如何解决EMC问题？嗡嗡作响的扬声器之谜

想必大家都用过扬声器，也就是喇叭。

扬声器可以把电信号转变为声信号，扬声器的性能优劣对音质的影响很大。

我们在使用扬声器的时候，或多或少都遇到过扬声器发出嗡嗡的干扰声的情况，这会影响音乐的效果，你有没有想过为什么会出现这种情况？

假设你刚刚为自己购买了一个新的扬声器和一串RGB LED灯条，并使用其提供的电源适配器为它们供电。

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打开扬声器和LED灯条，我们发现LED灯条可以随意调节亮度和闪烁模式，扬声器没有发出嗡嗡的声音，在这里LED灯条没有对扬声器的声音产生负面影响。

在这种情况下，我们很幸运，因为购买的扬声器和LED灯条的电源适配器是符合现代的EMC标准的。

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但是在这里要示范一个不幸的例子，我们从旧电源适配器中选取了两个额定输出电流为5安培的电源适配器，并将它们连接到LED灯条和扬声器。

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在把将LED的亮度调暗到50％之后，我们就听到扬声器经常发出的嗡嗡的高频干扰噪声，这是一个明显的EMC问题，也称为电磁兼容性。

电磁兼容性是指设备在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的其他设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

在这里，我们将诊断此处遇到的的EMC问题，并为它找到技术解决方案。首先，我们必须找出开关电源产生干扰的原因。

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为此，我们应该仔细研究一下开关电源的简化功能原理（如下图所示）。

在开始时，电源电压会被整流并平滑，之后通过晶体管切割，再通过变压器降压，最后再次整流和平滑，最终产生一个恒定的直流低电压。

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我们可以注意到，为了降低直流输入电压，控制电子设备使用的频率远远高于市电电压频率。

因此，产生的谐波频率可能是我们听到的干扰噪声的原因。

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其斩波电压会产生一个斩波输入电流，且上升时间很快，我们不能把它作为干扰重新定位在我们的电源电压上，但会通过PCB上的导体以电磁场的形式发射出去，这些导体回路基本上充当了天线。

因此，我们可以定义为干扰源可以通过电磁脉冲将其干扰传输到受害设备，例如扬声器。

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在家里精确测量此类干扰几乎是不可能的，我们需要专业的EMC实验室来进行检测。

但是，我们知道大多数情况下，传导干扰是电磁干扰的罪魁祸首，所以我们可以先找到一个这样的EMC滤波器来试着解决这个问题。

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先不考虑这个滤波器的组件值。我们将这个滤波器串联到干扰源上，试一下是否还有噪声。

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幸运的是，在我们连接了滤波器之后，电磁干扰的问题很容易被解决了，因为扬声器的干扰噪声已经完全消除。

但是这样做并不精确，因此我们需要去专业的EMC实验室，使用专业的EMC设备来做进一步的检测和研究。

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在实验室里，我们安装了LED灯条套件，并连接了产生干扰的电源适配器到LISN和频谱分析仪上。

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LISN代表线路阻抗稳定网络，它是我们电网阻抗的一个模型，我们可以通过它测量电压降。

这个电压降包含了我们电源电流的干扰，然后我们可以用频谱分析仪检查频率分布。

在将LED的亮度增加到最大之后，我们开始了测试。

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结果得到了这张图表，它展示了传导EMC干扰的临界值以及电源产生的干扰。

电源适配器使用了40 kHz的斩波频率，也会产生干扰到兆赫兹区域。但是令人惊讶的是，所有的测量值都在临界值之下。

为了改变这一点，我连接了一个可调功率电阻器，以使电源接近其5安培的最大限制。随着这些变化，电源超过了临界值，因此现在是时候找到一个干扰抑制解决方案了。

我们以两种不同的方式在L和N线周围放置了电流钳。这么做是原因是存在两种噪声，一种是共模噪声，另一种是差模噪声。

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差模噪声沿一个方向流过L导体，再沿相反方向流过N导体，产生此类噪声的原因是我们的主电源的斩波频率。

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但它也会产生共模噪声。

共模噪声仅沿一个方向流过L和N导体，而不会通过它们返回，相反，它们通过寄生电容耦合到地，并可以这种方式返回。

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因此，如果我们将L和N导体放置在电流钳内,然后差模噪声的磁场相互抵消，因为它们彼此相对，我们只测量共模噪声，因为它们沿相同方向流动。

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但是如果我们转动夹具内部的一根导体，然后共模噪声彼此抵消，我们只测量差模噪声。

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通过这种方法，我们发现共模噪声是造成这种情况的主要原因。

为了压制它们，我们将使EMC滤波器设计套件来构建一个自己的滤波器。

我们把共模扼流圈等组件串联到L和N导体上，并在输入端加上一个X电容，它们就建立了一个低通滤波器来处理差模噪声；在输出端加上一个Y电容，它们就建立了一个低通滤波器来处理共模噪声。

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值得注意的是，共模扼流圈是以差模方式缠绕的，干扰理论上彼此抵消从而无法减少。

但由于不存在完美的扼流圈，两个导体路径的不对称性产生了大约1%到3%的漏电感，可用来降低差模噪声。

现在为了抑制共模噪声，我们主要要看一下扼流圈的插入损耗曲线。

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所以我选择了一个电感值高的电感器，它提供了从10千赫兹到3兆赫兹的不错的阻尼。

对于Y电容器，我使用了2.2纳法拉的标准值来消除对地球的干扰。

然后我选了一个0.15微法拉X电容器用于差分模式噪声，结合估算的漏感，将产生约20 kHz的截止频率。

最后我额外使用了1兆欧姆电阻，一旦市电断开，X电容器就会放电。现在希望这些这些组件的选择能使我们将摆脱电磁干扰。

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因此，我将它们焊接到PCB上，然后将完成的滤波器串联到电源上。

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经过测试，滤波器确实使所有干扰测量值都远远低于临界值，并且扬声器不再发出嗡嗡的干扰声音。

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这基本上意味着我们的过滤器设计是成功的。通过此次测试，我们可以知道预制滤波器是解决此类EMC问题的有效解决方案。

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