針對當前嚴峻的電磁環(huán)境,從原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、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)計的要點。
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)計開始,整合電磁兼容設(shè)計,使電子設(shè)備工作更加可靠。
電磁兼容性設(shè)計主要包括浪涌(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)電媒體將一個電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)上,這是一個較低部分(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:通過空間將一個電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)上,這是一個更頻繁的部分(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:當兩個以上不同電路的電流通過公共阻抗時,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€電路中,感應(yīng)到另一個電路對其造成干擾。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)計的每個IC的標題電容器),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:
對于新項目的研發(fā)設(shè)計過程,電磁兼容設(shè)計需要貫穿整個過程。考慮到設(shè)計中的電磁兼容設(shè)計,不會返工,避免重復(fù)研發(fā),可以縮短整個產(chǎn)品的上市時間,提高企業(yè)的效率。
一個項目需要通過需求分析,從研發(fā)到投放市場。項目審批。項目總結(jié)設(shè)計。項目詳細設(shè)計。樣品試驗。功能測試。電磁兼容性測試。項目生產(chǎn)。投放市場等階段。
在需求分析階段,應(yīng)進行產(chǎn)品市場分析。現(xiàn)場研究,挖掘項目有用信息,整合項目發(fā)展前景,詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境,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,這就要求項目產(chǎn)品滿足現(xiàn)場功能的需要。操作方便,最后整理詳細的需求分析報告,供需求評估。
經(jīng)企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負責(zé)人審核后,完善需求分析報告,然后進行項目審批。項目審批需要成立項目組,將軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測試等人員安排到項目組,分配各自的職責(zé)。項目開發(fā)的下一階段是項目總體設(shè)計,將項目分解成多個功能模塊,利用WBS分解結(jié)構(gòu)細化項目功能分解,根據(jù)工作量安排時間,安排具體人員。整理項目總體設(shè)計報告,對項目進行總體評價,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、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)計報告出來后,應(yīng)由相關(guān)人員進行評審,分析實施方法是否合理,實施方案是否可行。評審人員應(yīng)提供評審報告。項目組結(jié)合評審報告修改概要設(shè)計后,進入產(chǎn)品詳細設(shè)計階段。本階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計。PCB設(shè)計。PCB采購和焊接。軟件編寫。功能調(diào)試,原理圖設(shè)計應(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,計算適當?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)計了大電流泄漏電路和防雷裝置,以實現(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)計原理選擇各種溫度特性的部件。
二、印刷板設(shè)計:
印刷板設(shè)計時,應(yīng)考慮干擾對系統(tǒng)的影響,嚴格分離電路模擬部分和數(shù)字部分的電路,重點保護核心電路,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)計隔離電源,分析容易干擾的部分(如時鐘電路、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措施,并在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計中,還應(yīng)注意遠離印刷板邊緣的元件放置,有利于保護空氣放電。
采樣電路原理圖設(shè)計見圖1:
圖1.采樣電路設(shè)計
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,進行特殊處理。
印刷板布線時,應(yīng)注意以下幾個方面:
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,采用多層板設(shè)計,鋪設(shè)地層,方便干擾信號泄漏。
4.遠離機箱面板、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
印制板設(shè)計出來后,進行試制,焊接調(diào)試,系統(tǒng)裝機,考慮電磁兼容設(shè)計因素,機柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計需要注意以下幾個方面:
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(tǒng)進行屏蔽,降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。
2、總電源進線選用屏蔽電源線,并加磁環(huán),屏蔽層在進入機柜處360度接地。
3、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線,屏蔽層機柜入口處良好接地。
4、設(shè)備外殼就近接機柜,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、嚴格將電源線和信號線分開,設(shè)備外殼的各個面之間和各個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,不會影響到系統(tǒng)的正常工作。
四、系統(tǒng)接地設(shè)計
接地是的抑制騷擾源的方法,可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)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、地線的概念
安全接地包括保護接地和防雷接地。
保護接地為產(chǎn)品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道;
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電位。
安全接地是為了當出現(xiàn)一些電氣異常時,為大電流和高電壓提供一個泄放的回路,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,是保證電路實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。
2、接地方式
懸浮接地對一個獨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。
單點接地當f《1MHz時可以選擇單點接地,可分為并聯(lián)單點接地和多級電路串聯(lián)單點接地兩種。
并聯(lián)單點接地:每個電路模塊都接到一個單點地上,每個單元在同一點與參考點相連。
多級電路的串聯(lián)單點接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,形成一個公共點,然后將每一個公共點連接到單點地。
多點接地當f》10MHz時會采用多點接地。設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點。
單點接地各電路接在同一點,提供公共電位參考點,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)實際需要選用哪種接地方法。
混合接地是綜合單點接地與多點接地的優(yōu)點,對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點接地,對系統(tǒng)中高頻部分采用多點接地。
信號線屏蔽接地有高頻和低頻之分,高頻采用多點接地,低頻電纜采用單點接地。低頻電場屏蔽要求在接收端單點接地,低頻磁場屏蔽要求在兩端接地。多點接地,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,一個大的系統(tǒng)機柜首先要保證每個面接觸良好,接觸緊湊,其次是機柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地,避免二次干擾,就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進行環(huán)接,再就近接機架。機柜下方設(shè)置接地銅排,系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好,對電磁干擾進行很好的泄放,保證了系統(tǒng)的正常運行。
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
參與了幾個項目的靜電抗擾度檢測,對靜電有一定認識。靜電分為接觸放電和空氣放電,靜電是積累的高壓,當接觸到設(shè)備的金屬外殼時會瞬間放電,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,程序死機或重啟。
如果在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計,做靜電試驗不分擔(dān)心,通過設(shè)計,對靜電積累的電荷進行良好的泄放,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行防護。
3、雷擊浪涌抗擾度檢測
雷擊浪涌主要包含兩個方面,一個是電源防雷,一個是信號防雷。
電源防雷主要是針對系統(tǒng)級而言的,系統(tǒng)級設(shè)計要按照三級防雷設(shè)計,總電源進入端設(shè)置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH385),可以對系統(tǒng)的電源進行一級防護,電源經(jīng)過電源防雷后,進入隔離變壓器,隔離變壓器可以對電磁干擾信號進行較好的防護,抑制其對系統(tǒng)的影響。后進入UPS,UPS可以濾除一部分干擾信號,這樣電源再進入系統(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)的信號通路進行防護,主要涉及的是板級設(shè)計,在板級設(shè)計中增加防雷器件,如氣體放電管,增加TVS泄放回路,當有大電流時通過配套電阻和TVS、氣體放電管泄放,對后級電路起到保護作用。而后信號進行光電隔離,再進入系統(tǒng),系統(tǒng)可以采集到一個穩(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)計較寬的信號范圍,信號正常波動時,系統(tǒng)正常工作。
圖2.系統(tǒng)電源部分設(shè)計示例
4、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測
射感試驗可能會對顯示信號、采集驅(qū)動等造成影響,可能使顯示閃爍或黑屏,影響設(shè)備操作,可能使采集驅(qū)動工作異常,采集不到需要的信號,無法驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備。
射頻試驗是0.15k~80M頻率范圍內(nèi)對信號線、電源進行干擾,3級強度是10V/m。
射感防護的原則是將電源、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,進行試運行了,對試運行中出現(xiàn)的問題,進行匯總,以備產(chǎn)品的改進。
電子產(chǎn)品滿足相關(guān)的電磁兼容測試標準,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。