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關(guān)于EMC電磁兼容的設(shè)計(jì)及測試技巧

針對當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境,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了電磁干擾的來源,總結(jié)了電磁兼容設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

目前,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)境和電磁環(huán)境對電子設(shè)備的影響,從設(shè)計(jì)開始,整合電磁兼容設(shè)計(jì),使電子設(shè)備工作更加可靠。

電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括浪涌(沖擊)抗擾性、振鈴波浪涌抗擾性、電快速瞬變脈沖群抗擾性、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾性、工頻電源諧波抗擾性、靜電抗擾性、射頻電磁場輻射抗擾性、工頻磁場抗擾性、脈沖磁場抗擾性、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾性等。


主要形式的電磁干擾:

電磁干擾主要通過傳導(dǎo)和輻射進(jìn)入系統(tǒng),影響系統(tǒng)工作,其他方法包括共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。

傳導(dǎo):傳導(dǎo)耦合是指通過導(dǎo)電媒體將一個(gè)電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)上,這是一個(gè)較低部分(低于30mHz)。傳導(dǎo)耦合通常包括電源線、信號線、互連線、接地導(dǎo)體等。

輻射:通過空間將一個(gè)電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)上,這是一個(gè)更頻繁的部分(超過30MHz)。輻射通過空間傳輸,引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是由各種導(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通過公共阻抗時(shí),它們會相互干擾。通過這種方式在電源線和接地導(dǎo)體上的騷擾電流引入敏感電路。

感應(yīng)耦合:通過互感原理,將電信號傳輸?shù)揭粋€(gè)電路中,感應(yīng)到另一個(gè)電路對其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)。

對于這些方式的干擾,我們應(yīng)該采取相應(yīng)的對策:過濾器(如我們設(shè)計(jì)的每個(gè)IC的標(biāo)題電容器),減少天線效應(yīng)(如接近地線的信號)。屏蔽和接地等措施可以大大提高產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力,也可以有效地減少外部電磁干擾。


電磁兼容設(shè)計(jì):

對于新項(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。考慮到設(shè)計(jì)中的電磁兼容設(shè)計(jì),不會返工,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)的效率。

一個(gè)項(xiàng)目需要通過需求分析,從研發(fā)到投放市場。項(xiàng)目審批。項(xiàng)目總結(jié)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)。樣品試驗(yàn)。功能測試。電磁兼容性測試。項(xiàng)目生產(chǎn)。投放市場等階段。

在需求分析階段,應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品市場分析?,F(xiàn)場研究,挖掘項(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,現(xiàn)場調(diào)查安裝位置,安裝空間是否有限,工作環(huán)境是否特殊,是否有腐蝕。濕度。高溫等,周圍設(shè)備的工作,是否有惡劣的電磁環(huán)境,是否有限等設(shè)備,產(chǎn)品開發(fā)的成功是否能大大提高生產(chǎn)效率,或者是否能給人們的生活或工作環(huán)境帶來極大的便利,操作和使用是否容易被人們接受,這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品滿足現(xiàn)場功能的需要。操作方便,最后整理詳細(xì)的需求分析報(bào)告,供需求評估。

經(jīng)企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人審核后,完善需求分析報(bào)告,然后進(jìn)行項(xiàng)目審批。項(xiàng)目審批需要成立項(xiàng)目組,將軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測試等人員安排到項(xiàng)目組,分配各自的職責(zé)。項(xiàng)目開發(fā)的下一階段是項(xiàng)目總體設(shè)計(jì),將項(xiàng)目分解成多個(gè)功能模塊,利用WBS分解結(jié)構(gòu)細(xì)化項(xiàng)目功能分解,根據(jù)工作量安排時(shí)間,安排具體人員。整理項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)報(bào)告,對項(xiàng)目進(jìn)行總體評價(jià),確定電源類型、電源分布、電源隔離濾波模式、系統(tǒng)接地模式、產(chǎn)品屏蔽、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)、屏蔽底盤外殼、信號類型分析、雷電、靜電、群脈沖等干擾。

產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)報(bào)告出來后,應(yīng)由相關(guān)人員進(jìn)行評審,分析實(shí)施方法是否合理,實(shí)施方案是否可行。評審人員應(yīng)提供評審報(bào)告。項(xiàng)目組結(jié)合評審報(bào)告修改概要設(shè)計(jì)后,進(jìn)入產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。本階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計(jì)。PCB設(shè)計(jì)。PCB采購和焊接。軟件編寫。功能調(diào)試,原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電磁兼容性的影響,增加板電源的濾波電容,增加信號接口部分的濾波電路,根據(jù)信號類型選擇合適的濾波電路。如果信號為低頻型號,應(yīng)選擇低通濾波電路,計(jì)算適當(dāng)?shù)慕刂诡l率,并選擇相應(yīng)的電阻。電容器等。此外,接口部分設(shè)計(jì)了大電流泄漏電路和防雷裝置,以實(shí)現(xiàn)第三級防雷。


一、組件選型:

我們常用的電子設(shè)備主要包括有源設(shè)備和無源設(shè)備。有源設(shè)備主要指IC和模塊電路,無源設(shè)備主要指電阻、電容、電感等元件。以下是這兩種組件的選擇。介紹電磁兼容性中應(yīng)考慮的問題。

EMC選型有源器件。

工作電壓寬的EMC具有良好的特性,工作電壓低的EMC具有良好的特性,在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)延遲較大(通常速度較慢),靜態(tài)電流較小,功耗較小,貼片包裝設(shè)備的EMC性能優(yōu)于插件設(shè)備。

無源設(shè)備選型。

在我們的應(yīng)用中,無源設(shè)備通常包括電阻、電容、電感等,對于無源設(shè)備的選擇,要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。

無源設(shè)備在某些頻率下會表現(xiàn)出不同的特性。有些電阻在高頻時(shí)具有電感特性,如線繞電阻、電解電容低頻特性好、高頻特性差、膜電容和瓷電容高頻特性好,但容量通常較小??紤]到溫度對部件的影響,根據(jù)設(shè)計(jì)原理選擇各種溫度特性的部件。


二、印刷板設(shè)計(jì):

印刷板設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮干擾對系統(tǒng)的影響,嚴(yán)格分離電路模擬部分和數(shù)字部分的電路,重點(diǎn)保護(hù)核心電路,包圍系統(tǒng)接地線,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(jì)隔離電源,分析容易干擾的部分(如時(shí)鐘電路、通信電路等)和容易干擾的部分(如模擬采樣電路等)。對干擾元件采取抑制措施,對敏感元件采取隔離和保護(hù)措施,并在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計(jì)中,還應(yīng)注意遠(yuǎn)離印刷板邊緣的元件放置,有利于保護(hù)空氣放電。

采樣電路原理圖設(shè)計(jì)見圖1:


國產(chǎn)電磁兼容儀器設(shè)備

圖1.采樣電路設(shè)計(jì)


電路的合理布局可以減少干擾,提高電磁兼容性。根據(jù)電路的功能,分析各模塊的干擾源和敏感信號,進(jìn)行特殊處理。

印刷板布線時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

1.保持環(huán)路面積最小,如電源與地面之間形成的環(huán)路,減少環(huán)路面積,減少電磁干擾在電路上的感應(yīng)電流,電源線盡可能靠近地線,減少模具差輻射的環(huán)路面積,減少干擾對系統(tǒng)的影響,提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)導(dǎo)線緊密放置在一起,用粗導(dǎo)線連接,信號線靠近地平面布線可以減少干擾。在電源和地面之間增加高頻濾波器電容器。

2.盡量縮短導(dǎo)線長度,減少印刷板面積,減少導(dǎo)線干擾。

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,方便干擾信號泄漏。

4.遠(yuǎn)離機(jī)箱面板、把手、螺釘?shù)瓤赡芊烹姷碾娮釉?,保持外殼與地面的良好接觸,為干擾提供良好的排放通道。處理敏感信號,減少干擾。

5.盡量使用貼片組件,貼片組件的電磁兼容性比直接插件要好得多。

6.在PCB與外界的連接處模擬和數(shù)字接地。

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應(yīng)布置在遠(yuǎn)離連接器的地方,中速邏輯電路應(yīng)布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

8.電路板上的印刷線寬度不得突變,拐角應(yīng)為弧形,不得為直角或尖角。

9.時(shí)鐘線.信號線盡量靠近地線,線路不宜過長,以減少回路的環(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,很好地對系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽,降低外界電磁干擾對系統(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、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線,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,主要是對電路的一種保護(hù)措施。參考地主要是信號地和電源地,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,但對高頻信號存在較大的地阻抗。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),對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地,對系統(tǒng)中高頻部分采用多點(diǎn)接地。

信號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、靜電放電抗擾度檢測

參與了幾個(gè)項(xiàng)目的靜電抗擾度檢測,對靜電有一定認(rèn)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(shí)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(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),對靜電積累的電荷進(jìn)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(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(jìn)行防護(hù)。

3、雷擊浪涌抗擾度檢測

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(jì)要按照三級防雷設(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-PH385),可以對系統(tǒng)的電源進(jìn)行一級防護(hù),電源經(jīng)過電源防雷后,進(jìn)入隔離變壓器,隔離變壓器可以對電磁干擾信號進(jìn)行較好的防護(hù),抑制其對系統(tǒng)的影響。后進(jìn)入U(xiǎn)PS,UPS可以濾除一部分干擾信號,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。

信號防雷是對系統(tǒng)的信號通路進(jìn)行防護(hù),主要涉及的是板級設(shè)計(jì),在板級設(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,對后級電路起到保護(hù)作用。而后信號進(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,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)較寬的信號范圍,信號正常波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)正常工作。


國產(chǎn)電磁兼容儀器設(shè)備

圖2.系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)示例


4、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測

射感試驗(yàn)可能會對顯示信號、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,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)對信號線、電源進(jìn)行干擾,3級強(qiáng)度是10V/m。

射感防護(hù)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(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,對企業(yè)的效益、產(chǎn)品的推廣起到積極的作用。


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