【應(yīng)用案例】ZMC900E 國(guó)產(chǎn)EtherCAT主站控制器 — 電源口傳導(dǎo)騷擾整改

為確保EtherCAT主站控制器在工業(yè)自動(dòng)化中的可靠和穩(wěn)定應(yīng)用，EMC測(cè)試至關(guān)重要。本文以ZMC900E電源傳導(dǎo)騷擾整改為例，深入解析EMC原理，助您精準(zhǔn)定位問(wèn)題，避免無(wú)效整改。

圖1 ZMC900E高性能EtherCAT主站控制器

ZMC900E 是ZLG致遠(yuǎn)電子開(kāi)發(fā)的最新一代EtherCAT主站控制器，其核心采用多核異構(gòu)的應(yīng)用處理器，內(nèi)核包括4+1個(gè)64位的Arm?Cortex?-A55核，主頻2GHz；3個(gè)Cortex-R5F內(nèi)核，主頻800MHz。同時(shí)板載4GB LPDDR4、8GB eMMC以及32KB FRAM。

ZMC900E?EtherCAT主站控制器為了滿足不同的自動(dòng)化應(yīng)用需求，集成1路專用EtherCAT口、3路通用以太網(wǎng)、1路CANFD、1路RS485、1路TF卡、1路USB3.0 Host、1路HDMI接口、16路Dl數(shù)字輸入、16路DO數(shù)字輸出等接口，靈活滿足自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用需求。

圖2?ZMC900E接口

為了能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定地使用，ZMC900E EtherCAT主站控制器經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格EMC的性能測(cè)試。測(cè)試的EMC項(xiàng)目及等級(jí)如圖3所示?？刂破鱾鲗?dǎo)騷擾測(cè)試參考 GB/T 6113.201-2018 CLASS A的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 ZMC900E電磁兼容(EMC)特性參數(shù)

??電源口傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)原理

在傳導(dǎo)騷擾測(cè)試中，LISN（線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）是電源端口測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，在接入待測(cè)設(shè)備后，其等效阻抗接近于50Ω，由此可以知道，電源端傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的就是測(cè)試50Ω阻抗兩端的電壓。當(dāng)阻抗不變時(shí)，也可理解為流經(jīng)50Ω阻抗兩端的電流。只要有電流流過(guò)50Ω阻抗，接收機(jī)便可顯示出測(cè)試值。傳導(dǎo)騷擾整改主要的分析方向則是如何減少流過(guò)LISN和接收機(jī)并聯(lián)成的50Ω阻抗的電流。電源端口的傳導(dǎo)騷擾的電流產(chǎn)生于IDM和ICM。其傳導(dǎo)騷擾電流環(huán)路示意圖如圖4所示。

圖4 電源端口傳導(dǎo)騷擾電流環(huán)路

? 電源口傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)

下面就和大家分享一下ZMC900E EtherCAT主站控制器傳導(dǎo)騷擾的整改過(guò)程。圖5為24V電源輸入的保護(hù)電路，RV1為壓敏電阻，電容C1、C2容量選1nF，電容C3、C4容量選4.7UF，電感L1選用3.3UH，共模電感FT2選用感值470UH，電容C5容量選用220UF，耐壓值50V。

圖5 電源輸入電路

圖6為未整改前的電源口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果，存在1個(gè)頻率點(diǎn)（287.594KHz）超標(biāo)，此頻率點(diǎn)一般是由于開(kāi)關(guān)電源的MOS管導(dǎo)通產(chǎn)生的諧波分量導(dǎo)致的傳導(dǎo)性干擾，且還有眾多的頻率點(diǎn)裕量不足。

圖6 傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果

??電源口傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)整改措施

電源口傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)整改可通過(guò)加大輸入共模電感進(jìn)行改善（圖4中的FL2），將共模電感FL2的感值由470UH調(diào)整為1mH后，重新進(jìn)行電源口的傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)，其中黃色曲線為峰值曲線，藍(lán)色為實(shí)時(shí)掃描曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，加大輸入共模電感，可以有效地降低電源口的騷擾噪聲，且裕量較充足。

圖7?1mH共模電感傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果

再將共模電感FT2的感值由1mH調(diào)整為3.3mH后，重新進(jìn)行電源口的傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)，保留峰值曲線（藍(lán)色），試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 3.3mH共模電感傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果

? 電源口傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)整改總結(jié)

對(duì)比圖7與圖8可知，加大共模電感，可有效地降低電源口的騷擾噪聲。所以在新方案設(shè)計(jì)時(shí)，在空間允許的情況下，盡量選擇感值較大的共模電感。在確定輸入電流時(shí)，感值越大時(shí)，共模電感的體積也會(huì)越大，成本也會(huì)增加，需綜合考慮。

由于不同廠家的電源模塊，電源口的傳導(dǎo)騷擾噪聲也各不相同，所以電源口傳導(dǎo)騷擾除了加大共模電感的感值外，也可通過(guò)更換電源方案來(lái)降低傳導(dǎo)騷擾噪聲。