《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電磁兼容EMC設(shè)計測試技巧
摘要: 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)境對電子設(shè)備的影響,從設(shè)計開始,,融入電磁...
Abstract:
Key words :
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)境對電子設(shè)備的影響,,從設(shè)計開始,融入電磁兼容設(shè)計,,使電子設(shè)備更可靠的工作,。


電磁兼容設(shè)計主要包含浪涌(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。


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)將一個電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個電網(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,、信號線、互連線,、接地導(dǎo)體等,。


輻射:通過空間將一個電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個電網(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)兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時出現(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?,感?yīng)到另一條回路對其造成干擾,。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種。


對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對策:傳導(dǎo)采取濾波(如我們設(shè)計中每個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外界的電磁干擾,。


電磁兼容設(shè)計


對于一個新項目的研發(fā)設(shè)計過程,電磁兼容設(shè)計需要貫穿整個過程,,在設(shè)計中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計,,才不致于返工,避免重復(fù)研發(fā),,可以縮短整個產(chǎn)品的上市時間,,提高企業(yè)的效益。


一個項目從研發(fā)到投向市場需要經(jīng)過需求分析,、項目立項,、項目概要設(shè)計、項目詳細設(shè)計,、樣品試制,、功能測試、電磁兼容測試,、項目投產(chǎn),、投向市場等幾個階段。


在需求分析階段,,要進行產(chǎn)品市場分析,、現(xiàn)場調(diào)研,挖掘?qū)椖坑杏眯畔?,整合項目發(fā)展前景,,詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境,實地考察安裝位置,,是否對安裝有所限制空間,,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,,最后要整理詳細的需求分析報告,以供需求評審,。
經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負責(zé)人的評審之后,,完善需求分析報告,然后是項目立項,,項目立項需要組建項目組,,把軟件、硬件,、結(jié)構(gòu),、測試等人員安排到項目組中,分配各自的職責(zé),。項目開發(fā)的下一階段是項目概要設(shè)計,,將項目分解成多個功能模塊,運用WBS分解結(jié)構(gòu)對項目進行功能分解細化,,根據(jù)工作量安排時間,,安排具體人員。整理項目概要設(shè)計報告,,總體對項目進行評估,,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,,采用屏蔽機箱機殼,分析信號類型,,對雷電,、靜電、群脈沖等干擾采取防護措施,。


產(chǎn)品概要設(shè)計報告出來后要經(jīng)過相關(guān)人員評審,,分析實現(xiàn)方式是否合理,實施方案是否可行,,由評審人員給出評審報告,,項目組結(jié)合評審報告對概要設(shè)計進行修改后,,進入產(chǎn)品詳細設(shè)計階段,這階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計,、PCB設(shè)計,、PCB采購及焊接、軟件編寫,、功能調(diào)試等過程,,原理圖設(shè)計應(yīng)考慮到電磁兼容方面的影響,對板級電源增加濾波電容,,對信號的接口部分增加濾波電路,,根據(jù)信號類型,選擇合

適的濾波電路,,若信號為低頻型號,,應(yīng)選擇低通濾波電路,計算合適的截至頻率,,選擇對應(yīng)的電阻,、電容等。另對接口部分設(shè)計大電流泄放回路,,設(shè)置防雷器件,,做到第三級的防雷。


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)計允許的范圍內(nèi)延時大(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,,會表現(xiàn)出不同特性,,一些電阻在高頻時擁有電感的特性,,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,。考慮溫度對元器件的影響,,根據(jù)設(shè)計原理,,選用各種溫度特性的器件。


二,、印制板設(shè)計


印制板設(shè)計時,,要考慮到干擾對系統(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,,對核心電路重點防護,,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,信號采用光電隔離,,設(shè)計隔離電源,,分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等),,對這兩種類型的電路分別采取措施,。對于干擾元件采取抑制措施,對敏感元件采取隔離和保護措施,,并且將它們在空間和電氣上拉開距離,。在板級設(shè)計時,還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿,,這對防護空氣放電是有利的,。


采樣電路的原理圖設(shè)計參見圖1:



圖1:采樣電路設(shè)計。


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功能模塊,分析每個模塊的干擾源與敏感信號,,以便進行特殊處理,。

印制板布線時,需要注意以下幾個方面:


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)線進行連接,,信號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,采用多層板設(shè)計,,鋪設(shè)地層,,便于干擾信號泄放。


4,、使電子元件遠離可能會發(fā)生放電的平面如機箱面板,、把手、螺釘?shù)?,保持機殼與地良好接觸,,為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理,,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與外界連接處進行一點接地,。


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器則應(yīng)布置在遠離連接器處,,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、時鐘線,、信號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


印制板設(shè)計出來后,進行試制,,焊接調(diào)試,系統(tǒng)裝機,,考慮電磁兼容設(shè)計因素,,機柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計需要注意以下幾個方面:


1,、機柜選用電磁屏蔽柜,,具有良好的屏蔽性能,很好地對系統(tǒng)進行屏蔽,,降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響,。


2、總電源進線選用屏蔽電源線,,并加磁環(huán),,屏蔽層在進入機柜處360度接地。


3,、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線,,屏蔽層機柜入口處良好接地。


4,、設(shè)備外殼就近接機柜,,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)格將電源線和信號線分開,,設(shè)備外殼的各個面之間和各個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,,不會影響到系統(tǒng)的正常工作,。


四,、系統(tǒng)接地設(shè)計


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 包括保護接地和防雷接地,。 

保護接地 為產(chǎn)品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道;

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,,為大電流和高電壓提供一個泄放的回路,,主要是對電路的一種保護措施。參考地主要是信號地和電源地,,是保證電路實現(xiàn)功能的基礎(chǔ),。


2、接地方式


懸浮接地 對一個獨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,。


單點接地 當(dāng)f<1MHz時可以選擇單點接地,,可分為并聯(lián)單點接地和多級電路串聯(lián)單點接地兩種。


并聯(lián)單點接地:每個電路模塊都接到一個單點地上,,每個單元在同一點與參考點相連,。


多級電路的串聯(lián)單點接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,形成一個公共點,,然后將每一個公共點連接到單點地,。


多點接地 當(dāng)f>10MHz時會采用多點接地。 設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點,。


單點接地各電路接在同一點,,提供公共電位參考點,沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路,,但對高頻信號存在較大的地阻抗,。多點接地為就近接地,每條地線可以很短,提供較低接地阻抗,。1MHz~10MHz可根據(jù)實際需要選用哪種接地方法,。


混合接地 是綜合單點接地與多點接地的優(yōu)點,對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點接地,,對系統(tǒng)中高頻部分采用多點接地,。


信號線屏蔽接地 有高頻和低頻之分,高頻采用多點接地,,低頻電纜采用單點接地,。低頻電場屏蔽要求在接收端單點接地,低頻磁場屏蔽要求在兩端接地,。多點接地,,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,一個大的系統(tǒng)機柜首先要保證每個面接觸良好,,接觸緊湊,其次是機柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地,,避免二次干擾,,就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進行環(huán)接,,再就近接機架,。機柜下方設(shè)置接地銅排,系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好,,對電磁干擾進行很好的泄放,,保證了系統(tǒng)的正常運行。

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


參與了幾個項目的靜電抗擾度檢測,,對靜電有一定認識。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)備的金屬外殼時會瞬間放電,會影響到電子設(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,程序死機或重啟,。


如果在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計,,做靜電試驗不必過分擔(dān)心,通過設(shè)計,,對靜電積累的電荷進行良好的泄放,,不會影響系統(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)的效果好于對扣磁環(huán),,也可以將磁環(huán)加入到板級中,,固定在印制板中,這樣使設(shè)備更可靠,。


對電源線,、信號線、通訊線兩端增加磁環(huán),,可以對群脈沖干擾進行防護,。


3、雷擊浪涌檢測


雷擊浪涌主要包含兩個方面,,一個是電源防雷,,一個是信號防雷。


電源防雷主要是針對系統(tǒng)級而言的,,系統(tǒng)級設(shè)計要按照三級防雷設(shè)計,,總電源進入端設(shè)置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH 385),,可以對系統(tǒng)的電源進行一級防護,電源經(jīng)過電源防雷后,,進入隔離變壓器,,隔離變壓器可以對電磁干擾信號進行較好的防護,抑制其對系統(tǒng)的影響,。后進入UPS,,UPS可以濾除一部分干擾信號,這樣電源再進入系統(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)計示例,。


信號防雷是對系統(tǒng)的信號通路進行防護,主要涉及的是板級設(shè)計,,在板級設(shè)計中增加防雷器件,,如氣體放電管,增加TVS泄放回路,,當(dāng)有大電流時通過配套電阻和TVS,、氣體放電管泄放,對后級電路起到保護作用,。而后信號進行光電隔離,,再進入系統(tǒng),系統(tǒng)可以采集到一個穩(wěn)定的信號,,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)計較寬的信號范圍,信號正常波動時,,系統(tǒng)正常工作,。


4、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測


射感試驗可能會對顯示信號,、采集驅(qū)動等造成影響,,可能使顯示閃爍或黑屏,影響設(shè)備操作,,可能使采集驅(qū)動工作異常,,采集不到需要的信號,無法驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備,。


射頻試驗是0.15k~80M頻率范圍內(nèi)對信號線,、電源進行干擾,3級強度是10V/m。


射感防護的原則是將電源,、信號線的屏蔽做好,,屏蔽層良好接地,選擇合適頻率進行濾波,,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,,進行試運行了,,對試運行中出現(xiàn)的問題,進行匯總,,以備產(chǎn)品的改進,。


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,,對企業(yè)的效益,、產(chǎn)品的推廣起到積極的作用。

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