EMC设计实例

EMC设计实例2一.基本定义二.何时解决EMC问题三.EMC三要素四.EMC设计水平三阶段五.EMC设计方法1.接地/搭接2.屏蔽3.滤波4.PCB的EMC设计内容3EMC（电磁兼容性）电磁兼容是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功能，又不致于在其环境中产生不允许的干扰。EMC设计是通信产品设计中不可缺少的重要组成部分。目前美国和欧洲等发达国家和一些发展中国家关于EMC均有一整套规范制度，电子产品达不到要求将无法进入其市场，这已形成了一个新的技术壁垒。我国的EMC标准规范正在逐步完善中，而且已有部分信息技术设备（ITE）开始强制要求，因此，可以预见在不久的将来，通讯产品的EMC要求必将强制执行。同时产品的EMC性能也直接关系到产品的工作稳定性、环境适应能力。一.基本定义在产品设计的早期阶段，解决电磁干扰的途径多，将花费较少的成本；到产品生产后期再采取解决电磁干扰的技术措施，将受到各种情况的制约。并且，采用同样的技术措施，在生产后期采用时，将大大增加成本费用，使费效比增大，使生产进程拖长，对工程带来不利影响。二.何时解决EMC问题5EMC设计均可以从EMC三要素着手EMC三要素包括：干扰源、耦合途径、敏感设备三.EMC三要素传导耦合辐射耦合干扰源敏感设备6电磁兼容设计有三个发展阶段：1.问题解决阶段:在设计时基本不考虑EMC，出现问题时再分析原因，寻找解决办法2.规范设计阶段:对系统、设备、部件、组件制订一系列的电磁兼容设计规范，严格按照规范进行设计和测试3.分析预测阶段:对系统、设备、部件、组件电磁特性进行分析预测合理分配各项指标要求，并且在系统的整个设计过程中不断地进行修正和补充，使系统工作在最佳状态。*分析预测阶段是电磁兼容技术的最高阶段，由于计算方法和计算技术的限制，目前还没有一个可供实用的预测软件出现。本文所介绍的内容基本属于第二阶段即规范设计阶段四.EMC设计水平三阶段7EMC设计方法EMC主要设计方法有：接地、屏蔽、滤波、PCB设计，其中涉及机构设计方面主要考虑接地、屏蔽；1.优秀的ＥＭＣ设计的基础是良好的电气和机械设计原则的应用。这其中包括可靠性考虑，比如在可接受的容限内设计规范的满足，好的组装方法以及各种正在开发的测试技术。2.驱动当今电子设备的装置要安装在ＰＣＢ上。这些装置由具有潜在干扰源以及对电磁能量敏感的组件和电路构成。因此，ＰＣＢ的ＥＭＣ设计是ＥＭＣ设计中的下一个最重要的问题。有源组件的位置、印制线的走线、阻抗的匹配、接地的设计以及电路的滤波均应在ＥＭＣ设计时加以考虑。一些ＰＣＢ组件还需要进行屏蔽。3.内部电缆一般用来连接ＰＣＢ或其他内部子组件。因此，包括走线方法和屏蔽的内部电缆ＥＭＣ设计对于任何给定器件的整体ＥＭＣ来说是十分重要的。4.在ＰＣＢ的ＥＭＣ设计和内部电缆设计完成以后，应特别注意机壳的屏蔽设计和所有缝隙、穿孔和电缆通孔的处理方法。5.最后，还应着重考虑输入和输出电源和其他电缆滤波问题。五.EMC设计方法8接地(Grounding)接地接地的目的一是防电击，一是去除干扰。可将接地分为两大类，即安全接地与信号接地。搭接指接地的各种方法，通常与接地一并讲述。接地与搭接接地是就线路的概念上来讨论，如在何处接地，以及于何种情况下接地；而搭接则是如何执行接地的工作，即如何将两种金属接在一块，以提供一低阻值的通路，因而去除因高电位的产生所造成的干扰。1.接地9(1).安全接地(SafetyGrounding)安全接地是指接大地(Earthig)，也就是将电气设备的外壳以低阻抗导体连接大地，当人员意外触及时不易遭受电击。图2-1安全接地a图2-2安全接地b1.接地10(2).信号接地信号接地除提供参考点之外，同时还可以大量消除杂讯的干扰。a.单点接地：系统或装备上仅有一点接地，分为：串联单点接地；并联单点接地；复合式单点接地。若系统各线路或装备所产生或需要的能量变化太大，则不适用串联单点接地，因为高能量的线路或装备所产生大量的地电位会严重地影响低能量线路或装备的正常运作并联单点接地最大的缺点是耗时费料，由于接地线太多太长，以至增加各地阻抗，尤其在高频范围中更加严重。复合式单点接地同时使用串联与并联法，可同时兼顾降低杂讯以及减化施工与节省用料。A,B,C为各相同特性线路或装备之共同接地线，而D点为全系统唯一接地处。b.多点接地在频率低于10MHz时，较适于单点接地。若在高频(10MHz)情况下，由于接地线的长度及接地电路的影响，单点接地无法达到去除干扰的效果，此时就得使用多点接地。此时接地线的长度亦应尽量缩短。右图中各接地点可视为机壳或接地板：不论何种接地法，最大的困扰均起自于地电流的产生，因此去除地电流成为接地设计的关键1.接地11（3）.浮动接地（GroundLoop）浮动接地的真正意义就是打破接地环路即系统的各个接地端与大地不相连接。这种接地方法简单，但是对于与地的绝缘电阻要求较高，一般要求大于50MΩ，否则由于绝缘下降，会导致干扰。此外容易引起静电干扰下图即为接地环路的形成：打破接地环路的方法：使用隔离变压器；使用扼流圈；使用光电耦合器；使用差动放大器1.接地12（4）.组件之接地经常在系统中许多装备使用同一电源，倘若假电源供应之接地阻值降低，同时各装备使用单独之电源，或仔细规划使用同一电源，则非但可以消除因负载产生的杂讯影响到电源供应，同时可以减少装备间之相互干扰。此外，电源线应予以编扎其回路不应与其它线路共同，直流电源应远离交流电源或控制线路。若线路中有交换组件时，电源线应予以屏蔽（即使用隔离线），且将屏蔽于两端点同时接地。由于电位器（Relay）的动作，经常会产生大量的电流变化而导致干扰，所以其电源线不得与电子线路共享，并应于电源端以单点接地的方法处理；此外，供电线与回路〔俗称之火线与地线〕应尽量置于一处，以减少其间所形成的封闭空间。1.接地135.电缆之接地从电磁发射和敏感度两方面的观点来看，电缆线的电磁性能都是难以预测的。有时，电缆线起着发射天线的作用，从而成为电磁干扰辐射源的一部分；有时，电缆线又起着接收天线的作用，从而成为系统对辐射敏感度的重要一环。电源与信号的电缆还为传送电磁干扰电压和干扰电流提供了耦合路径。此外，我们还经常遇到电缆线被捆扎在一起，这对电缆造成了近场耦合和串扰的潜在威胁。为了使电磁干扰耦合减少至最小，除了要使电缆线的长度为最短；系统工作在尽可能低的频率上；在电缆线上流过的电流幅值要尽可能低之外，还可使用同轴电缆、双绞线（包括屏蔽的或不屏蔽的）以及扁平带状电缆（注意将信号线与零电位线的交错布排）。电缆线屏蔽层的接地问题电缆的接地〔指电缆之屏蔽〕如同前述之单点或多点法。以传输信号的λ/4为界，线长低于λ/4的情况下，一般用单点接地；当电缆线长度接近λ/4时，应采用多点接地（因为与其它导线一样，电缆线的屏蔽层也能起到天线的作用）。在采用多点接地时，如果做不到每隔0.05λ至0.1λ有一个接地点的话，至少也应将电缆线的始端与终端的屏蔽层都接地。对电缆线的多点接地来说，一个附加好处是可减少屏蔽层的静电耦合。若使用屏蔽之绞股电缆，则于穿过接头与装备连接时，接头中应备有单独的销子供屏蔽用。在高能量的静电场合里，电缆常使用双层或三层屏蔽，内层屏蔽于电源端接地，外层屏蔽于负载端接地1.接地14常用的电缆在电子设备里，常用的电缆有三种基本形式，即同轴（射频）电缆、双绞线和扁平带状电缆。一般来说，双绞线在频率低于100kHz时非常有用，但高于1MHz后，双绞线的损耗明显增大。在高频下的双绞线受到特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射等问题的限制。双绞线有屏蔽的与非屏蔽的两种。屏蔽的双绞线价格不高，使用方便。信号电流在两根内导线上流动，而噪声电流在屏蔽层里流动，因此它消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声电压相互抵消。非屏蔽双绞线对抵御静电电容耦合的能力弱些，但对防止磁场感应有着很好的作用。由于低频时磁场感应是主要问题，因此非屏蔽的双绞线对低频提供了最佳的屏蔽效果。非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单位长度内的扭股次数成正比。1.接地15同轴电缆因具有较均匀的特性阻抗和较低的损耗，使得它从直流到甚高频都有较好的性能。大多数的屏蔽电缆都是用金属编织层来屏蔽的，编织层的优点是柔软和耐用，但编织层的不致密会使屏蔽效果变差，而且编织方式使屏蔽电流的均匀性变差，因此防磁场效率要比金属箔屏蔽电缆低5～30dB。另外，在高频下，编织层的孔隙与波长之比变大，使得屏蔽性能下降。对有薄铝屏蔽层的电缆，则屏蔽层对芯线的覆盖率达到100％，所以有着较好的电场屏蔽效果。它在强度上不如用编织层的屏蔽电缆，而且端接情况也较差。更好的屏蔽电缆是由箔层与编织层组合的，编织层可解决360°的连续端接，而金属箔层则可覆盖编织层的孔隙。1.接地16无屏蔽的带状电缆是供电子计算机、仪器仪表和其它电控设备做信号连接用的电缆。它的优点是成本低、使用方便。带状电缆的使用中遇到的主要问题是信号与地线的分配。最容易想到的是信号与地的随机分配，而且只用一根线作为地线。这种方法的特点是用线最少，但信号导线与它们的地回路之间有大的环路面积，容易导致辐射发射和敏感度的问题。其次，只用一根接地线，会产生公共阻抗的耦合。此外，在带状电缆内还存在信号导线之间的串扰问题。带状电缆的最好接线方式是让信号和地线交错排列（即一根信号线配一根地线）。这样，每一根信号线都有一个单独的接地回路，公共阻抗的耦合就不存在；而且导线间的串扰也减至最小。但所用的导线数目比上一方法几乎都了一倍。一个稍次于第二种的方法是按一根地线、二根信号线、再一根地线与再二根信号线的方法排列，与上法相比用线可减少25％。这种方式也能做到每一根信号线旁有一根地线，因此环路面积也很小；但因为是两根信号线共享一根地线（即在地线的左、右各有一根信号线），因此有一些公共阻抗的耦合问题。而且并排的两根信号线之间，多少也有点串扰问题，但多数情况下，此法也可满足防护要求。还有一种方案，是紧贴带状电缆设置一块接地平板，带状电缆专走信号，接地和去耦有接地平板解决。此法也能取得较好防护效果，但由于电缆线的端接比较困难，用得不多。1.接地17几种常用的接地方法及效能如图是不同接地点的电缆对100KHz磁场干扰相对敏感度的测试结果。测试选择100KHz为界的原因是：频率高于它时电缆屏蔽层一般采用多点接地；而低于它时，一般采用单点接地。如果对传输脉冲信号来说，若脉冲的上升时间很短，则应按高频信号来处理。从图中所提供的试验结果可看出，将负载直接接地的方式是不适合的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。其次，双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线，这是由双绞线本身的特点所决定的。另外，不推荐图中最后一种方式，因为在屏蔽上产生的任何噪声电压和电流都有可能作用到信号线上，特别是在高频时。电缆之接地及效能1.接地18接地的方法搭接是在两金属之间建立一低阻抗通路，其目的在为电流提供一均称的结构体以避免干扰。处理良好的搭接能彻底发挥屏蔽与滤波的功能，减少接地系统中的射频电位差，以及电流环路，并可防止静电产生，减少雷击与电磁脉冲的危险，同时能防止人员误遭电击。然而未经仔细处理的搭接会增加干扰的程度，此诚不良之设计较不设计为害尤甚。搭接的形态·直接搭接：即搭接体间之直接连接；·间接搭接：即搭接体间以金属导线相连，其适合于经常移动的装备，以及将安装防震垫的装备，间接搭接时应特别注意共振效应,否则引入杂讯。搭接的方法熔接(Welding)硬焊〔Brazing〕软焊（Sweating）砧接〔Swaging〕铆接(Riveting)：铆接有均匀、省时的优点，但其使用弹性不如以螺钉搭接，且防蚀能力不如熔接、软硬焊。铆接时铆孔应与铆钉紧密接合，铆孔边不得有油漆。螺丝连接：螺纹搭接时应注意垫圈材料的选择及安放位置，通常均戴垫圈直接置于螺栓头或壳帽之下，而锁紧垫圈则应置于螺帽与均戴垫圈之间。此外，千万别将带齿锁紧垫圈置于两搭接金属之间。1.接地19阳极端（最易受腐蚀