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    深度剖析电磁兼容性原理、方法及设计

    发布时间:2018-04-09 来源:Eefocus 责任编辑:lina

    【导读】电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

    什么是电磁兼容

    电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。
     
    电磁兼容的主要研究对象
     
    ①各种人为噪声,如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体开台时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。
    ②共用走廊内各种公用事业设备(输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等)相互间的影响。
    ③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引起的反射问题。
    ④电磁环境对人类及各种生物的作用。其中包括强电线等工频场,中、短波及微波电磁辐射的影响。
    ⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机及报系统。
    ⑥探谱(TEMPEST)技术。其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题,从信息接收和防护两方面所开展的一系列研究工作。
    ⑦电子设备的误动作。为了防止误动作,必须采取措施以提高设备的抗干扰能力。
    ⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源,但不是消耗性的,既要科学地管理,又要充分地利用。
    ⑨电磁兼容与测量。
    ⑩自然界影响等。
     
     
    提高电磁兼容性的措施

    ①使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统,也可防止本系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性,对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理,屏蔽体要有可靠的接地。
    ②设计合理的接地系统,小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地,接地电阻尽可能小。
    ③使用合适的滤波技术,滤波器的通带经过合理选择,尽量减小漏电损耗。
    ④使用限幅技术,限幅电平应高于工作电平,并且应双向限幅。
    ⑤正确选用连接电缆和布线方式,必要时可用光缆代替长电缆。
    ⑥采用平衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术,
    ⑦系统频率分配要恰当。当一个系统中有多个主频信号工作时,尽量使各信号频率避开,甚至避开对方的谐振频率。
    ⑧共用走廊的各种设备,在条件许可时,应保持较大的隔距,以减轻相互之间的影响。
     
    电磁兼容性设计的基本原理

    1.接地
    接地是电子设备的一个很重要问题。接地目的有三个:
    (1)接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定地干作。
    (2)防止外界电磁场的干扰?;墙拥乜梢允沟糜捎诰驳绺杏Χ墼诨巧系拇罅康绾赏ü蟮匦狗?,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外,对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。
    (3)保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电事故发生。此外,很多医疗设备都与病人的人体直接相连,当机壳带有110V或220V电压时,将发生致命危险。
     
    因此,接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面,是电路或系统的基准电位,但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全,电子设备的机壳和机房的金属构件等,必须与大地相连接,而且接地电阻一般要很小,不能超过规定值。
     
    电路的接地方式基本上有三类,即单点接地、多点接地和混合接地。单点接地是指在一个线路中,只有一个物理点被定义为接地参考点。其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。多点接地是指某一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上,以使接地引线的长度最短。接地平面,可以是设备的底板,也可以是贯通整个系统的地导线,在比较大的系统中,还可以是设备的结构框架等等。
     
    混合接地是将那些只需高频接地点,利用旁路电容和接地平面连接起来。但应尽量防止出现旁路电容和引线电感构成的谐振现象。
     
    2.屏面
    屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲,就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。
     
    因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波)的作用,所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。
     
    屏蔽体材料选择的原则是
    (1)当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率(高电导率)的金属材料中产生的涡流(P=I2R,电阻率越低(电导率越高),消耗的功率越大),形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。
    (2)当干扰电磁波的频率较低时,要采用高导磁率的材料,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去。
    (3)在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
     
    3.其它抑制干扰方法
    (1)滤波
    滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。
     
    滤波器可以显着地减小传导干扰的电平,因为干扰频谱成份不等于有用信号的频率,滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力,从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以,采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合,或是增强接收设备的抗干扰能力,都是有力措施。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开,消除电路之间的耦合,并避免干扰信号进入电路。对高频电路可采用两个电容器和一个电感器(高频扼流圈)组成的CLCMπ型滤波器。滤波器的种类很多,选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。
     
    (2)正确选用无源元件
    实用的无源元件并不是“理想”的,其特性与理想的特性是有差异的。实用的元件本身可能就是一个干扰源,因此正确选用无源元件非常重要。有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。
     
    (3)电路技术
    有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制和防止干扰的要求,可以结合屏蔽,采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路,对地或对其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所检拾到的干扰信号相等。这时的干扰噪声是一个共态信号,可在负载上自行消失。另外,还可采用其它一些电路技术,例如接点网络,整形电路,积分电路和选通电路等等。总之,采用电路技术也是抑制和防止干扰的重要措施。
     

     
    1、电磁兼容的分层设计原则
     
    这主要是按照电磁兼容设计的先后顺序来考虑的,从先到后可分为以下几层:
    (1)元器件的选择和PCB设计,这是关键的;
    (2)接地设计,这是主要的手段。以上两层如果设计的好,可完成电磁兼容的80%以上的工作。
    (3)屏蔽设计;
    (4)滤波设计和瞬态骚扰抑制。以上两层是辅助手段,多为事后补救措施,也是我们最不提倡的。
    (5)可根据实际电路需要,结合以上几层来综合设计。
     
    2、保证电磁兼容的方法

    主要根据构成干扰的三要素从下几方面来保证电磁兼容。
     
    2.1在不同等级上保证电磁兼容

    1)从元器件级上来说,当是无源元件时,考虑
     
    (1)工作频带以外的元件参数与工作频带上的有很大的区别;
    (2)插件元件的末端引线有电感存在,当高频时这个电感易发生电磁兼容问题;
    (3)元件有寄生电容,寄生电感,在电路上表现为分布参数,在分析电路时也要考虑由它带来的等效电路。当是有源元件时,工作中产生的电磁辐射也会以传导电流的方式成为干扰源,当是非线性元件时还可能发生频谱成分的变化,这种变化也会引起干扰。
     
    2)从设备级上来说,主要是保证减少对敏感设备的耦合,可考虑
     
    (1)增加脉冲前沿时间以减少干扰的频宽;
    (2)消除电路中震荡器产生的谐波及信号的谐波;
    (3)限制干扰辐射或消除干扰的传播途径。
     
    3)从系统级上来说,主要是靠组织或系统工程的方法来保证,因为有可能在单个设备上的电磁兼容得到了改善,但同时却影响了其它设备的工作条件,使得其它设备的性能指标变坏,此时需要从系统上折中考虑,另外,重要的一点是电磁兼容设计必须得到系统总体设计的高度重视。
     
    2.2减小导线之间的耦合

    主要是从增大导线之间的距离,使用屏蔽,使用双绞线或使用屏蔽加双绞这几个方面来考虑。
     
    2.3接地

    主要应考虑
    (1)接地导线及公共线的阻抗应最小,最好小于产品最高工作频率的λ/20以内;
    (2)接地导线应采用横截面为管形的接地线;
    (3)可靠接地,并防止连接点形成氧化层;
    (4)使用一点并联接地(低频用)或者多点接地(高频用)。
     
    2.4屏蔽
    当是低频磁场时,主要考虑磁屏蔽,当屏蔽层越厚,材料导电率越高,屏蔽效能越好;当是高频磁场、电场或电磁场时,主要考虑用薄金属屏蔽并良好接地。另一个值得注意的是在线缆制作时,要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有?360度的完整搭接,不能出现“猪尾巴”现象,否则效果大大打折扣。
     
    2.5滤波

    主要考虑
    (1)抑制工作频带以外的干扰;
    (2)在信号电路中用吸收滤波器消除无用的频谱成分;
    (3)在电源电路(尤其是开关电源中),操纵电路,控制电路,以及转换电路中消除产生的干扰。在工程实际中,一个最值得注意的地方是电源滤波器的安装,常见的滤波器的错误安装如图2所示。
     
     
    2.6电子设备的空间位置

    由于各种电子设备的接收特性以及干扰源设备的辐射特性都具有一定的方向性和一定的作用距离,可以利用这些特性适当安排电子设备在设备空间中的位置以避免干扰和被干扰,即注意确定电子设备之间的空间距离和位置的格局。
     
    3、PCB设计技术

    除了元器件的选择和电路设计外,良好的印制板(PCB)布线在电磁兼容设计中也是一个非常重要的因素。既然PCB是系统的固有成分,在PCB布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用,从这一点来说也是非常经济的。
     
    3.1注意电磁兼容设计的带宽

    在EMC中,除了基本频率外,还需考虑谐波因素,通常取十倍频,但在数字电路中却有些不同,比如在时钟电路和逻辑门电路中,辐射带宽与数字信号的上升沿或下降沿有关系,而不是数字信号的重复周期,其关系为:rtF?/1max?,其中rt是脉冲的上升沿时间。例如,典型时钟驱动的边沿速率是2ns,此时,maxF≈160MHz,再考虑十倍频,则此时钟电路可能产生直到1.6GHz的辐射带宽。所以在选择器件时要选择慢速的逻辑器件系列,因为器件对电磁辐射贡献的大小与工作频率无直接关系而只取决于边沿速率(这和从电路功能设计上选择快速器件是矛盾的,在电路设计时需要折中考虑)?;褂写悠骷目谷拍芰ι侠此?,CMOS器件是最好的,因为它的噪声容限高。从封装上来说,BGA是最好的,因为它的引线很短。脉冲信号的频谱如图3所示。
     
     
    3.2注意用于PCB电磁兼容设计的电路与电路原理图不同

    主要是由于PCB的电路原理图没有考虑电路中元件及PCB线条的分布参数,如分布电感,分布电容,分布互感,分布互电容以及传输延迟等项。例如导线在高频时等效于电感和电阻的串联??厮俣仍礁?,对负载阻抗的要求就越高,要求时钟驱动器的输出阻抗必须等于时钟线条的波阻抗,通常时钟驱动器都要加串联电阻,经验值一般为10~30Ω。
     
    3.3注意PCB布线原则
     
    (1)20-H原则,决定印制线条间的距离,表述如下:所有的具有一定电压的PCB都会向空间辐射电磁能量(如图4a),为减小这个效应,PCB的物理尺寸都应该比最靠近的接地板的物理尺寸小20H(其中H是两层PCB的间距),即3mm左右,这样可使辐射强度下降70%(如图4b)。20-H原则示意图如图4所示:
     
     
    根据工程实际经验,采用20-H规则后会大大提高PCB的自激频率。
     
    (2)3-W原则,它决定PCB的电源层与边沿的距离,表述如下:当两条印制线的间距较小时,两线之间会发生电磁串扰,从而使电路功能失常。为避免这种影响,应保持任何线条间距不小于三倍的印制线条宽度,即3W,W为印制线条宽度。印制线条的宽度取决于线条阻抗的要求。
     
    (3)保证信号在PCB上可靠的传输,确保信号的完整性。这里面主要的问题一般包括时延、阻抗不匹配、地弹跳、串音等。这不但影响到电子器件的稳定工作,还会产生电磁干扰。一般在高速逻辑设计中最容易碰到时延问题,处理不好会产生不希望的脉冲干扰。传输时延对信号的影响如图5所示。
     
     
    3.4注意确定PCB布线层数
     
    首先在设计中要有一个重要的概念,就是每个布线层最好与实平面(电源或接地)相邻。原则:
     
    (1)电源平面应靠近接地平面并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板之间的电容作电源的平滑电容,同时地平面还可以对电源面的辐射电流起到屏蔽的作用。
    (2)数字电路和模拟电路分开。数字地和模拟地之间可以不开槽,但须有一个完整的统一的地平面,且严格按数字部分和模拟部分分区。
    (3)中间层的印制线条形成平面波导,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。
    (4)电路尤其高频电路是主要的干扰和辐射源,一定要单独安排,远离敏感电路。
    (5)信号面应安排与整块金属平面相邻,这样是为了产生通量对消作用。
    (6)不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不同,布线时应区别对待。对于杂散电流可以用去耦电容,对于高频辐射电流可以通过减小回路面积。
     
    以下是常见的PCB层设计,供参考(S表示信号层,G表示地层,P表示电源层)。四层板:S1,G,P,S2
    六层板:S1,G,S2,P,G,S3
    八层板:S1,G,S2,G,P,S3,G,S4
    十层板:S1,G,S2,S3,G,P,S4,S5,G,S6(但S4对电源噪声敏感)
     
    3.5注意PCB接地设计

    1)首先,要建立分布参数的概念。高于一定频率时,任何金属导线都可看成是由电阻和电感构成的器件,所以,接地引线具有一定阻抗并且构成电气回路,不管是单点接地还是多点接地都必须构成低阻抗回路进入真正地或机架。
     
    2)接地方法
    (1)单点接地。如果元件,电路的工作频率小于1MHz时,单点接地是很好的方式,但当频率升高时,连接线电感作用突出,此时接地阻抗将升高,当接地线的长度为周期信号四分之一波长的奇数倍时,不但阻抗高,还会成为辐射电磁能量的天线。
     
    (2)多点接地。高频电路均采用多点接地,此时可使接地阻抗达到最小,可将射频电流由接地平面分流到金属地板上去,因为实体金属板有较低的电感分量会形成低阻抗回路。
    (3)数字电路应当作为高频模拟电路处理,也应该保持低电感接地,并使用高质量退耦电容(0.1uF并联0.001uF相差两个数量级)接地。
     
    (4)接地与信号回路,射频电流总要找一条道路回馈到起始点去,在电磁兼容设计中,通常总是使高速逻辑电路尽可能靠近底版,接地板安装,以便更好减少高频辐射环路。接参考地的地线长度一定要很短,短到产品最高工作频率的λ/20以内。
     
    (5)接地次序,由于一般是电源地骚扰(或噪声)最大,故它应先接到参考地(这样做的目的是让参考地先把骚扰吸收掉),然后再送到模拟地和数字地上去。
     
    3.6注意PCB中电容的设计
     
    EMC中的电容可分为退耦电容,旁路电容,和容纳电容。退耦电容主要是用来滤除高频器件在电源板上引起的辐射电流,为器件提供一个局域化的直流,还能减低印制电路中的电流冲击的峰值,通常陶瓷电容被用来作为退耦电容,其值取决于最快信号的上升时间和下降时间例如,对于33MHz的时钟信号,可以使用4.7uF到100uF的电容,对于100MHz的时钟信号,可以使用10uF的电容;另外,工程上也要考虑ESR对退耦能力的影响,一般选择ESR值低于1欧姆的电容。旁路电容能消除高频辐射噪声,通常铝电解电容和钽电容比较适合做旁路电容,其电容值取决于PCB板上的瞬态电流要求,一般在10-470uF范围内,若PCB板上有许多集成电路,高速开关电路和具有长引线的电源,则应选择大容量的电容。容纳电容是用来解决开关器件工作时电源电压会发生突降的问题。
     
    总之,选择电容时,不但应该选择温度系数好的,还要选择等效串联电感小的(小于10nH)和等效串联电阻小的(小于0.5Ω)电容。从材质上说,低于50MHz时一般选择Z5U材质,它性能稳定,介电常数大,电容容量大,大于50MHz时一般选择NPO材质,它介电常数小。通常工程上的实际做法是一大一?。ㄖ傅缛葜担┝礁龅缛莶⒘褂?。
     
    3.7注意PCB过孔的设计

    在布线时尽量少穿过孔,因为过孔阻抗和线阻抗不一样,存在阻抗突变,从而产生驻波使信号变坏,容易形成辐射,尤其是在时钟需要穿层时,要做技术处理,时钟线跨层时的处理如图6所示。

     
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