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标题: 基于分层与综合法的EMC设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 20:27
标题: 基于分层与综合法的EMC设计
1.电磁兼容设计前的准备
电磁兼容设计前，须预先明确以下几个问题:
产品销往何处?是在国内销售还是准备销往欧洲，或是美国、日本等国产品属于哪一类?是信息技术设备，还是工业、科学、医疗射频设备，或是电信终端设备产品用于嘟里?是用于居住区、商业区、轻工业区，还是工业区按照预先明确的各项问题，就可以确定电磁环境。电徽环境是指，存在于产品使用位置的所有电磁现象的总和。
这些电磁现象包括全部时间、全部频谱，包括传导与辐射。产品使用位I即产品安装和工作的位里，其类别的划分是以该位I的主要电磁特性为基础的.在IEC61000-2-5中列举了8类位2.即农村居民区、城市居民区、商业区、轻工业区、宜工业区(包括发电厂或变电站)、交通区、通信中心、医院。电班环境的影响通过辐射和传导侵入产品，其界面就如同一组端口，通过这些端口，电陇肠扰进入或者出自所设计的产品。电磁挂扰的性质和程度都与端口的类型有关。

电磁环境和产品端口确定以后，就可以选用和剪狡适用的标准。根据标准中有关电徽发射限值和抗扰度限值的规定，可确定电磁兼容性电平、电徽发射电平和抗扰度电平，然后，将这些电平逐级分配到各功能块上，细化
电路板级和元件级的指标。
根据电徽干扰的三要素:骚扰源，辆合途径和敏感设备.为了保证产品的电磁发射电平和抗扰度电平满足标准规定.必须分析存在哪些电胜肠扰派、吸扰铆的特性、产生的机理、传播特性及抑制方法等，还必须分析产品中，电磁级扰是如何从级扰派拐合到各端口的?是传导精合、共阻抗辐合、感应拐合还是辐射辐合?即辐合途径在嘟里，每条辐合途径有什么特点?由于骚扰派频域、时域特性的复杂性，以及城扰派几何参数的复杂性和较宽的频率范围，远场和近场并存，传导和辐射同在，做好这些分析必须下一番工夫:为了保证产品的抗扰度电平满足标准规定的限值，除了分析电磁骚扰的辐合途径外，还必须分析产品中的敏感器件和电路，研究如何提高它们的抗干扰能力。

2.第一层设计:有源器件的选型与电源完整性
2.1有源器件的选型
电磁兼容设计的主要内容是抑制骚扰源的发射强度和提高敏感电路的抗干扰舱力，而解决这一问题的关键是模拟器件和逻辑器件的选型。企业在购买这些器件时.一般都只关心价格和性能，只是在发现器件和电磁骚扰发射有关，并且决定着产品的抗扰度，特别是发现电磁挂扰发射抑制和提高抗扰度的成本较高和研发周期显著J加后，才重视对这些器件进行评估和选型。
事实上，在国外，器件生产厂商己收到愈来愈多的企业有关器件电磁骚扰发射和抗扰度方面的投诉。这是因为，要解决产品这方面的问题，仅靠屏蔽和滤波是无法实现的。模拟器件和逻辑器件的灵敏度和带宽决定了它们的抗扰度特性。
模拟器件的灵敏度以器件固有嗓声为荃础:逻辑器件的抗扰度特性取决于嗓声容限或嗓声抗扰度。噪声容限即受加在愉入信号上的噪声最大允许值，如果嗓声大于嗓声容限，退辑器件将误翻转。噪声抗扰度越低，则器件的抗扰度越差。低电平、高密度组装、商速、高频器件很容易被干扰，特别是被脉冲嗓声所干扰，推荐使用CMOS,HTL等器件。
逻辑器件还是一种骚扰发射较强的、最常见的宽带骚扰源，器件的上升吓降时间越短，对应逻辑脉冲所占频谱越宽。频谱宽度BW与上升尹下降时间rt的关系为:
BW=1/(Art)
例如，tr-2ns时，BW=159MHz，但实际辐射频率范围可达BW的十倍以上，此例中可达1.6GHz以上。
2.2电浑完整性
AI嗓声电流和瞬态负载电流IL是这种宽带传导猫扰和辐射级扰的初始源。逻辑器件工作时，它内部的门电路将发生导通和截止状态的转换，会有一个突变电流

从所接电派流入门电路，或从门电路流入地线，使电派线或地线电流发生突变，这个变化的电流称为41嗓声电流;由于电派线和地线存在一定分布电感L,4I嘴声电流流过时，将引起反电动势和尖峰电压，引发电源电压突变。电铆电压的这种臾变称为△I噪声电压。

瞬态负载电流IL即门电路物入电容和驭动线对地分布电容的放电电流耽，它与△I噪声电流将发生复合，井将产生很商的八I嗓声电压，很明显，它就是传导挂扰和辐射肠扰的初始源.为了实现电派完整性，抑制传导获扰和辐射肠扰，就必须减小△I噪声电压.为了减小L，应优选多层印制板，将地城改为多层板中的一层。此外，正确选择信号今数和脉冲参教，减小△I,AV,选用rt长的器件等。安装去辐电容C.提供一个电流派，补偿逻辑器件工作时所产生的△I嗓声电流，也将减小△I噪声电压，实现电源完整性。

3.第二层设计:印制电路板设计与信号完整性
印制电璐板提供元器件的支摊和互连线，是构成产品的墓础，是产品达到电磁兼容要求的重耍部分。印制板设计时应考虑以下内容:
各电路合理布局，不为各肠扰硕的电班发射提供“发射天线，，也不为敏感器件提供“接收天线”;线路板层数的选择、元器件的布局和走线都应符合电磁兼容性的要求。

降低电路的频率。尽量使用低速芯片，延长上升尹下降时间，井使用低通滤波器滤除掉I/nrt以上的频率成份。这部分频率成分不但对电路工作没有作用，而且辐射发射很强.

减小信号环路的面积。尽量使用表面安装器件(SMD)和多层印制板.为了减小信号环路的面积，就需要知道差模电流的实际路径。众所周知，电流总是走阻抗最小的路径.信号环路的阻抗Z=R+j(aL，既包括信号环路的电阻，也包括信号环路的电感.频率较低时，感抗很小，阻抗Z主要由R决定:当频率较高时，感抗所占比重越来越大，阻抗Z土要由L决定。根据定义，L=m/I.这里。为环路的磁通，I为环路电流。显然.环路面积越大，所包围的。越大，则L也越大。可以说，环路的阻抗与环路的面积成正比。所以，高频电流总是走L最小的路径，也就是环路面积最小的路径。采用单面板时.可以在紧靠信号线的旁边布一条地线;采用双面板时，可以在线路面的另一面，紧靠信号线的一腼，沿着信号线布一条较宽的地线:如果采用多层板，则回流电流总是自动的在信号线正下方的地线层上流动，形成了最小的环路面积。

减小差模电流，尽量使用低功耗器件和理冲器。
当产品有外接电组时，应该特别注意由共模电流引起的辐射。共模辐射与驱动源的频率、共模电流、外接电缆的长度有关。为了减小共模辐射，需要做到以下儿点:
尽t使用短电统:减小共模电流，将共模电流旁路到地.或申接共模扼流圈:减小驱动电压，如减小地电位差等;采用屏蔽电缆，使电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360。端接;尽址减少电缆上的高频成份，可以在电级两端使用低通共模滩波器来实现:遴免共阻抗拐合及其他干扰辐合。

由于集成电路技术的飞速发展，对时钟电路等高速电路的设计要求越来越高.当CPU速率超过IOMHz,tr小于Sns时，即高速PCB，将产生传翰线效应和信号完整性问题，需要采用商速PCB技术。
信号完整性即在要求的时间内信号能以要求的时序，持续时间和电压幅度做出响应，不失真地从铆端传送到接收端。传抽线效应和信号完整性问粗包括:反射，时延和时序错误，过冲厅冲和振荡，申扰和EMI发射。要进免传抽线效应，实现信号完整性，旅必须做到:
控制走线长度，合理规划走线拓扑结构，使用端接匹配电阻和抑制EMI发射.

4.第三层设计:地线设计
地线设计是一项重要的设计，也是难度较大的一项设计。在电磁兼容设计的一开始，就进行地线设计是解决电磁兼容问压最有效和最旅价的方法.设计良好的地线网既能提商抗扰度，又能减小电斑发射。
接地的含义是:为电路或系统提供一个参考的等电位点或面。如果接真正的大地，则这个参考点或面就是大地电位。接地的另一个含义是:为电流流回源提供一条低阻抗路径.

在地线设计时，必须知道地电流的实际流动路径。
地线设计应通免共地阻抗辐合干扰和地环路干扰，其根茸则是地找阻抗。频率较低时，回路阻抗主耍是电阻:当翔率较商时，回路阻抗以感抗为主;为使感抗最小，必须使回路尽量小。

5.第四层设计:屏蔽设计
屏蔽技术用来抑翻电盛扭扰沿空间的传播，即切断辐射拐合的传播途径。电班场扰沿空间的传括是以电进波的方式进行的，可分为近场和远场.
电侧极子天线的近场称为高阻抗场，以电场为主，E正比于1尸，H正比于1尸。电偶极子天线称为离电压、小电流、离阻抗翻.近场又称为感应场。远场时，H和E都正比于I/r。远场又称为辐射场，以平面波形式传播。

近场电场屏蔽的必要条件是采用高导电率屏蔽体加接地;近场低频磁场屏蔽可采用铁、硅钢片、坡莫合金等高导磁材料进行磁屏蔽或磁旁路，增加屏蔽体厚度或采用多层屏蔽，可提高屏蔽效能，但不需接地:近场高频磁场屏蔽时，因频率较高，磁性材料的磁导率下降，磁损增加而不适用，这时，可采用高导电材料，使反射损耗增大，也不需接地，但如果屏蔽体接地良好，则还可以同时屏蔽近场高频电场:远场电磁屏蔽应采用高导电率屏蔽体并接地。
实际的屏蔽机箱都有许多必要的孔、洞和缝原，引起导电不连续性.产生电磁泄漏，使屏蔽效能远低于实心材料的屏蔽效能。因此屏蔽设计的关键就是如何保证屏蔽的完整性。
实践证明，当孔缝尺寸等于半波长的整数倍时，电磁泄拐最大，一般要求缝长或孔径小于k/10-)L/100.所以，高频时，屏蔽效能主要取决于孔、缝，而低频时，屏蔽效能主要取决于材料与厚度。但因趋肤深度有限，当厚度大于1.2mm后，就没什么实际愈义了。
屏蔽机箱上的永久性接缝应采用焊接工艺密封;屏蔽机箱上的非永久性配合面，例如盖板与箱体的配合面所形成的接缝，通常用拐钉紧固连接。但由于配合面不平整或变形，使屏蔽效能下降.导电衬垫是减小接缝的孟要屏蔽材料，被广泛应用。
对导电衬垫的要求是:有足够弹性和厚度;耐腐蚀井与机箱材料的电化序相容，以防电化学腐蚀:转移阻抗尽可能低(当电徽场照射到衬垫上时，在衬垫上的感应电压V与感应电流1之比为转移阻抗):压缩变形或寿命符合要求。
常用的导电衬垫有以下几种:卷曲绍旋弹黄:用薄的窄带金属材料绕制而成，卷旋直径为1.2-25mm，材料为不锈钥或艘姗彼钥;指形黄片衬垫:由被青钥皮冲压而成的一排分立指形齿的衬垫结构，广泛用于经常擂要拆装的机箱或益板;金周编织网衬垫:芯材也是金属的全编织网衬垫，材料可以是被桐、获乃尔、桩锡钥芯钥丝，具有很离的屏蔽效能;橡胶芯编织网衬垫也是一种弹性好的衬垫:导电椒胶衬垫:空心或实芯的导电橄胶板或条。
屏蔽机箱有通风徽热耍求时，孺耍开孔，用穿孔金月板或班盖金属丝网在甚商抓时屏蔽效能都要下降。为此，豁要使用翻止波导式蜂窝板，它具有以下优点:工作频率范围宽，直到徽波频段仍有较高屏蔽效能:对空气阻力小，风压损失少;机械强度高，工作可靠毯定:
通风板芯与框架之间，以及框架与机箱之间均使用导电衬垫，保证了低阻抗连接。
且示.、监视拐娜可视宙口应使用导电玻确防止电世穿透。导电玻瑞由层压在两层聚丙姆或平面玻劝之间的细金.丝网翻成，也可将金月薄腆真空沉积在光学基片上制成。其透光度可保持在60^-80%以上，而屏蔽效能可达8OdB以上.
面板上的操作旋妞、指示灯等都可以利用截止波导管进行屏蔽。例如，使绝缘棒状旋钮式操作杆穿过截止彼导管，将指示灯安放在截止波导管后面等，都可以达到屏蔽的目的。
当导线成电组直接穿过屏蔽体时，屏蔽体内的电磁猫扰会拐合到进、出屏蔽体的导线或电级上，并产生感应电流传导到屏蔽体外，造成辐射;同样，外界的电磁括扰，也会通过进、出屏蔽体的导线或电统，产生感应电流并传导到屏蔽体内，造成挂扰。由于导线或电统都有一定长度，可等效为天线，其辐射或接收的能力往往比其它走线更强。所以，导线或电缆是不允许直接穿过屏蔽体的，否则，屏蔽体的屏蔽效能就会大幅度下降。因此，穿过屏蔽体的
单根导线或电缆，必须通过馈通池波器。池波器电路为低通浦波器，采用单个电容型时，懊通滤波器的结构如同一个穿芯电容器。滩波器电路还有单个电感型、L 型、二型等，电路中的电感均由套在内导体上的铁氧体磁环构成。能对30MHz至300MHz频率范围内的骚扰感应电流产生30dB以上的衰减，而低通滤波器的3dB带宽对通过比截止绷率更低的信号则是够宽了。当需要穿过屏蔽体的导线或电统较多时，可采用滤波招连接吞或泌波器阵列。沈波
器连接器是在带屏蔽壳的连接器的每个插针中安装了低通滤波器，同样有单个电容型、单个电感型、L型和二型等。滤波器连接器不仅具有与其相应的非滤波器连接器相同的插针布置和触点间距，而且可以和它们互换配对和互换装配。滤波器阵列则是由大量超小型单个低通滤波器按需要排列成阵列组成。在使用这些滤波器时，最重要的是保证接地良好，确保滤波器与屏蔽体有良好的接触，最好是使用焊接方式。
‘.第五层设计:滤波设计
实践表明，即使一个经过很好设计、并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会因有导线或电缆直接穿过屏蔽体而使屏蔽效能大大下降，导致电磁兼容试验失败。解决这个问题的有效方法，就是在导线或电缆的端口处安装滤波器，将传导骚扰滤除。所以，滤波技术用来抑制电磁骚扰沿导体的传播，即切断传导骚扰的传播途径。从频率选择的角度出发，滤除传导骚扰的滤波器属于低通滤波器，包括电源线滤波器、信号线滤波器等。其目的是使低频成份通过，而高频成份被衰减。从滤除传导骚扰的机理出发，这种滤波器还可分为反射式滤波器和吸收式滤波器两类。
反射式滤波器由L,C等电抗元件组成，阻带内的频率成分被反射至骚扰源。
选择反射式低通涟波器电路结构时，应根据阻抗失配原则，即骚扰源阻抗与滤波器输入阻抗、滤波器输出阻抗与负载阻抗都有最大程度的失配，就可以获得良好的滤波效果。因此，对于低的骚扰源阻抗，滤波器输入端应选用串联电感端口，对于高的骚扰源阻抗，滤波器输入端，应选用并联电容端口;同样，对于低阻抗负载，浦波器输出端应选用串联电感端口，对于高阻抗负载，滤波器输出端应选用并联电容端口。
滤波器的重要特性是插入损耗随频率的变化，即频率特性。插入损耗定义为

基本电路的滤波效果很有限，为了提高滤波效果，可在基本电路基础上，再增加一些元件。例如，与共模扼流圈串联两只差模扼流圈，以增大对差模骚扰电流的滤波，而构成差模增强型滤波器;如果在共模扼流圈右边再增加一个共模扼流圈，以增大对共模孤扰电流的滤波，便构成共模增强型滤波器;也可以同时增加共模扼流圈和差模扼流圈，就构成了高性能型滤波器。差模滤波电容可以适当增加，但不希望增加共模滤波电容，以免泄漏电流超过安全标准规定的限值。

电源线滤波器的性能与其安装方式有很大关系。例如，安装时，滤波器的输入引线不得过长，与输出引线不得发生祸合，还必须接地良好。
信号线滤波器则要求正确选择截止频率。
吸收式滤波器由铁氧体元件构成。
70综合设计

在分层设计的同时，应对接地、屏蔽和滤波等进行综合设计。例如，画出地线网后，是否在穿过屏蔽体时使用了锁通滤波器?是否考虑了必要的屏蔽和滤波;又如，屏蔽机壳设计完成后，进出屏蔽体的导线或电缆是否经过了滤波?屏蔽壳是否有可靠的接地?再如，完成滤波设计后，输入端和输出端之间是否有屏蔽隔离?滤波器及其壳体是否有可靠的接地连接等，都需要综合起来进行设计。
总之，电磁兼容设计表面看来很复杂，不知从何下手，但只要采用分层与综合设计法，就会迎刃而解了。

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