中心議題:
- 探討電磁兼容EMC設(shè)計(jì)
- 分析電磁兼容EMC測試技巧
解決方案:
- 設(shè)計(jì)從元器件選型,、印制板設(shè)計(jì)等的角度考慮
- 測試采用靜電抗擾度檢測等的方法
當(dāng)前,日益惡化的電磁環(huán)境,,使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境,,日益關(guān)注電磁環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響,從設(shè)計(jì)開始,,融入電磁兼容設(shè)計(jì),,使電子設(shè)備更可靠的工作。
電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含浪涌(沖擊)抗擾度,、振鈴波浪涌抗擾度,、電快速瞬變脈沖群抗擾度,、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度,、工頻電源諧波抗擾度,、靜電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度,、工頻磁場抗擾度,、脈沖磁場抗擾度、傳導(dǎo)騷擾,、輻射騷擾,、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計(jì)。
電磁干擾的主要形式
電磁干擾主要是通過傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入系統(tǒng),,影響系統(tǒng)工作,,其他的方式還有共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。
傳導(dǎo):傳導(dǎo)耦合即通過導(dǎo)電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較低的部分(低于30MHz),。在我們的產(chǎn)品中傳導(dǎo)耦合的途徑通常包括電源線,、信號(hào)線、互連線,、接地導(dǎo)體等,。
輻射:通過空間將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較高的部分(高于30MHz),。輻射的途徑通過空間傳遞,,在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。
共阻抗耦合:當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流流過公共阻抗時(shí)出現(xiàn)的相互干擾,。在電源線和接地導(dǎo)體上傳導(dǎo)的騷擾電流,,多以這種方式引入到敏感電路。
感應(yīng)耦合:通過互感原理,,將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘?hào),,感應(yīng)到另一條回路對(duì)其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種,。
對(duì)這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對(duì)策:傳導(dǎo)采取濾波(如我們?cè)O(shè)計(jì)中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用),,輻射干擾采用減少天線效應(yīng)(如信號(hào)貼近地線走)、屏蔽和接地等措施,,就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力,,也可以有效的降低對(duì)外界的電磁干擾。
電磁兼容設(shè)計(jì)
對(duì)于一個(gè)新項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)過程,,電磁兼容設(shè)計(jì)需要貫穿整個(gè)過程,,在設(shè)計(jì)中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計(jì),才不致于返工,,避免重復(fù)研發(fā),,可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間,,提高企業(yè)的效益。
一個(gè)項(xiàng)目從研發(fā)到投向市場需要經(jīng)過需求分析,、項(xiàng)目立項(xiàng),、項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì),、樣品試制,、功能測試、電磁兼容測試,、項(xiàng)目投產(chǎn),、投向市場等幾個(gè)階段。
在需求分析階段,,要進(jìn)行產(chǎn)品市場分析,、現(xiàn)場調(diào)研,挖掘?qū)?xiàng)目有用信息,,整合項(xiàng)目發(fā)展前景,,詳細(xì)整理項(xiàng)目產(chǎn)品工作環(huán)境,實(shí)地考察安裝位置,,是否對(duì)安裝有所限制空間,,工作環(huán)境是否特殊,是否有腐蝕,、潮濕,、高溫等,周圍設(shè)備的工作情況,,是否有惡劣的電磁環(huán)境,,是否受限與其他設(shè)備,產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效率,,或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來很大的方便,,操作使用方式能否容易被人們所接受,這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品要滿足現(xiàn)場功能需要,、易于操作等,,最后要整理詳細(xì)的需求分析報(bào)告,以供需求評(píng)審,。
經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人的評(píng)審之后,,完善需求分析報(bào)告,,然后是項(xiàng)目立項(xiàng),,項(xiàng)目立項(xiàng)需要組建項(xiàng)目組,把軟件,、硬件,、結(jié)構(gòu),、測試等人員安排到項(xiàng)目組中,分配各自的職責(zé),。項(xiàng)目開發(fā)的下一階段是項(xiàng)目概要設(shè)計(jì),,將項(xiàng)目分解成多個(gè)功能模塊,運(yùn)用WBS分解結(jié)構(gòu)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行功能分解細(xì)化,,根據(jù)工作量安排時(shí)間,,安排具體人員。整理項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)報(bào)告,,總體對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估,,確定使用電源類型,電源分布情況,,電源隔離濾波方式,,系統(tǒng)接地方式,產(chǎn)品屏蔽,,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計(jì),,采用屏蔽機(jī)箱機(jī)殼,分析信號(hào)類型,,對(duì)雷電,、靜電、群脈沖等干擾采取防護(hù)措施,。
產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)報(bào)告出來后要經(jīng)過相關(guān)人員評(píng)審,,分析實(shí)現(xiàn)方式是否合理,實(shí)施方案是否可行,,由評(píng)審人員給出評(píng)審報(bào)告,,項(xiàng)目組結(jié)合評(píng)審報(bào)告對(duì)概要設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后,進(jìn)入產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,,這階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計(jì),、PCB設(shè)計(jì)、PCB采購及焊接,、軟件編寫,、功能調(diào)試等過程,原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到電磁兼容方面的影響,,對(duì)板級(jí)電源增加濾波電容,,對(duì)信號(hào)的接口部分增加濾波電路,根據(jù)信號(hào)類型,,選擇合適的濾波電路,,若信號(hào)為低頻型號(hào),應(yīng)選擇低通濾波電路,,計(jì)算合適的截至頻率,,選擇對(duì)應(yīng)的電阻,、電容等。另對(duì)接口部分設(shè)計(jì)大電流泄放回路,,設(shè)置防雷器件,,做到第三級(jí)的防雷。
一,、元器件選型
我們常用的電子器件主要包括有源器件和無源器件兩種類型,,有源器件主要指IC和模塊電路等器件,無源器件主要是指電阻,、電容,、電感等元件。下面分別對(duì)這兩種類型元件的選型,、在電磁兼容方面要考慮的問題做一些介紹,。
有源器件EMC選型
工作電壓寬的EMC特性好,工作電壓低的EMC特性好,,在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)延時(shí)大(通常所說的速度慢)特性好一些,,靜態(tài)電流小、功耗小的比大的特性好,,貼片封裝的器件的EMC性能好于插裝器件,。
無源器件選型
無源器件在我們的應(yīng)用中通常包括電阻、電容,、電感等,,對(duì)于無源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。
無源器件在某些頻率下,,會(huì)表現(xiàn)出不同特性,,一些電阻在高頻時(shí)擁有電感的特性,如線繞電阻,,電解電容的低頻特性好,,高頻特性差,而薄膜電容和瓷片電容高頻特性較好,,但通常容量較小,。考慮溫度對(duì)元器件的影響,,根據(jù)設(shè)計(jì)原理,,選用各種溫度特性的器件。
二,、印制板設(shè)計(jì)
印制板設(shè)計(jì)時(shí),,要考慮到干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開,對(duì)核心電路重點(diǎn)防護(hù),,將系統(tǒng)地線環(huán)繞,,并布線盡可能粗,,電源增加濾波電路,,采用DC-DC隔離,信號(hào)采用光電隔離,,設(shè)計(jì)隔離電源,,分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時(shí)鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等),,對(duì)這兩種類型的電路分別采取措施,。對(duì)于干擾元件采取抑制措施,對(duì)敏感元件采取隔離和保護(hù)措施,,并且將它們?cè)诳臻g和電氣上拉開距離,。在板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí),還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿,,這對(duì)防護(hù)空氣放電是有利的,。
采樣電路的原理圖設(shè)計(jì)參見圖1:
圖1:采樣電路設(shè)計(jì)
電路的合理布局可以降低干擾,提高電磁兼容性能,。按照電路的功能劃分若干個(gè)功能模塊,,分析每個(gè)模塊的干擾源與敏感信號(hào),以便進(jìn)行特殊處理,。
印制板布線時(shí),,需要注意以下幾個(gè)方面:
1、保持環(huán)路面積最小,,例如電源與地之間形成的環(huán)路,,減小環(huán)路面積,將減小電磁干擾在此回路上的感應(yīng)電流,,電源線盡可能靠近地線,,以減小差模輻射的環(huán)面積,降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,,提高系統(tǒng)的抗干擾性能,。并聯(lián)的導(dǎo)線緊緊放在一起,使用一條粗導(dǎo)線進(jìn)行連接,,信號(hào)線緊挨地平面布線可以降低干擾,。電源與地之間增加高頻濾波電容。
2,、使導(dǎo)線長度盡可能的縮短,,減小了印制板的面積,降低導(dǎo)線上的干擾。
3,、采用完整的地平面設(shè)計(jì),,采用多層板設(shè)計(jì),鋪設(shè)地層,,便于干擾信號(hào)泄放,。
4、使電子元件遠(yuǎn)離可能會(huì)發(fā)生放電的平面如機(jī)箱面板,、把手,、螺釘?shù)龋3謾C(jī)殼與地良好接觸,,為干擾提供良好的泄放通道,。對(duì)敏感信號(hào)包地處理,降低干擾,。
5,、盡量采用貼片元器件,貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多,。
6,、模擬地與數(shù)字地在PCB與外界連接處進(jìn)行一點(diǎn)接地。
7,、高速邏輯電路應(yīng)靠近連接器邊緣,,低速邏輯電路和存儲(chǔ)器則應(yīng)布置在遠(yuǎn)離連接器處,中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間,。
8,、電路板上的印制線寬度不要突變,拐角應(yīng)采用圓弧形,,不要直角或尖角,。
9、時(shí)鐘線,、信號(hào)線也盡可能靠近地線,,并且走線不要過長,以減小回路的環(huán)面積,。
三,、系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)
印制板設(shè)計(jì)出來后,進(jìn)行試制,,焊接調(diào)試,,系統(tǒng)裝機(jī),考慮電磁兼容設(shè)計(jì)因素,,機(jī)柜結(jié)構(gòu),、線纜設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面:
1、機(jī)柜選用電磁屏蔽柜,具有良好的屏蔽性能,,很好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽,,降低外界電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。
2,、總電源進(jìn)線選用屏蔽電源線,,并加磁環(huán),屏蔽層在進(jìn)入機(jī)柜處360度接地,。
3,、對(duì)系統(tǒng)外部信號(hào)線選用屏蔽線,,屏蔽層機(jī)柜入口處良好接地,。
4、設(shè)備外殼就近接機(jī)柜,,避免交叉,。
5、系統(tǒng)設(shè)置隔離變壓器和ups,,保證系統(tǒng)供應(yīng)純凈電源,。
6、嚴(yán)格將電源線和信號(hào)線分開,,設(shè)備外殼的各個(gè)面之間和各個(gè)板子面板之間要良好接觸,,接觸電阻要小于0.4歐,越小越好,,保證設(shè)備外殼良好接大地,,這樣在有靜電釋放時(shí),不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作,。
四,、系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)
接地是最有效的抑制騷擾源的方法,可解決50%的EMC問題,。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連,,可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地,,還可以提供靜電電荷的泄漏通路,,防止靜電積累。
1,、地線的概念
安全接地 包括保護(hù)接地和防雷接地,。
保護(hù)接地 為產(chǎn)品的故障電流進(jìn)入大地提供一個(gè)低阻抗通道;
防雷接地 提供泄放大電流的通路,;
參考接地 為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平,,為電源和信號(hào)提供基準(zhǔn)電位。
安全接地是為了當(dāng)出現(xiàn)一些電氣異常時(shí),為大電流和高電壓提供一個(gè)泄放的回路,,主要是對(duì)電路的一種保護(hù)措施,。參考地主要是信號(hào)地和電源地,是保證電路實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ),。
2,、接地方式
懸浮接地 對(duì)一個(gè)獨(dú)立的與外部沒有接口的系統(tǒng)來說一般也沒有什么問題,但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線,,那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響,,所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。
單點(diǎn)接地 當(dāng)f<1MHz時(shí)可以選擇單點(diǎn)接地,,可分為并聯(lián)單點(diǎn)接地和多級(jí)電路串聯(lián)單點(diǎn)接地兩種,。
并聯(lián)單點(diǎn)接地:每個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上,每個(gè)單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連,。
多級(jí)電路的串聯(lián)單點(diǎn)接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,,形成一個(gè)公共點(diǎn),然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地,。
多點(diǎn)接地 當(dāng)f>10MHz時(shí)會(huì)采用多點(diǎn)接地,。 設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點(diǎn)。
單點(diǎn)接地各電路接在同一點(diǎn),,提供公共電位參考點(diǎn),,沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路,但對(duì)高頻信號(hào)存在較大的地阻抗,。多點(diǎn)接地為就近接地,,每條地線可以很短,提供較低接地阻抗,。1MHz~10MHz可根據(jù)實(shí)際需要選用哪種接地方法,。
混合接地 是綜合單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地,,對(duì)系統(tǒng)中高頻部分采用多點(diǎn)接地,。
信號(hào)線屏蔽接地 有高頻和低頻之分,高頻采用多點(diǎn)接地,,低頻電纜采用單點(diǎn)接地,。低頻電場屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地,低頻磁場屏蔽要求在兩端接地,。多點(diǎn)接地,,除在兩端接地外,并以3/20或1/10工作波長的間隔接地,。
系統(tǒng)做到良好接地,,才能有效的抑制電磁干擾,,一個(gè)大的系統(tǒng)機(jī)柜首先要保證每個(gè)面接觸良好,接觸緊湊,,其次是機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地,,避免二次干擾,就近泄放電磁干擾,。接口屏蔽線要進(jìn)行環(huán)接,,再就近接機(jī)架。機(jī)柜下方設(shè)置接地銅排,,系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好,,對(duì)電磁干擾進(jìn)行很好的泄放,保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行,。
電磁兼容測試
系統(tǒng)功能測試,,滿足現(xiàn)場功能需要后,進(jìn)行電磁兼容測試,,電磁兼容測試容易出問題是靜電,、群脈沖,、浪涌,、射頻場傳導(dǎo)等
1、靜電抗擾度檢測
參與了幾個(gè)項(xiàng)目的靜電抗擾度檢測,,對(duì)靜電有一定認(rèn)識(shí),。靜電分為接觸放電和空氣放電,靜電是積累的高壓,,當(dāng)接觸到設(shè)備的金屬外殼時(shí)會(huì)瞬間放電,,會(huì)影響到電子設(shè)備的正常工作,可能引起設(shè)備故障或重啟,,在安全性要求較好的場合這是不允許的,。
靜電會(huì)影響顯示效果,可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏,,影響正常顯示和操作,。靜電還可能引起CPU工作異常,程序死機(jī)或重啟,。
如果在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計(jì),,做靜電試驗(yàn)不必過分擔(dān)心,通過設(shè)計(jì),,對(duì)靜電積累的電荷進(jìn)行良好的泄放,,不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。
2,、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測
電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設(shè)備上,,觀察設(shè)備是否受到其影響,。防護(hù)群脈沖主要的方法是“疏導(dǎo)”“堵”,“疏導(dǎo)”就是提供泄放回路,,是干擾在進(jìn)入系統(tǒng)之前,,泄放至大地,良好的屏蔽層接地,,可以泄放大部分動(dòng)干擾,,“堵”是使群脈沖濾除在設(shè)備之外,增加磁環(huán),,效果明顯,,封閉磁環(huán)的效果好于對(duì)扣磁環(huán),也可以將磁環(huán)加入到板級(jí)中,,固定在印制板中,,這樣使設(shè)備更可靠。
對(duì)電源線,、信號(hào)線,、通訊線兩端增加磁環(huán),可以對(duì)群脈沖干擾進(jìn)行防護(hù),。
3,、雷擊浪涌檢測
雷擊浪涌主要包含兩個(gè)方面,一個(gè)是電源防雷,,一個(gè)是信號(hào)防雷,。
電源防雷主要是針對(duì)系統(tǒng)級(jí)而言的,系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)要按照三級(jí)防雷設(shè)計(jì),,總電源進(jìn)入端設(shè)置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH 385),,可以對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)行一級(jí)防護(hù),電源經(jīng)過電源防雷后,,進(jìn)入隔離變壓器,,隔離變壓器可以對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行較好的防護(hù),抑制其對(duì)系統(tǒng)的影響,。后進(jìn)入U(xiǎn)PS,,UPS可以濾除一部分干擾信號(hào),這樣電源再進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備,,電源是一種純凈的電源,,可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作,。
圖2:系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)示例,。
信號(hào)防雷是對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)通路進(jìn)行防護(hù),主要涉及的是板級(jí)設(shè)計(jì),,在板級(jí)設(shè)計(jì)中增加防雷器件,,如氣體放電管,,增加TVS泄放回路,當(dāng)有大電流時(shí)通過配套電阻和TVS,、氣體放電管泄放,,對(duì)后級(jí)電路起到保護(hù)作用。而后信號(hào)進(jìn)行光電隔離,,再進(jìn)入系統(tǒng),,系統(tǒng)可以采集到一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào),使系統(tǒng)正常分析判斷,,正常發(fā)出指令,,正常工作。另一方面就是設(shè)計(jì)較寬的信號(hào)范圍,,信號(hào)正常波動(dòng)時(shí),,系統(tǒng)正常工作。
4,、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測
射感試驗(yàn)可能會(huì)對(duì)顯示信號(hào),、采集驅(qū)動(dòng)等造成影響,可能使顯示閃爍或黑屏,,影響設(shè)備操作,,可能使采集驅(qū)動(dòng)工作異常,采集不到需要的信號(hào),,無法驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備,。
射頻試驗(yàn)是0.15k~80M頻率范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)線、電源進(jìn)行干擾,,3級(jí)強(qiáng)度是10V/m。
射感防護(hù)的原則是將電源,、信號(hào)線的屏蔽做好,,屏蔽層良好接地,選擇合適頻率進(jìn)行濾波,,將干擾濾除,。
5、輻射發(fā)射檢測,、射頻場輻射抗擾度檢測
該測試主要是測試系統(tǒng)的抗射頻信號(hào)及整體屏蔽性能,,只要系統(tǒng)做好良好的屏蔽,系統(tǒng)地線接地良好,,系統(tǒng)就可以通過檢測,。
通過相關(guān)電磁兼容測試,產(chǎn)品就可以推向市場,,進(jìn)行試運(yùn)行了,,對(duì)試運(yùn)行中出現(xiàn)的問題,,進(jìn)行匯總,以備產(chǎn)品的改進(jìn),。
電子產(chǎn)品滿足相關(guān)的電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn),,通過測試,才可以推向市場,,用戶才能放心使用,,極大地減小因電磁干擾發(fā)生的事故,對(duì)企業(yè)的效益,、產(chǎn)品的推廣起到積極的作用,。
6、總結(jié)
本文是針對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境,,分析了電磁干擾的來源,,通過產(chǎn)品開發(fā)流程的分解,融入電磁兼容設(shè)計(jì),,從原理圖設(shè)計(jì),、PCB設(shè)計(jì)、元器件選型,、系統(tǒng)布線,、系統(tǒng)接地等方面逐步分析,總結(jié)概括電磁兼容設(shè)計(jì)要點(diǎn),,最后,,介紹了電磁兼容測試的相關(guān)內(nèi)容。相信讀者能從中獲取有用的信息,。