电磁兼容设计的一般准则

电磁兼容设计的一般准则1.1电子线路设计准则电子线路设计者往往只考虑产品的功能，而没有将功能和电磁兼容性综合考虑，因此产品在完成其功能的同时，也产生了大量的功能性骚扰及其它骚扰。而且，不能满足敏感度要求。电子线路的电磁兼容性设计应从以下几方面考虑：1.1.1元件选择在大多数情况下，电路的基本元件满足电磁特性的程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。选择合适的电磁元件的主要准则包括带外特性和电路装配技术。因为是否能实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。而在许多情况下，电路装配又决定着带外响应（例如引线长度）和不同电路元件之间互相耦合的程度。具体规则是：⑴在高频时，和引线型电容器相比，应优先进用引线电感小的穿心电容器或支座电容器来滤波。⑵在必须使用引线式电容时，应考虑引线电感对滤波效率的影响。⑶铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器。⑷使用寄生电感和电容量小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段。⑸大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插损，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。⑹使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插损。⑺尽量使用屏蔽的继电器并使屏蔽壳体接地。⑻选用有效地屏蔽、隔离的输入变压器。⑼用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应接地。⑽设备内部的互连信号线必须使用屏蔽线，以防它们之间的骚扰耦合。⑾为使每个屏蔽体都与各自的插针相连，应选用插针足够多的插头座。1.1.2电设计每种单元都可以描述为接收一个输入信号、并对输入信号进行加工，然后在输出端输出加工过的信号。必须考虑在输入端可能存在的不希望有的信号，也要考虑经过输入端之外的其它通路进入的无用信号。最好在输入点上处理这些无用信号。1.1.2.1电源设备电源的EMI耦合涉及对供电线上的传导发射（主电源谐波、差模或共模瞬变、无线电发射机的窄带信号）的敏感度和传导到供电线上的发射。在设备内电源广泛地同其它功能相连，一方面电源中产生的无用信号可以很容易地耦合到各功能单元中去，另一方面，一个单元中的无用信号可能通过电源的（公共阻抗）耦合到其它单元去。因此，从电磁兼容的观点出发首先要关心电源。⑴在可能的条件下，单独为各功能单元供电。⑵使用公共电源的所有电路尽可能彼此靠近。⑶使用公共电源的所有电路必须互相兼容。⑷应在交直流干线上使用电源滤波器，以防外部骚扰通过电源进入设备，防止开关瞬变和设备内部产生的其它信号进入初级电源。⑸有效隔离电源的输入和输出线及滤波器的输入和输出线。⑹对电源进行有效的电磁场屏蔽，特别是开关电源。⑺开关电源会引起高频辐射和传导骚扰，但它又有排斥电力线瞬变的优点（典型调压器则不能）。⑻整流二极管应工作在最低的电流密度上（与最大额定电流成正比）。⑼对所有电路功能状态电源都应保持低输出阻抗，即使在射频范围，输出电容也应呈现低阻抗。⑽保证稳压器有足够快的响应时间，以便抑制高频纹波和瞬变加载作用。⑾为稳压二极管提供足够的射频旁路。⑿合理屏蔽和小心地把高压电源同敏感电路隔离开。⒀电源变压器应该是对称平衡的，而不应该是功率配平的。⒁对于变压器所用铁芯材料应取其饱和磁感应强度Bm的下限值。无论什么情况下必须保证不使铁芯驱动到饱和状态。⒂变压器铁芯结构应优选D型和C型，E型最次之。⒃用静电屏蔽的电源变压器抑制电源线上的共模骚扰，多重屏蔽隔离变压器（超隔）有更好的性能。1.1.2.2控制单元⑴控制单元和设备主体往往离得较远，因此必须正确运用接地和屏蔽方法，防止构成地环路和耦合无用信号。⑵控制单元内主要的无用信号源是那些能突然断开控制信号通道的元件。如开关、继电器、可控硅整流器、开关二极管等。⑶各种产生无用信号的开关同感性负载一起运行时，就会产生严重的瞬变过程。⑷尽量减少陡峭波前瞬态过程，应限制接通和断开时通过开关的浪涌电流。⑸如果必要，可使用RC网络或二级管来抑制开关瞬变。⑹如有必要，则使用缓冲或减振器来减小继电器触点的振动。1.1.2.3放大器由于它们应用广泛，能影响无用信号的产生和耦合，所以必须对放大器提出严格的电磁兼容性设计要求。⑴放大器的布局应设计成最短的距离上传送低电平信号，否则易引入骚扰。⑵放大器占有带宽应和有用信号匹配。必须控制放大器的带外响应。带宽过宽易将无用信号放大或产生寄生振荡。⑶要注意多级放大器各级之间的去耦。⑷对所有放大器的输入端进行去耦，只让有用信号进入放大器。⑸工作频率低于1MHz的放大器，采用平衡输入式为好（特别是音频放大器）。⑹运算放大器的噪声比晶体管的噪声电平高，为21/2倍以上。⑺应将瞬时大电流负载的电源与运算放大器的电源分开，防止运算放大器电源线的瞬时欠压状态。⑻隔离放大器的输入变压器，初次级间应有效地屏蔽隔离。⑼用输入变压器来断开到远端音频输入电路的任何地环路。⑽音频输入变压器应是磁屏蔽的，以免拾取电源磁场骚扰。⑾音频放大器应该用平衡输入式，并用屏蔽双绞线对作输入信号线。⑿音频增益（音量）控制应在高增益前置放大器之后，否则控制时它的走线上的噪声和骚扰拾取电平将成为低电平输入信号的可观部分。⒀音频放大器若用开关电源，要用20KHz或更高的开关速度。1.1.2.4数字电路数字和模拟设备的发射和敏感特性不同的，一般不能用对数字信号滤波的方法来实现模拟电路电磁兼容。例如，通常产生窄带骚扰，并常常对连续波骚扰敏感；数字电路常常产生宽带骚扰，并对尖峰脉冲骚扰敏感。控制数字电路的发射和敏感所采用的屏蔽、滤波的范围和程度要根据数字电路单元的性能、电路元器件的速率来决定。数字系统误动作的重要原因中，绝大多数起因于机壳地、信号地的电位波动。集成电路0V端电位发生变化时，它的工作状态便不稳定，从而影响下一级输入端状况，下一级也会不稳定。0V线电位的变化是接地线本身有电感和直流电阻所致。⑴必须选择电路功能允许的最慢的上升时间和下降时间，以限制产生不必要的高频分量。⑵避免产生和使用不必要的高逻辑电平。如能用5V电平的就不要用12V电平。⑶时钟频率应在工作允许的条件下选用最低的。⑷要防止数据脉冲通过滤波和二次稳压电源耦合到直流电源总线上去。⑸数字电路的输入、输出线不要紧靠时钟或振荡器线、电源线等电磁热线，也不要紧靠复位线、中断线、控制线等脆弱信号线。⑹只要可能，就应在低阻抗点上连接数字电路的输入和输出端，或用阻抗变换缓冲级。⑺要严格限制脉冲波形的尖峰、过冲和阻尼振荡。⑻若用脉冲变压器，应是有屏蔽的。⑼必须对电源线、控制线去耦，以防止外部骚扰进入。⑽不要用长的、非屏蔽的信号线。印制线长度达每ns上升时间大约5cm就要考虑匹配端接。⑾注意到光电隔离器对差模骚扰有抑制效果，而对共模骚扰去没有明显作用。⑿印制导线的电感分量在产生公共阻抗耦合方面起着主导作用。电源线，尤其地线条要尽量粗、短。⒀对有暂态陡峭电源电流的器件和易受电源噪声影响的器件，要在其近旁接入高频特性好的电容器去耦。⒁在每个印制板电源入口处装1个LCL形T型滤波器防止来自电源的冲击输入。⒂用屏蔽网（编织带）和铁氧体夹卡改善扁平电缆的抗骚扰性能。⒃从2层印制电路板改为多层印制电路板，很容易使发射和抗扰度性能提高10倍。⒄“五—五”规则可以帮助你决策。即时钟频率大于5MHz或者脉冲上升时间小于5ns，宜于选择多层电路板。⒅用手工布关键线（时钟、高速重复控制信号、复位线、中继线、I/O线等）。若用自动布线必须仔细检查和修改违反EMI控制的地方。1.1.2.5其他⑴去耦消除公共阻抗耦合有害影响的措施是去耦。去耦滤波器的关键元件是引线尽可能短的高频电容器。⑵隔离①注意地环路形成共模骚扰。②用隔离变压器切断地环路，最适用于信号不含直流分量时。宽带信号不宜用它。在工业领域，把含直流分量的信号调制成交流信号，经电压或电流互感器将其送到接收端再进行解调。非理想的变压器在初级和次级之间存在分布电容，该分布电容允许骚扰经变压器进行耦合，因而该分布电容的大小直接影响它的高频隔离性能。也就是说，该分布电容为信号进人电网提供了通道。所以在选择变压器时，必须考虑分布电容的大小。在使用变压器时，必须加静电屏蔽（法拉第屏蔽）并接地，这可减小分布参数，因为静电屏蔽破坏了初、次级问的直接耦合，困而也就能降低传导骚扰。为了更好地降低分布电容，提高开关变压器的共模抑制性能，可采用三层屏蔽：第一层屏蔽连接到初级的电位端；第二层屏蔽连接到次级的低电位端，中心法拉第屏蔽连接到变压器的外壳及安全地。③光电耦合器隔离法。因输入和输出线性关系差，不宜直接用于模拟信号，但最适于传输数字信号。用光脉宽调制法，就能传输含直流分量的模拟信号，而且有优良的线性效果。⑶提高抵抗共模骚扰能力的方法有时很难用隔离器件切断地环路，例如两设备必须直流连接。这时只能采取措施把地环路产生的共模骚扰影响抑制到最小。①用差分放大器直流到高频，线性好，适于模拟信号。对称平衡时，共模抑制很好。不平衡时，共模骚扰转换成差模，影响程度与不平衡程度有关。②串接共模扼流圈（中和变压器或纵向扼流圈）1.2印制电路设计准则在印制线路板设计中，产品设计师往往只注重提高密度，减小占用空间，制作简单，或追求美观，布局均匀，忽视了线路布局对电磁兼容性的影响，使大量的信号辐射到空间形成骚扰。在设计印制线路板时，应注意以下几点：⑴从减小辐射骚扰的角度出发，应尽量选用多层板，内层分别作电源层、地线层，用以降低供电线路阻抗，抑制公共阻抗噪声，对信号线形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的能力。⑵电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下，电源线、地线、或印制板走线都会成为接收与发射骚扰的小天线。降低这种骚扰的方法除了加滤波电容外，更值得重视的是减小电源线、地线及其他印制板走线本身的高频阻抗。因此，各种印制板走线要短而粗，线条要均匀。⑶电源线、地线及印制导线在印制板上的排列要恰当，尽量做到短而直，以减小信号线与回线之间所形成的环路面积。⑷电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合。①低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。②将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。③高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。④安排电路时要使得信号线长度最小。⑤保证相邻板之间不能有过长的平行线。⑥EMI滤波器要尽可能靠近EMI源，并放在同一块线路板上。⑦DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。⑧尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。1.3设备内部走线准则有些产品，尤其是不大正规的产品，内部走线十分混乱，各种走线胡乱捆扎在一起，又没有任何屏蔽、滤波、接地措施。这种内部走线处理方法，不仅传输高、低电平信号的导线之间相互骚扰，也给后期采用屏流滤波等补救措施带来不便。正确的布线也是一种电磁兼容性设计措施，它能大大地降低骚扰，不需增加工序，却可收到较满意的效果。因此在布线时，应做到：⑴机箱中各种裸露走线要尽可能短。⑵传输不同电子信号的导线分组捆扎，数字信号线和模拟信号线也应分组捆扎，并保持适当的距离，以减小导线间的相互影响。⑶对于产品经常用来传递信号的扁平带状线，应采用地--信号--地--信号--地排列方式，这样不仅可以有效地抑制骚扰，也可明显提高其抗扰度。⑷将低频进线和回线绞合在一起，形成双绞线，这样两线之间存在的骚扰电流几乎大小相等，而方向相反，其骚扰场在空间可以相互抵消，因而减小骚扰。⑸对能确定的、辐射骚扰较大的导线加以屏蔽。⑹功能单元和设备内电路的分隔能把无用信号限制在有限范围内，以便使无用信号和可能敏感的电路和导线有效地去耦。①在可能的地方使用模块式结构（有屏蔽外壳的功能单元）。②特别要把电源线滤波器、高电平信号电路、低电平信号电路放在不同的屏蔽隔舱内。③在设备内部采用屏蔽，例如板或隔墙来分隔高电平源和灵敏的接收器。④对电源提供有效的电、磁场屏蔽。特别