- 探討電磁兼容EMC設(shè)計
- 分析電磁兼容EMC測試技巧
- 設(shè)計從元器件選型、印制板設(shè)計等的角度考慮
- 測試采用靜電抗擾度檢測等的方法
當前,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ⅲ享椖堪l(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。
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經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負責人的評審之后,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。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??紤]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。
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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電位。
安全接地是為了當出現(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)。
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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。
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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)的電磁兼容測試標準,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。
6、總結(jié)
本文是針對當前嚴峻的電磁環(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,從原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、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)計要點,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。