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電磁兼容EMC產(chǎn)生的原因以及預防措施(一)
電磁兼容設計主要包含浪涌(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(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(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場(chǎng)感應的傳導抗擾度等相關(guān)設計。
電磁干擾的主要形式
電磁干擾主要是通過(guò)傳導和輻射方式進(jìn)入系統,影響系統工作,其他的方式還有共阻抗耦合和感應耦合。
傳導:傳導耦合即通過(guò)導電媒質(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)品中傳導耦合的途徑通常包括電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、互連線(xiàn)、接地導體等。
輻射:通過(guò)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(guò)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線(xiàn)形成的天線(xiàn)效應。
共阻抗耦合:當兩個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)出現的相互干擾。在電源線(xiàn)和接地導體上傳導的騷擾電流,多以這種方式引入到敏感電路。
感應耦合:通過(guò)互感原理,將在一條回路里傳輸的電信號,感應到另一條回路對其造成干擾。分為電感應和磁感應兩種。
對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策:傳導采取濾波(如我們設計中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用),輻射干擾采用減少天線(xiàn)效應(如信號貼近地線(xiàn)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。
電磁兼容設計
對于一個(gè)新項目的研發(fā)設計過(guò)程,電磁兼容設計需要貫穿整個(gè)過(guò)程,在設計中考慮到電磁兼容方面的設計,才不致于返工,避免重復研發(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)項目從研發(fā)到投向市場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)需求分析、項目立項、項目概要設計、項目詳細設計、樣品試制、功能測試、電磁兼容測試、項目投產(chǎn)、投向市場(chǎng)等幾個(gè)階段。
在需求分析階段,要進(jìn)行產(chǎn)品市場(chǎng)分析、現場(chǎng)調研,挖掘對項目有用信息,整合項目發(fā)展前景,詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境,實(shí)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?chē)O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(lái)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(mǎn)足現場(chǎng)功能需要、易于操作等,*后要整理詳細的需求分析報告,以供需求評審。
經(jīng)過(guò)企業(yè)內部相關(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、結構、測試等人員安排到項目組中,分配各自的職責。項目開(kāi)發(fā)的下一階段是項目概要設計,將項目分解成多個(gè)功能模塊,運用WBS分解結構對項目進(jìn)行功能分解細化,根據工作量安排時(shí)間,安排具體人員。整理項目概要設計報告,總體對項目進(jìn)行評估,確定使用電源類(lèi)型,電源分布情況,電源隔離濾波方式,系統接地方式,產(chǎn)品屏蔽,產(chǎn)品結構采用屏蔽設計,采用屏蔽機箱機殼,分析信號類(lèi)型,對雷電、靜電、群脈沖等干擾采取防護措施。
產(chǎn)品概要設計報告出來(lái)后要經(jīng)過(guò)相關(guān)人員評審,分析實(shí)現方式是否合理,實(shí)施方案是否可行,由評審人員給出評審報告,項目組結合評審報告對概要設計進(jìn)行修改后,進(jìn)入產(chǎn)品詳細設計階段,這階段的內容包括原理圖設計、PCB設計、PCB采購及焊接、軟件編寫(xiě)、功能調試等過(guò)程,原理圖設計應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,根據信號類(lèi)型,選擇合適的濾波電路,若信號為低頻型號,應選擇低通濾波電路,計算合適的截至頻率,選擇對應的電阻、電容等。另對接口部分設計大電流泄放回路,設置防雷器件,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(wú)源器件兩種類(lèi)型,有源器件主要指IC和模塊電路等器件,無(wú)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(lèi)型元件的選型、在電磁兼容方面要考慮的問(wèn)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,在設計允許的范圍內延時(shí)大(通常所說(shuō)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(wú)源器件選型
無(wú)源器件在我們的應用中通常包括電阻、電容、電感等,對于無(wú)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。
無(wú)源器件在某些頻率下,會(huì )表現出不同特性,一些電阻在高頻時(shí)擁有電感的特性,如線(xiàn)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,根據設計原理,選用各種溫度特性的器件。
二、印制板設計
印制板設計時(shí),要考慮到干擾對系統的影響,將電路的模擬部分和數字部分的電路嚴格分開(kāi),對核心電路重點(diǎn)防護,將系統地線(xiàn)環(huán)繞,并布線(xiàn)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,設計隔離電源,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),對這兩種類(lèi)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(kāi)距離。在板級設計時(shí),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。
圖1:采樣電路設計。
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(gè)功能模塊,分析每個(gè)模塊的干擾源與敏感信號,以便進(jìn)行特殊處理。
印制板布線(xiàn)時(shí),需要注意以下幾個(gè)方面:
1、保持環(huán)路面積*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電流,電源線(xiàn)盡可能靠近地線(xiàn),以減小差模輻射的環(huán)面積,降低干擾對系統的影響,提高系統的抗干擾性能。并聯(lián)的導線(xiàn)緊緊放在一起,使用一條粗導線(xiàn)進(jìn)行連接,信號線(xiàn)緊挨地平面布線(xiàn)可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。
2、使導線(xiàn)長(cháng)度盡可能的縮短,減小了印制板的面積,降低導線(xiàn)上的干擾。
3、采用完整的地平面設計,采用多層板設計,鋪設地層,便于干擾信號泄放。
4、使電子元件遠離可能會(huì )發(fā)生放電的平面如機箱面板、把手、螺釘等,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、高速邏輯電路應靠近連接器邊緣,低速邏輯電路和存儲器則應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(xiàn)寬度不要突變,拐角應采用圓弧形,不要直角或尖角。
9、時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)也盡可能靠近地線(xiàn),并且走線(xiàn)不要過(guò)長(cháng),以減小回路的環(huán)面積。[!--empirenews.page--]
三、系統布線(xiàn)設計
印制板設計出來(lái)后,進(jìn)行試制,焊接調試,系統裝機,考慮電磁兼容設計因素,機柜結構、線(xiàn)纜設計需要注意以下幾個(gè)方面:
1、機柜選用電磁屏蔽柜,具有良好的屏蔽性能,很好地對系統進(jìn)行屏蔽,降低外界電磁干擾對系統的影響。
2、總電源進(jìn)線(xiàn)選用屏蔽電源線(xiàn),并加磁環(huán),屏蔽層在進(jìn)入機柜處360度接地。
3、對系統外部信號線(xiàn)選用屏蔽線(xiàn),屏蔽層機柜入口處良好接地。
4、設備外殼就近接機柜,避免交叉。
5、系統設置隔離變壓器和ups,保證系統供應純凈電源。
6、嚴格將電源線(xiàn)和信號線(xiàn)分開(kāi),設備外殼的各個(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 )影響到系統的正常工作。
四、系統接地設計
接地是*有效的抑制騷擾源的方法,可解決50%的EMC問(wèn)題。系統基準地與大地相連,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(xiàn)的概念
**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(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)品穩定可靠工作提供參考電平,為電源和信號提供基準電位。
**接地是為了當出現一些電氣異常時(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措施。參考地主要是信號地和電源地,是保證電路實(shí)現功能的基礎。
2、接地方式
懸浮接地 對一個(gè)獨立的與外部沒(méi)有接口的系統來(lái)說(shuō)一般也沒(méi)有什么問(wèn)題,但是如果該系統與其他的系統之間存著(zhù)接口如通訊口和采樣線(xiàn),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(lèi)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f》10MHz時(shí)會(huì )采用多點(diǎn)接地。設備中的電路都就近以接地母線(xiàn)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(méi)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(xiàn)可以很短,提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據實(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),對系統中的低頻部分采用單點(diǎn)接地,對系統中高頻部分采用多點(diǎn)接地。
信號線(xiàn)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(chǎng)屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地,低頻磁場(chǎng)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(cháng)的間隔接地。
系統做到良好接地,才能有效的抑制電磁干擾,一個(gè)大的系統機柜首先要保證每個(gè)面接觸良好,接觸緊湊,其次是機柜內部設備要就近接地,避免二次干擾,就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線(xiàn)要進(jìn)行環(huán)接,再就近接機架。機柜下方設置接地銅排,系統總地線(xiàn)選用銅帶比較好,對電磁干擾進(jìn)行很好的泄放,保證了系統的正常運行。