*额定电压和电流：滤波器承受的最高电压和电流值。

滤波器应用

滤波器的应用因开关噪声的类型和系统特性而异。常见应用包括：

*共模滤波器：抑制开关噪声产生的共模电流，防止其通过接地平面或电源线辐射。

*差模滤波器：抑制开关噪声产生的差模电压，防止其通过连接线或负载辐射。

*谐波滤波器：抑制开关噪声中高次谐波分量，避免对其他设备造成干扰。

参数选择

滤波器参数的选择取决于具体应用要求。一般来说：

*截止频率fc：应高于开关频率，并低于受保护设备的可接受敏感频率。

*衰减特性：根据EMC标准或系统敏感度要求，选择合适的衰减速率。

*插入损耗：应最小化，以避免对信号传输造成过大影响。

*额定电压和电流：应大于系统中实际存在的电压和电流值，以保证滤波器安全可靠。

设计考量

滤波器设计是一个复杂的工程过程，需要考虑以下因素：

*滤波器拓扑：根据应用要求选择合适的滤波器类型和拓扑。

*元件选择：选择具有合适额定值、低损耗和高可靠性的电感和电容。

*布局：优化滤波器的布局，以最小化寄生效应和EMI。

*模拟和测试：利用仿真工具和实际测量，验证滤波器设计并优化性能。

总结

滤波器是抑制开关噪声和提高EMC性能的关键元件。通过选择合适的滤波器参数和应用，可以有效减少电磁干扰，确保电子设备的稳定性和可靠性。滤波器设计是一项专业性强的工作，需要结合理论知识和工程实践经验，以满足特定系统要求。第八部分接地、屏蔽和隔离对噪声的影响接地、屏蔽和隔离对开关噪声的影响

开关噪声是开关电源（SMPS）中的一个常见问题，它是由半导体开关的快速开关动作引起的。这种噪声可能导致电磁干扰(EMI)，从而影响电子设备的性能。为了减轻开关噪声的影响，通常采用各种接地、屏蔽和隔离技术。

接地

接地是指将电路的某个点连接到一个具有低阻抗的参考点，通常是大地。接地有助于提供低阻抗路径，使噪声电流通过，从而减少辐射。在SMPS中，以下组件应正确接地：

*电源输入和输出

*大容量电解电容

*开关器件的散热器

*控制电路

屏蔽

屏蔽是指使用导电材料包围噪声源，以防止噪声辐射。在SMPS中，以下组件通常采用屏蔽：

*SMPS外壳

*变压器

*电感线圈

*连接器

屏蔽的有效性取决于屏蔽材料的导电性、屏蔽层之间的接缝以及屏蔽层的开口。

隔离

隔离是指通过使用物理屏障或电气绝缘体将噪声源与其他电路或系统隔离开来。在SMPS中，以下技术可用于隔离：

*变压器隔离：变压器提供电气隔离，防止噪声电流通过。

*光电隔离器：光电隔离器使用光信号在电路之间传输信息，从而提供电气隔离。

*数字隔离器：数字隔离器使用数字信号在电路之间传输信息，并提供电气隔离。

接地、屏蔽和隔离的综合作用

接地、屏蔽和隔离在减轻开关噪声方面发挥着至关重要的作用。通过组合使用这些技术，可以显著降低噪声辐射。其工作原理如下：

*接地提供低阻抗路径，使噪声电流通过。

*屏蔽防止噪声辐射到外部环境。

*隔离将噪声源与其他电路或系统隔离开来。

通过优化接地、屏蔽和隔离技术的组合，可以设计出符合EMI要求且性能可靠的SMPS。

数据和示例

*正确接地SMPS可使噪声辐射降低高达20dB。

*使用屏蔽材料，如铜箔或镀锌钢板，可将噪声辐射降低高达50dB。

*电气隔离可将噪声电流降低几个数量级。

结论

接地、屏蔽和隔离是减轻开关噪声影响的三种基本技术。通过组合使用这些技术，可以设计出符合EMI要求且性能可靠的SMPS。关键词关键要点1.开关器件的开关特性

关键要点：

*开关器件在开关过程中，因电流或电压的快速变化，会产生尖锐的脉冲电流或电压。

*脉冲的宽度取决于开关器件的开关时间，其幅值与开关电流或电压有关。

*开关频率和开关器件的导通电阻会影响开关噪声的幅度和频带。

2.电路结构和布线

关键要点：

*电路的拓扑结构、元器件布局和布线方式影响着开关噪声的传播路径和幅度。

*电源线、地线和信号线的阻抗不匹配会导致反射，从而增强开关噪声。

*环路电感和寄生电容会产生谐振，放大特定频率的开关噪声。

3.外部因素

关键要点：

*外部环境中的电磁干扰，如EMI噪声和静电放电，可以耦合到开关电路，激发开关噪声。

*电源电压波动、负载变化和温度变化也会影响开关噪声的幅度和频谱分布。

*连接器和电缆等元器件的阻抗和寄生参数会影响开关噪声的传递特性。

4.频谱分布

关键要点：

*开关噪声的频谱分布受开关频率、电路特性和外部因素