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【附現(xiàn)場(chǎng)提問】馬永健老師分享EMC設(shè)計(jì)中最棘手的案例

發(fā)布時(shí)間:2014-04-25 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】馬永健老師是EMC領(lǐng)域中的著名專家,在2014安防電子技術(shù)研討會(huì)暨第十七屆電路保護(hù)與電磁兼容技術(shù)研討會(huì)上,馬老師詳細(xì)的講解分析了EMC設(shè)計(jì)中最棘手的案例,并講解了有關(guān)于EMC的全新認(rèn)識(shí),現(xiàn)場(chǎng)回答了一些工程師們提出的問題,物超所值!快來看看吧!絕對(duì)有料!

功能設(shè)計(jì)完了以后進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn),不過進(jìn)行整改,為什么會(huì)有這種現(xiàn)象?我了解了現(xiàn)在有些企業(yè)已經(jīng)有EMC工程師了。我這次去了以后,至少有幾家企業(yè)讓我給他介紹EMC工程師,因?yàn)檎褽MC工程師比較難,原因是國(guó)內(nèi)目前所有的企業(yè)在EMC設(shè)計(jì)這一塊是游擊戰(zhàn),誰的經(jīng)驗(yàn)多誰設(shè)計(jì)出來的就好一點(diǎn),但是一次通過率很低,產(chǎn)品設(shè)計(jì)完了以后進(jìn)行一次性實(shí)驗(yàn),一次性通過的很低,為什么?今天咱們講的很多是芯片,如果你選了好芯片,同時(shí)把EMC設(shè)計(jì)好,你的電子兼容基本上就解決了。因?yàn)闆]有整體效果可以考慮的,只有依靠選好芯片,同時(shí)進(jìn)行處理才能處理好。

這種現(xiàn)象的原因是什么?元器件本身的電子兼容性。這是金屬膜電阻的阻抗絕對(duì)值與頻率的關(guān)系。大家看,在低頻的時(shí)候完全是一條直線,但是到高頻以后,電感效應(yīng)出來了,這點(diǎn)很多人是不太注意的。同樣,電容是這樣子,電感也是這樣子,電容曲線是倒V形的。這個(gè)大家在使用過程中可能不太關(guān)注這個(gè)事,這是個(gè)芯片的梯形脈沖時(shí)域波形,實(shí)際上真正出問題的是在這個(gè)地方,如果把這個(gè)問題處理好了,現(xiàn)在好多問題就不會(huì)出現(xiàn)。這是芯片參數(shù)的對(duì)照表,這個(gè)在使用過程中是有的,這個(gè)東西有什么用我后面會(huì)講。大家都知道這是差模效應(yīng),一個(gè)信號(hào)的環(huán)路就會(huì)對(duì)外輻射場(chǎng)強(qiáng),在一定情況下,如果說環(huán)路比較大的話,輻射的場(chǎng)強(qiáng)與環(huán)路面積成正比,那么對(duì)外輻射場(chǎng)強(qiáng)就大。這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。對(duì)外有連接導(dǎo)線,這樣的對(duì)外連接導(dǎo)線有一個(gè)向外輻射,這樣的話共模的效應(yīng)就出來了。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候,期間的選型考慮不周到,應(yīng)該怎么做呢?我在端口的時(shí)候加上一個(gè)干音壁,什么意思?就是把整個(gè)平面里面端口這個(gè)地方不布置任何器件,與內(nèi)部的數(shù)字臂也好,功能臂也好進(jìn)行隔離,架橋連接,這樣外面的噪音進(jìn)不來,里面的噪聲出不去,這就是干音壁的效應(yīng)。這個(gè)地方本身是空的,我們這個(gè)企業(yè)有好多設(shè)計(jì)師想方設(shè)法地把這個(gè)地方添滿,這是沒必要的,而且也不方便。那我為何不設(shè)計(jì)一個(gè)干音壁呢?這樣的話就可以把傳導(dǎo)的問題解決。

還有一個(gè)問題,閉環(huán)路,我們之所以發(fā)生干擾,共模效應(yīng),就是因?yàn)橛袀€(gè)閉環(huán)路存在。如果閉環(huán)路很小,或者阻抗很小,是零,即使通過再大的電流,有共模電壓降存在嗎?沒有共模電壓降也就不可能有對(duì)外模式。這在我們使用過程中需要注意的問題。

還有一個(gè)是分區(qū)布局,現(xiàn)在方向亂的,這個(gè)器件到處放。你要知道,電路也好,器件也好,有敏感器件,有噪聲器件。這個(gè)時(shí)候你在分區(qū)布局的時(shí)候一定要有序地安排。比如說高速路上有快車道和慢車道,我們國(guó)內(nèi)經(jīng)常堵車就是因?yàn)檐嚧﹣泶┤サ?,我們很多人到香港去過,香港的公路上車也不少。這個(gè)道理是一樣的,如果你的器件安排不當(dāng),就會(huì)有耦合,有幾種耦合模式?一共有五種模式,其實(shí)有三種耦合模式都體現(xiàn)在這個(gè)線路板上了。

如果有序地分開,就可以減輕耦合效應(yīng),有一點(diǎn)屏蔽效應(yīng)。把距離拉開,因?yàn)樵谶@一場(chǎng)范圍內(nèi),場(chǎng)強(qiáng)的衰減是按照距離的平方和立方進(jìn)行衰減的,距離稍微拉開一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)衰減得就比較大,這樣子你就可以有效地把場(chǎng)強(qiáng)衰減下來,距離拉開一點(diǎn)效果就好一點(diǎn)。這個(gè)你們可以試一試,你可以把線路或者是器件拉開一點(diǎn)距離。我曾經(jīng)做過,應(yīng)該快一個(gè)月了,就在南山做實(shí)驗(yàn),里面的東西是模塊,我把模塊移了一下距離,然后衰減的時(shí)候事半功倍。一個(gè)是大的產(chǎn)品,功率大,個(gè)大,另外一個(gè)是小的產(chǎn)品,小的產(chǎn)品是大的產(chǎn)品的1/6,但是設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式是完全一樣的,大的產(chǎn)品通過了測(cè)試,小的怎么都通不過。我打開一看,就是因?yàn)榫嚯x太近了。我說把這個(gè)隔開,或者通過局部屏蔽進(jìn)行隔離就可以了,效果很好。這是3月份才做的一個(gè)實(shí)例。
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為什么會(huì)有這種現(xiàn)象呢?每個(gè)從驅(qū)動(dòng)端出去的信號(hào)最終都會(huì)回到驅(qū)動(dòng)端來,這點(diǎn)很重要,每一個(gè)信號(hào)包括電源,從驅(qū)動(dòng)端出去以后,不管走多遠(yuǎn),最終從各種通路回來,一定要回到終端來,否則一個(gè)功能就完不成。而偏偏我們做單循環(huán)設(shè)計(jì)的時(shí)候,注意的是去線、回線,我們自己安排,多終端回路的時(shí)候忽視了這個(gè)現(xiàn)象。只管拉一根虛線,回線不管了,因?yàn)橥ㄟ^耦合效應(yīng)直接傳輸回來了,所以這就導(dǎo)致好多的回流面積很大的非常重要的原因,實(shí)際上是無意識(shí)造成的。我曾經(jīng)去過一個(gè)單位,他超標(biāo)超得很厲害。他們回流面積很小,我說你考慮傳輸線的前頭上有多少槽,多少器件進(jìn)行隔離的。

為什么有這種現(xiàn)象呢?就是因?yàn)樗械男盘?hào)頻率不一樣,傳輸漏洞是不一樣的,隨著頻率越來越高,會(huì)按照最小阻抗路徑回流。這是比較形象的,信號(hào)層和回流層,層間距,厚度很薄很薄,傳輸信號(hào)這么傳過來,在回流的時(shí)候直接就回來了,直線頻率最短,阻抗最小。高頻的時(shí)候不一樣了,從這邊回來了以后,它按照這條線緊著地平面回來,因?yàn)檫@個(gè)區(qū)間的阻抗最小。這點(diǎn)是需要嚴(yán)格注意的,如果在設(shè)計(jì)過程中回流徑搞不清楚,那你就不知道線跑哪去了,回流面積最小化就實(shí)現(xiàn)不了。

這個(gè)圖是什么意思呢?這是數(shù)據(jù)區(qū)域,這是模擬區(qū)域,數(shù)模轉(zhuǎn)換或者兩個(gè)區(qū)域。中間有個(gè)隔離,數(shù)字區(qū)域和模擬區(qū)域要分割開,很大部分的人是這樣做的。我這個(gè)數(shù)字線跨過分割區(qū)到模擬區(qū)以后,可是回流線怎么回?因?yàn)檫@中間是斷的,這回不來了,隔斷了,從哪回來的?哪里能回來的路徑它自己找,這樣它繞到哪去了,說不清楚了。這是導(dǎo)致很多數(shù)模轉(zhuǎn)換不成功或者干擾非常大的非常重要的原因,你們可以檢查你們的線路是不是有這種現(xiàn)象存在。

解決這個(gè)問題,第一個(gè)統(tǒng)一地,第二個(gè)把數(shù)字線直接在數(shù)字區(qū)域布置,不要跑到模擬區(qū)域去。第三,把兩個(gè)地聯(lián)通,我專門用一個(gè)回流線搭過去。這是在設(shè)計(jì)中間出現(xiàn)的問題。傳輸線傳動(dòng)要求很嚴(yán)格,傳輸線路越短,上升時(shí)間越小,對(duì)外回流場(chǎng)強(qiáng)就越大。所以設(shè)計(jì)的時(shí)候,排線的傳輸線長(zhǎng)度計(jì)算公式是不一樣的,所以設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要計(jì)算一下。不能說師傅就是這么告訴我的,我就這么做。所以要算一下,看看長(zhǎng)度夠不夠。我發(fā)現(xiàn)很多企業(yè)線明明可以短一點(diǎn),他說我為了方便,就把線加長(zhǎng)了。當(dāng)然了確實(shí)是方便,因?yàn)闆]有什么干涉,但是為了方便影響了反射,上沖、下沖,另外回路面積也大了,這是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。

給大家講一個(gè)比較簡(jiǎn)單的屏蔽效應(yīng),我剛才講了屏蔽三種模式,一種模式是加一個(gè)罩殼,這個(gè)問題不大,我加一個(gè)金屬罩殼就屏蔽了。另外一種模式是進(jìn)行衰減,這也是一種屏蔽模式。第三種模式,在兩個(gè)信號(hào)線之間加上地線,這個(gè)地線就相當(dāng)于屏蔽線,這叫導(dǎo)線屏蔽。一個(gè)是加上地線,另外一個(gè)是把地線去掉,背面加上大面積地線,這也是一種屏蔽模式,這種模式非常管用。
設(shè)計(jì)過程中對(duì)一種不同的器件,我們要求前面加一個(gè)電容,后面加一個(gè)電容,中間加一個(gè)磁珠。所有的這些東西大家都是做的,甚至這些概念都很清楚,但要真正連貫起來難度就大了。對(duì)整個(gè)產(chǎn)品來講,電磁兼容性設(shè)計(jì)管理系統(tǒng):1.新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)流程,2.產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)建設(shè),3.元器件的EMC選型指南,4.EMC接地設(shè)計(jì),5.EMC屏蔽設(shè)計(jì),6.EMC濾波設(shè)計(jì),7.PCB的EMC設(shè)計(jì),8.典型產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì),9.EMC設(shè)計(jì)檢查表。

我們說電容,各種不同的情況下容值計(jì)算是不一樣的。連接器咱們經(jīng)常用,連接器的這些參數(shù)你是要知道的,這些東西是直接影響電子兼容的,不同的連接器是不一樣的,它的核心阻抗也是不一樣的,在過程中你要怎么做都是有規(guī)范的。我們今天講了很多芯片,它的特性是怎么樣的,怎么樣進(jìn)行選型,有什么特點(diǎn),這些都是要掌握的。至少你知道一個(gè)事,我拿一個(gè)芯片來,你說芯片怎么好,這些參數(shù)要提供給我,看它到底是好還是不好。

產(chǎn)品做完了有個(gè)問題,做完了以后是分階段進(jìn)行的,不是一條線做完的,是分階段進(jìn)行的。在哪一個(gè)階段怎么樣進(jìn)行檢查,就是從這來,1.產(chǎn)品原理圖設(shè)計(jì)檢查表,2.PCB設(shè)計(jì)檢查表,3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查表,4.軟件設(shè)計(jì)檢查表,5.設(shè)計(jì)審核檢查表。

我剛才舉的例子,本來一個(gè)大個(gè)的產(chǎn)品通過了這個(gè)測(cè)試,但是個(gè)子變小了以后通不過了,明明是一樣的,結(jié)構(gòu)、零件、器件都是一樣的,就因?yàn)榭臻g大小不一樣變化那么大。你校對(duì)的時(shí)候怎么校對(duì)?相應(yīng)的措施要怎么處理?電磁兼容評(píng)價(jià)對(duì)和錯(cuò)很難,但是可以評(píng)價(jià)好和不好,你做得好一點(diǎn),你的一次性通過率80%,我的一次性通過率20%,那么我設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品一次通過率是80%,70%,那效果完全是不一樣的。既然你設(shè)計(jì)的產(chǎn)品通過率是70%,80%的話,為什么不把你的經(jīng)驗(yàn)貢獻(xiàn)出來?放到一個(gè)平臺(tái)上讓大家共享呢?

這需要有一個(gè)培訓(xùn)過程,不是光講,我剛才講的那些,不同的情況,電磁兼容很復(fù)雜,不同的情況下有不同的選擇,電容的容值計(jì)算有9個(gè),你用哪一項(xiàng)來算?你給我講清楚是用哪一項(xiàng)來算的,你怎么樣算,我也按照這個(gè)模式算,我知道你怎么選的,我就可以給你校對(duì),可以給你審核,否則分不出來,不是光肉眼可以看得出來的。所以我們要建立一個(gè)評(píng)審制度,不同的等級(jí)評(píng)審是不一樣的。電磁兼容工程師或者總工辦找一個(gè)人專門來做這個(gè)工作,做得好一點(diǎn)可以。

還有一個(gè)問題在哪呢?很多單位已經(jīng)做了設(shè)計(jì)審核檢查表,但是幾百個(gè)工程師設(shè)計(jì),可審核的時(shí)候一個(gè)人顧得過來嗎?我進(jìn)行重點(diǎn)控制,我搞了一個(gè)設(shè)計(jì)審核重點(diǎn)控制,我把幾個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,不同的層級(jí)控制的要點(diǎn)不一樣,這樣子就可以大家來進(jìn)行信息共享。如果說我是總管,或者我是項(xiàng)目經(jīng)理,我自己巡查一遍不太放心,你就連夜24小時(shí)開辦,把前面的全部再檢查一遍。我這里有一個(gè)圖例,你們可以看看是怎么做的,提供給你們一個(gè)思路。把整個(gè)設(shè)計(jì)過程中由設(shè)計(jì)工程師自查,然后要求專門的電子兼容設(shè)計(jì)工程師復(fù)核你做到還是沒做到,分得很細(xì)很細(xì),然后把復(fù)核的意見對(duì)、錯(cuò),或者你同意不同意,如果表列不上,你拉多一點(diǎn)嘛。因?yàn)殡娮蛹嫒莨こ處?,至少?duì)我來講,我肯定比設(shè)計(jì)師的水平高,電子兼容工程師告訴你這個(gè)地方做得好像有點(diǎn)不太合適,咱們商量一下是不是改一改,這樣經(jīng)驗(yàn)就積累過來了。我也不用跟你吵架,也不用說你做到還是沒做到

。我給你們看這有多少頁?21頁,記不住吧,但是我一個(gè)表格拿出來逐條對(duì),簡(jiǎn)單吧。這樣做了以后就容易多了。同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣的,包括軟件檢查,怎么審核?按照工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)控制進(jìn)行測(cè)試。不同的產(chǎn)品,不同的標(biāo)準(zhǔn),不同的形式,審核標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的,國(guó)標(biāo)是19項(xiàng),不是說每一項(xiàng)都要接地、屏蔽,不是那么回事兒。某幾項(xiàng)要重點(diǎn)考慮接地,這樣控制以后大部分問題都解決掉,當(dāng)然其他方面也要考慮,但這是要重點(diǎn)考慮的。但是有一些,比如天線這塊加上濾波,那么選擇接地線要控制好,雷達(dá)本身就是一個(gè)很好的分區(qū)屏蔽的格式,你還要加大外罩,不是那么回事。不同的產(chǎn)品,室內(nèi)的,室外的,臺(tái)式的,立式的,車載的,機(jī)載的,陸軍、海軍、空軍,不同的情況設(shè)計(jì)要點(diǎn)是不一樣的。你在設(shè)計(jì)過程中你要考慮你的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式是什么,你的標(biāo)準(zhǔn)是什么,控制的要點(diǎn)是什么,那你就好審核了。
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如果有實(shí)驗(yàn)室的人可以看一看,關(guān)鍵有一個(gè)預(yù)測(cè)試試驗(yàn),試驗(yàn)的時(shí)候一定要有一個(gè)預(yù)測(cè)試實(shí)驗(yàn),不能說到最后再去試驗(yàn),那時(shí)候代價(jià)就太大了。不要把實(shí)驗(yàn)室的那些標(biāo)準(zhǔn)拿出來,但是試驗(yàn)的特點(diǎn)是什么,你在試驗(yàn)過程中關(guān)注的是什么,這個(gè)要心里有數(shù)。你們可能更感興趣的是這個(gè),騷擾源的定位。產(chǎn)品內(nèi)的主要電磁騷擾源是什么,這個(gè)你要清楚,我把騷擾源源頭控制,把傳播途徑切斷,這是你需要知道的東西,否則就累了。

同一個(gè)試品存在不同測(cè)試結(jié)果的原因,這個(gè)一定要進(jìn)行分析,確實(shí)有這個(gè)現(xiàn)象,這是客觀存在的,我在A實(shí)驗(yàn)室做的,B實(shí)驗(yàn)室結(jié)果不一樣,確實(shí)有這個(gè)現(xiàn)象,這是很正常的現(xiàn)象。在試驗(yàn)過程中問題整改怎么做,不同的情況怎么做,這些控制要點(diǎn)在哪?寬帶的,監(jiān)測(cè)的,直通的,泄露的,傳導(dǎo)的,輻射的,靜電,所有的這些都有自己的特點(diǎn)。出了問題大概在什么位置,出了什么問題。咱們知道,整改首先是定位,只要定位正確,做起來就很簡(jiǎn)單。如果定位不好,做起來就很難了。騷擾源的定位非常重要。我們的目的是什么?不同的行業(yè),不同的環(huán)節(jié),不同的設(shè)計(jì)師,在中間各取所需。這個(gè)完全把我設(shè)計(jì)過程中遇到的問題提綱挈領(lǐng)地全部羅列出來了,設(shè)計(jì)師做的時(shí)候不同的環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)就行了,駕輕就熟一點(diǎn),節(jié)省一點(diǎn)時(shí)間,效果好一點(diǎn)。我就講這么多吧,謝謝大家!

現(xiàn)場(chǎng)提問:

提問:今天我們講EAC的問題是最多的,MIE有個(gè)問題,這個(gè)問題是什么呢?我們打接觸的時(shí)候有三種現(xiàn)象,當(dāng)我們把接地槍靠近這個(gè)的時(shí)候關(guān)機(jī)了,第二個(gè)問題是死機(jī),就是機(jī)器停在那里不動(dòng),第三個(gè)現(xiàn)象是一打的時(shí)候屏幕上面有橫條,對(duì)這三個(gè)現(xiàn)象我們能不能判定電路是在哪個(gè)地方,我們能不能確定整改方向是哪個(gè)電路有問題?

馬永?。何疫@樣說吧,一個(gè)信號(hào)進(jìn)來以后,你記住環(huán)路大了以后,環(huán)路大就是接收天線,等于是打了靜電以后,中間放電的時(shí)候直接打到環(huán)繞上去,然后芯片的端口可能跳或者是死機(jī)。如果嚴(yán)格說要設(shè)計(jì)好或者小一點(diǎn),再不行就進(jìn)行端口處理。

提問:我們直接用槍打那個(gè)地也是一樣,一碰就關(guān)機(jī)或者是干擾。

馬永健:有一個(gè)問題要搞清楚,不要管打到哪個(gè)地方,因?yàn)榇虻降厣弦院?,它又到芯片的端口上去。如果沒有端口,光打到線路上是沒有什么用的。如果是改設(shè)備的時(shí)候,芯片的端口要怎么處理,加上TBS管比較好一點(diǎn),如果不行的話前面加上慈珠先過一下。

提問:我們?cè)谡牡臅r(shí)候,這方面的問題碰到比較多,但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),在打地的時(shí)候出現(xiàn)這個(gè)問題是很難搞的。

馬永健:你把接地點(diǎn)換個(gè)地方,還是把環(huán)比減小。

提問:我們的MCU是系統(tǒng)控制,數(shù)字線或者是一些控制器非常靈敏,你一打地上有一個(gè)波度,可能造成機(jī)器內(nèi)部的軟件復(fù)位或者是關(guān)機(jī)。

馬永?。阂?yàn)闆]有看到實(shí)際產(chǎn)品,只能是從原理上講。

提問:這個(gè)問題是目前比較多的。

馬永健:還有一個(gè)辦法,把地浮起來。

提問:我們也做過實(shí)驗(yàn),把板子的層再多加一層,我們鋪一塊大的薄膜在上面,這個(gè)時(shí)候測(cè)試確實(shí)有改善。

馬永?。喝绻f在放靜電的時(shí)候,多鋪層地就是防靜電的最有效措施。為什么?還是一句話,閉環(huán)路小了。

提問:另外電路方面有很多問題。

馬永?。喝绻a(chǎn)品已經(jīng)出來了就得想辦法在端口上加TPS管,加磁珠。要看產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)到底是怎么樣的。

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