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电磁兼容性设计要点

核心提示: 电子、电气产品电磁兼容性设计的目的,是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障,并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说,首先要根据有关标准和规范,把整个产品

 

电子、电气产品电磁兼容性设计的目的,是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障,并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说,首先要根据有关标准和规范,把整个产品的电磁兼容性指标要求,细分成产品级的、模块级的、电路级的、元器件级的指标要求;然后,按照各级要实现的功能要求和电磁兼容性指标要求,逐级进行设计,采取一定的防护措施等。做好产品电磁兼容性设计应注意以下一些问题:

一、尽早进行电磁兼容性设计

经验证明,如果在产品开发阶段解决兼容性问题所需费用为1,那么,等到定型后再想办法解决,费用将增加10倍;若到批量生产后再解决,费用将增加100倍;若到用户发现问题后才解决,费用可能到达1000倍。这就是说如果在产品的开发阶段,同时进行电磁兼容性设计,就可以把80—90%的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。那种不顾电磁兼容性,只按常规进行产品设计,然后对样品进行电磁兼容性技术测试,发现问题再进行补救的做法,非但在技术上会造成很大问题,而且还会造成人力、财力的极大浪费,这是种非常冒险的做法。所以,对于任何一种产品,尽早进行电磁兼容性设计都是非常必要的。

二、有源器件选择与电子电路分析

  在完成产品的电路功能设计后,应对各有源器件和电子电路进行仔细分析,特别注意分析那些容易产生骚扰或容易受到骚扰的器件和电路。一般来说,高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路和一些含有电接点的电器等,都是潜在的电磁骚扰源,这些电路以及微处理器、低电平模拟电路等也很容易被骚扰而产生误动作;组合逻辑电路、线性电源及功率放大器等,则不易受到骚扰的影响。
  模拟电路具有一定的接收频带宽度,如果电磁骚扰的有效频带全部或部分地落在模拟电路的接收带宽内,则骚扰就被接收并迭加在有用信号上,与之一起进入模拟电路,当骚扰与有用信号相比足够大时、就会影响设备的正常工作。一些频带宽度达几兆赫的视频电路通常还同时成为骚扰源;模拟电路的高频振荡也将成为骚扰源,因此要正确选择相位和反馈,以避免振荡。
  数字电路工作在脉冲状态,其高频分量可延伸到数百兆赫以上。另一方面,外来骚扰脉冲很容易使数字电路误触发。所以,数字电路既是骚扰源,又容易受到骚扰。选用较低的脉冲重复频率和较慢的上升/下降沿,将降低数字电路产生的电磁骚扰。由于只有当骚扰脉冲的强度超过一定容许程度后,才能使数字电路误触发,这种容许程度就是敏感度门限,包括直流噪声容限、交流噪声容限和噪声能量容限。CMOSHTL电路具有效高的噪声容限,应优选使用。
  在对有源器件技电磁骚扰发射特性和敏感特性进行筛选,并对电子电路进行改进后,应对骚扰源电路,易受骚扰影响的电路进行分类和集中,以减小相互影响和便于采取防护措施。

三、印制电路板设计

  数字电路是一种最常见的宽带骚扰源,而瞬态地电流和瞬态负载电流是传导骚扰和辐射骚扰的初始源,必须通过印制电路板设计予以减小。
  当数字电路工作时,其内部的门电路将发生高低电压之间的转换,在转换的过程中,随着导通和截止状态的变换,会有电流从电源流入电路,或从电路流入地线,从而使电源线或地线上的电流产生不平衡而发生变化,这就是瞬态地电流,亦称ΔI噪声电流。由于电源线和地线存在一定电阻和电感,其阻抗是不可忽略的,ΔI噪声电流将通过阻抗引发电源电压的波动,即ΔI噪声电压,严重时将干扰其它电路或芯片的工作。为此,应尽量减小印制板地线和电源线的引线电感,如果使用多层板中的一层作为电源层,另选合适的一层作为接地层,ΔI噪声电压将减至最小。例如,当脉冲电流的变化为30mA,前后沿为3ns,则噪声带宽可达100MHz,对于长为100mm,宽为1mm,厚为0.03mm的地线,其阻抗可达72.5ΩΔI限声电压为2.1V;若采用多层板的接地层,阻抗仅为3.72mΩΔI噪声电压可降至100μV,对其它电路或芯片的工作几乎不发生影响。当然,如果在印制板上安装去耦电容来提供一个电流源,以补偿数字电路工作时所产生的ΔI噪声电流,将会取得更好的效果。
  瞬态负载电流是由于门电路驱动线对地电容和门电路输入电容在数字电路转换时所产生的瞬变电流。驱动线对地电容在单面板条件下为0.1pF0.3pFcm,多层板为0.3pFlpFcm。例如,脉冲前后沿为3ns,电压变化为3.5V,驱动线对地电容为0.3pF,驱动容器输入端数为5,单门输入电容为5pF,则瞬态负载电流为

   瞬态负载电流与瞬态地电流复合后构成传导骚扰和辐射骚扰。所以应尽量缩短驱动线的长度和选用单门输入电容小的门电路。
  为了控制印制电路板的差模辐射,还应将信号和回线紧靠在一起,减小信号路径形成的环路面积。因为信号环路的作用就相当于辐射或接收磁场的环天线。共模辐射是由于接地面存在地电位造成的,这个地电位就是共模电压。当连接外部电缆时,电缆被共模电压激励形成共模辐射。控制共模辐射,首先要减小共模电压,例如采用地线网络或接地平面,合理选择接地点;其次可采用板上滤波器或滤波器连接器滤除共模电流;也可以采用屏蔽电缆抑制共模辐射,但应注意使屏蔽层与屏蔽机箱构成完全的屏蔽体,才能取得较好的效果。当然,降低信号频率和电平也是减小辐射的重要措施。为了减小印制板导线的辐射,设计时还应满足20H准则,这里,H是双面板的厚度,即元件面应比接地面缩小20H宽度,避免因边缘效应引起的辐射。高频或高速电路还应满足2W准则,这里,W是印制板导线的宽度,即导线间距不小于两倍导线宽度,以减小串扰。此外,导线应短、宽、均匀、直,如遇转弯,应采用45°角,导线宽度不要突变,不要突然拐角。
  应当注意,单面板虽然制造简单、装配方便,但只适用于一般电路要求,不适用于高组装密度或复杂电路的场合;而双面板适用于只要求中等组装密度的场合。因此应当优选多层板,并将数字电路和模拟电路分别安排在不同层内,电源层应靠近接地层,骚扰源应单独安排一层,并远离敏感电路,高速、高频器件应靠近印制板连接器。
  有源器件选择与电子电路分析以及印刷电路板设计,是使产品达到电磁兼容性指标要求的关键,必须予以足够的重视。完成印制电路板设计后,应使得板上各部分电路都能正常工作.相互之间不会产生骚扰,并能减小电磁骚扰发射,提高抗扰性。

四、地线设计

  地线设计是最重要的设计,往往也是难度最大的一项设计。地线可以定义为信号流回源的低阻抗路径,它可以是专用的回线,也可以是接地平面,有时也可以采用产品的金属外壳。理想的应是零电阻的实体,各接地点之间没有电位差。但在实际产品内,这种是不存在的,任何地线既有电阻又有电扰,当有电流通过时,必然产生压降,使地线上的电位如同大海中的波浪一样,此起彼伏,并非处是零电位,两个不同的接地点之间就存在地电压。因此,当电路多点接地、并且电路间有信号联系时,就将构成地环路干扰电压,并在信号连线中产生共模电流,叠加在有用信号上一起加到负载端,由于电路的不平衡性,每根连线上的电流不同,还会转换成差模干扰电压,对电路造成干扰。为了减小地环路干扰,一般可采用切断地环路的方法。例如,将一则电路板的信号地线与机壳地绝缘,形成浮地。但这样做仅在低频时有效,当频率较高时,电路板与机壳之间的分布电容仍有可能构成地环路。此外,可以用平衡电路代替不平衡电路,使电路间信号连线上的共模电流相等,而不会转换成差模干扰电压。也可以在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等,均可取得一定效果。目前流行的方法是在屏蔽机壳上安装滤波器连接器,由于它的每根插针或每个插扎上都装有一个低通滤波器,可以有效地滤除因地环路干扰引起的高频共模电流。此外,在两个电路之间的连线或电缆上套以铁氧体磁环,也可以有效地滤除高频共模干扰。
  大型复杂的产品中往往包含多种电子电路以及各种电机、电器等骚扰源,这时地线设计需按以下步骤进行:
  1.分析产品内各电路单元的工作电平、信号类型等骚扰特性和抗骚扰能力;
  2.将地线分类,例如分为信号地线、骚扰源地线、机壳地线等,信号地线还可分为模拟地线和数字地线等;
  3.画出总体布局图和地线系统图。

五、综合使用接地、屏蔽、滤波等措施

  要有效地抑制电磁骚扰,必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施。
  静电屏蔽的必要条件是屏蔽体接地。为了同时屏蔽磁场和高频电场,当然,也应将屏蔽体接地。而电磁屏蔽则是用屏蔽体阻止电磁波在空间传播的一种措施,为了避免因电磁感应引起屏蔽效能下降,屏蔽体也应接地。同时,为了避免地电压在屏蔽体内造成干扰,还应当单点接地。
  屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜,即屏蔽层。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的,而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说,屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如,骚扰源电路的导线对敏感电路的单芯屏蔽线的骚扰,是通过骚扰源导线与单芯屏蔽线屏蔽层间的耦合电容,以及屏蔽层与芯线间的耦合电容实现的。如果把屏蔽层接地,则骚扰被短路至地,不能再耦合到芯线上,屏蔽层起到了屏蔽作用。但电缆用于磁场屏蔽时则要求屏蔽层两端接地。对于低频电路,可单端接地,例如,不接地的信号源通过电缆与公共端接地的放大器相连,则电缆屏蔽层应接在该公共端;当信号源公共端接地,放大器不接地时,屏蔽层应接信号源公共端。对于高频电路,应双端接地,而且当电缆长于120波长时,应每隔110波长距离接一次地。屏蔽层接地的方法是使屏蔽层与连接器屏蔽外壳呈360度良好焊接,避免辫接;电缆芯线和连接器插针或插孔焊接;同时,将连线器屏蔽外壳与屏蔽机壳严密相连,使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸,才能取得良好的屏蔽效果。由此可见,屏蔽与接地是有密切关系的。
  我们知道,电磁骚扰入侵屏蔽体的主要途径是IO接口和电源线输入口。实际上,屏蔽体内部的电磁骚扰可以耦合到连接IO接口的导线或电缆以及电源线上,并产生骚扰电流,传导到屏蔽体外,造成传导骚扰和辐射骚扰;同样,外界电磁骚扰也可以通过连接到IO接口的导线或电缆以及电源线传导进入屏蔽体,或通过电磁感应产生骚扰电流进入屏蔽体,同时又对屏蔽体内造成辐射骚扰。为了抑制骚扰电流流入或流出,位屏蔽体保持较高的屏蔽效能,可以在IO接口和电源线输入口分别采用滤波器连接器或馈通滤波器。此外,屏蔽体上安装的蜂窝状通风板是由截止波导管组成的高通滤波器,当面板上需要穿过可调器件的非金属轴杆时,也可以将轴杆穿过截止波导管。用导电玻璃制成的屏蔽视窗,实质上也是高通滤波器。由此可见,为了保证屏蔽效能,屏蔽与滤波是密切相关的。
  除了特别说明允许不接地的滤波器外,各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只在接地时才能有作用。特别是л型滤波器,当接地不良时,等于将电容和电感并联,完全失去了滤波作用。此外,安装滤波器时,还应借助于屏蔽,将输入端和输出端完全隔离,才能发挥滤波器的抑制作用。所以滤波与接地、屏蔽都有密切的关系。
  产品的电磁兼容性设计从表面上看好象很复杂,不知从何下手。但如果能注意以上几个问题,正确运用防护措施,任何复杂的电磁兼容性设计难题都是可以迎刃而解的。

              

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