边缘计算服务器电源 EMI 滤波单元 EMC 辐射测试摸底 依据 GB 9254 标准定位算力波动干扰源

干扰源定位方法论

1. 高频噪声源频谱特征分析

• 使用频谱分析仪（如 R&S FSW67）配合双脊喇叭天线（如 Schwarzbeck UHALP9107），在屏蔽室内按 GB/T 9254.1-2021 的 3m 法测试流程，对电源模块进行全频段扫描。重点关注：

• 开关电源的 PWM 频率谐波（如 200kHz 开关频率的 5 次谐波 1MHz、15 次谐波 3MHz）

• 同步整流 MOSFET 的 di/dt/dv/dt 尖峰（典型上升沿时间 < 50ns 时易产生 100MHz 以上谐波）

• 高频变压器的绕组间寄生电容耦合（可通过插入屏蔽层将寄生电容从 1000pF 降至 100pF 以下）

• 采用近场探头（如 Fibocom HF-200）对 PCB 表面进行网格化扫描，定位辐射热点。重点区域：

• 电源输入输出接口（差分信号若未做阻抗匹配易形成天线效应）

• 散热风扇 PWM 控制线（100kHz 调制信号的 9 次谐波达 900MHz）

• 晶振及其时钟走线（16MHz 晶振的 3 次谐波 48MHz 可能超标）

1. 算力波动相关性验证

• 通过 LabVIEW 编写脚本，控制服务器负载从 0% 到  阶梯变化，同步记录频谱仪数据。若在负载突变时特定频点（如 150MHz、450MHz）辐射值跃升 > 10dBμV/m，则可锁定该频段与算力波动的关联性。

• 采用示波器（如 Keysight DSOX1204G）抓取电源模块的 Vds 和 Ids 波形，计算开关损耗（Eon+Eoff）。当损耗 > 100μJ / 周期时，高频辐射风险显著增加。

硬件设计整改策略

1. EMI 滤波单元优化

• 输入侧采用三级滤波结构：

• 差模电感（如 Coilcraft SRF4060-472M）+ X 电容（0.47μF/275VAC）抑制 150kHz-30MHz 干扰

• 共模电感（TDK B82773F222M，高频阻抗≥800Ω@100MHz）+ Y 电容（2200pF/400VAC）抑制共模噪声

• 磁珠（Murata BLM21PG102SN1）并联陶瓷电容（100pF/100V）滤除 100MHz 以上高频毛刺

• 输出侧增加 π 型滤波网络：差模电感（10μH/10A）+ 高频 MLCC（10μF/100V），将输出纹波从 200mVpp 降至 50mVpp 以下

1. PCB 布局与接地设计

• 高频功率回路（开关管 - 变压器 - 整流管）采用多层低感复合母排技术，将回路电感从 50nH 降至 10nH 级

• 电源地平面与信号地平面单点连接，采用 4 个直径 0.6mm 的接地过孔（间距≤2mm）降低地阻抗

• 晶振周围设置宽度≥0.5mm 的接地屏蔽环，匹配电容紧贴晶振放置并通过短路径接地

1. 屏蔽与线缆处理

• 电源模块采用厚度≥0.8mm 的铝制屏蔽罩，接缝处使用导电泡棉（压缩量≥30%）密封，屏蔽效能需≥40dB@1GHz

• HDMI 等高速接口线缆采用双层屏蔽结构（铝箔 + 编织网），屏蔽层 360° 端接至金属外壳，连接器处增加铁氧体磁环（如 Fair-Rite 2643004751）抑制 100MHz-1GHz 辐射

• 散热风扇电源线套入铁硅铝磁环（磁导率 60，内径 8mm），PWM 控制线采用差分走线并远离功率电路

测试环境与验证方法

1. 屏蔽室性能验证

• 测试前需按 GB/T 12190-2021 标准进行屏蔽效能测试，确保在 30MHz-1GHz 频段背景噪声≤34dBμV/m（B 级设备限值 - 20dB）

• 使用场强仪（如 Narda 8552）检测屏蔽室内部场均匀性，在测试区域内 16 个点的场强波动需≤±3dB

1. 整改效果量化评估

• 采用峰值检波器和准峰值检波器同步测量，重点关注 GB 9254 中 30-230MHz 频段 54dBμV/m 和 230-1GHz 频段 47dBμV/m 的限值

• 对比整改前后的辐射频谱，要求关键频点（如开关频率谐波、晶振谐波）的辐射值降低≥10dBμV/m，且全频段无超限点

• 进行负载循环测试（0%- 负载切换 1000 次），验证辐射值波动≤5dBμV/m，确保稳定性

典型案例分析

某边缘计算服务器电源在整改前，150MHz 频点辐射值达 58dBμV/m（超标 4dB）。通过以下措施整改：

1. 更换共模电感（原电感高频阻抗 300Ω→800Ω）

2. 在开关管漏极并联 RC 吸收电路（R=22Ω, C=100pF）

3. 对高频变压器进行铜箔屏蔽处理

4. 输出线缆增加铁氧体磁环