EMC 培训报告.docx
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EMC 培训报告.docx
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EMC培训报告
EMC培训报告
一EMC基础与产品机械结构构架EMC设计分析方法
1.1基本概念
EMC是ElectroMagneticCompatibility的缩写,即电磁兼容。
是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力,同时不能产生过量的电磁辐射。
其包括EMI和EMS两部分。
EMI:
电磁干扰性能
●从电源线传导出来的电磁骚扰
●从信号线、控制线传导出来的骚扰
●从产品壳体(包括产品中的所有电缆)辐射出来的骚扰
●从电源端口传导出来的谐波电流
●电源端口产生的电压波动和闪烁测量
EMS:
电磁抗扰度性能
●静电放电
●电源端口的电快速瞬变脉冲群
●信号线、控制线端口的电快速瞬变脉冲群
●电源端口的浪涌和雷击
●信号线、控制线端口的浪涌和雷击
●从空间传递给产品壳体的电磁辐射
●电源端口的传入的传导干扰
●电源端口的电压跌落与中断
EMC风险评估是在产品设计过程中,利用一定的设计技巧和额外的技术手段预测所设计产品的EMC性能,并能提出可行的降低风险的方法。
在EMC风险评估过程中,有两个比较核心的概念:
1任何信号的传递都是闭环的
2EMC测试存在差模和共模,但是以共模为主。
1.2产品地线概念
地线的通用解释是:
电路电位基准点的等电位体,但在EMC上,这样的解释是不符合实际情况的,因为地线上的电位并不是恒定的。
这里我们定义地线为:
信号流回源地低阻抗路径。
按照这个定义,地线是存在阻抗的,在这里阻抗和通常所说的电阻是不等价的。
电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗,而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗,这个阻抗主要是由导线的电感引起的。
任何导线都有电感,当频率较高时,导线的阻抗远大于直流电阻,表1给出的数据说明了这个问题。
在实际电路中,造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号,脉冲信号包含丰富的高频成分,因此会在地线上产生较大的电压。
对于数字电路而言,电路的工作频率是很高的,因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。
表1导线的阻抗(Ω)
如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻,可以看出当频率达到10MHz时,对于1米长导线,它的阻抗是直流电阻的1000倍至10万倍。
因此对于射频电流,当电流流过地线时,电压降是很大的。
从表上还可以看出,增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的,但对于减小交流阻抗的作用很有限。
但在电磁兼容中,人们最关心的交流阻抗。
为了减小交流阻抗,一个有效的办法是多根导线并联。
当两根导线并联时,其总电感L为:
L=(L1+M)/2
式中,L1是单根导线的电感,M是两根导线之间的互感。
1.3共模干扰路径、阻抗及电流分析
1.3.1地环路中产生的共模电流骚扰
图中两设备用一对电缆传输线连接,图中设备Ⅰ(发送部分)、设备Ⅱ(接收部分)分别接各自的地,这是一个不平衡传输电路。
在理想情况下,两设备的地电位相等,传输线对中仅存在有用信号UDM的差模电流IDM,途经是+UDMZS信号线阻抗Zt负载ZL回流线阻抗Zt-UDM。
图1共模电流与差模电流的转化模型
但是,实际情况往往没有这么理想,两个设备的接地点P和Q之间很可能会存在电位差UCM。
例如,设备Ⅰ处有高电流入地或瞬态强电流入地,使P点地电位弹升,或者电缆传输线处在较强的骚扰电磁场中,地环路中产生感应电动势,相当于在PQ间存在电位差Ucm。
此时,由UCM产生的噪声电流将同时通过信号线和回流线,方向是相同的,因此是共模电流,途径如下图所示。
图2共模电流途径
由于各条途经中的阻抗不一样,共模电流大小也不同,因此在ZL两端产生了差模压降,从而对设备2的正常工作产生干扰。
1.4共模辐射的产生
产生共模辐射的条件一是要有共模驱动源,二是要有共模天线。
任何两个金属体之间只要存在RF电位差就构成一副不对称振子天线,两个金属体分别是它的两个极,RF电位差即为共模驱动源,它通过不对称振子天线间的空间辐射电磁能量。
当频率达到MHz级时,nH级的小电感和pF级的小电容都将产生重要的影响。
两个导体连接处的小电感会产生RF电位差。
如例1中数字地模拟地连接线的小电感,PCB与机壳之间连接线的小电感等都是产生共模驱动源的的根源。
没有物理连接点的金属体也可能通过小电容变成天线的一部分。
如散热片与开关管物理上是绝缘的,但可以通过它们之间的小电容在RF频率上连接起来,构成共模天线的一部分。
共模天线的一个极必定是设备的外部接线,另一个极可以是设备内部PCB的地线、电源面、机壳、散热片、金属支撑架等等。
当天线的两个极总长度大于λ/20时,天线的辐射才可能有效。
当天线长度与驱动源谐波的波长符合l=nλ/20(n=1,2,3,…)时天线发生谐振,辐射能量最大。
在天线总长度确定时,源在天线上的位置是天线辐射能量的决定因素。
天线在源的同一侧时产生的共模辐射要比天线在两侧时小得多。
电流驱动模式
图3是电流驱动模式的示意图。
图中UCM是共模电压源,设备内部有很多这样的源,例如各种数字信号电路、高频振荡源等。
ZL为回路负载,IDM为回路的差模电流,该电流流过AB两点间的回流地(例如PCB的地线),回到差模源。
如AB间存在一定电感LP,则会产生压降UCM。
这里,UCM就是产生共模辐射的驱动源。
要产生辐射,除了源以外还必须有天线。
这里的天线由两部分组成,一部分是由A点向左看的地线部分,另一部分是由B点向右看的地线部分和外接电缆。
其组成的辐射系统的等效原理图如图7(b)所示,这实际上是一副不对称振子天线。
由于共模电流ICM是由差模电流IDM产生的,所以称这种模式为电流驱动模式。
以下举二例说明电流驱动产生的共模辐射,
图3电流驱动产生共模辐射原理图
电压驱动模式
电压驱动模式的原理如图4所示,图中差模电压源UDM直接驱动天线的两个部分,即上金属部分和下金属部分,从而产生共模辐射。
共模辐射电流ICM为
式中:
为上下两部分金属之间的分布电容。
图4电压产生的共模辐射原理图
1.5产品机械结构决定共模电流路径
共模电流存在于非预期的路径中,而且差模与共模电流在产品的内部总是不断的在相互转换,这种非预期的路径与产品的机械结构构架设计有关。
如下图5示的两种设计:
图5同一电路的两种机械构架
前一中设计所有的共模干扰电流将流过所有的芯片,极易引发EMC问题;后一设计将IO端口放在一起,可使干扰电流直接从输入端口流向输出端口,不进入芯片,大大降低EMC风险。
1.6互连问题
产品内部互连连接器或互连电缆影响产品抗干扰能力的主要原因是因为互连连接器或互连电缆的寄生电感而导致在高频下的高阻抗,另外互连连接器各信号线间的串扰也不容忽视。
图6互连干扰原理
如上图示,共模干扰电流由输入端口注入,通过互连连接器传递,最后通过输出端口流出,由于连接器插针存在寄生电感,在高频下存在很大的阻抗,当干扰电流流过时,在插针两端形成压降,该电压驱动电路引发EMS问题。
解决这一问题的关键是避免干扰电流流过互连连接器,需在互连插针或排线两端进行滤波处理,串磁珠或并电容是常用的滤波方法。
除了以上的问题,互连线路中的串扰问题也不容忽视
图7互连连线分布
如上图(a)所示,其连线的分布不合理,RF回路较大,将产生较大的差模辐射(差模辐射与环路的面积成正比);时钟线RF回路较大,并处于一种很差的位置,周围根本没有参考0V(地),并且不同信号的信号回路相互嵌套,通过磁场的感性耦合串扰加剧。
由于地针较少,其地针引起的总体等效寄生电感也较大,RF回流将产生较高的共模压降,即在PCB1和PCB2之间的互连区域就会有高频RF电压存在,高频电压在设备间就会产生共模电流,引起电流驱动模式的共模辐射,加重产品系统整体辐射和传导发射。
解决方法如(b)示,加大地针数量,将信号线和时钟线用地线隔离,减小RF回路面积及相互串扰问题。
1.7屏蔽电缆的连接方式
共模驱动源产生的共模电流会沿着电缆向外流动而产生辐射,使用屏蔽电缆并将电缆的屏蔽层与金属机箱完整搭接,就会将共模电流屏蔽在屏蔽层内而使辐射降低。
但是在屏蔽电缆的连接上要注意360度搭接,避免出现“猪尾巴”
图8屏蔽电缆上的“猪尾巴”
在屏蔽电缆屏蔽层与地的搭接上,由于搭接不到位,会产生较大的寄生电感,回流电流在此“猪尾巴”上将产生压降,该电压驱动电路产生干扰。
二原理图和PCB的EMC分析方法
2.1电路原理图设计的EMC分析
2.1.1电原理图划分
电路原理图的EMC风险评估(分析)是建立在对原理图的电路进行划分的基础上的,通过分析将电原理图分成:
“脏”的部分、“干净”的部分、滤波去耦的部分和需要做特殊处理的部分
图9电原理图划分
2.1.2将电路原理图进行EMC描述
●找出电路中的“脏”电路和信号线,并将“脏”电路部分的电路标出,如用一种颜色(红色)标出,这些脏电路和信号线通常包括
A需要进行EMC测试的I/O线;
B不直接进行干扰测试,但是与干扰噪声源有直接容性耦合的器件和电路
●找出电路中的滤波电容与去耦电容,将放置在以下两个位置上的滤波电容标出,如用同一种颜色(蓝色)标出
AI/O端口上的滤波电容
B不直接进行干扰测试的电缆端口上的,但是与干扰噪声源和参考接地板之间有直接容性耦合的器件和电路上的滤波电容
C各个芯片的电源去耦和电容
D内部PCB互连信号线上的滤波电容
●找出电路中“干净”的信号、器件及电路。
这些干净的信号、器件及电路通常是滤波电容后一级的信号线、器件及电路,并将其标出,如用同一种颜色(绿色)
●找出电路中那些必须进行特殊处理的信号线(如时钟线,开关电源的开关噪声回路、复位信号线、低电平模拟信号线、高速信号线等),并将其标出,如用同一种比较特殊的颜色标出(紫色)。
实例描述;
图10电原理图划分描述
2.1.3电原理图的滤波分析
那些“脏”电路和信号线(被标为红色的部分),如果与其相连的I/O电缆为非屏蔽线,那么这些信号至少具有滤波电路。
产品中是否存在有不带地平面的扁平电缆或类似互连电缆,当这些扁平电缆或类似互连电缆有共模电流流过时,就必须对这些扁平电缆或类似互连电缆中的所有信号进行滤波处理,而且滤波电路至少包含有一个电容。
产品中是否存在这样一些线缆和器件,这些线缆或器件虽然不直接进行EMC测试,但是其与干扰噪声源和参考地板之间有直接容性耦合。
这些线缆或器件所在的端口虽然不进行测试,但是所在的电缆、器件与参考接地平面之间存在较大的寄生电容,使得共模电流会流过这些端口。
因此这些线缆和器件所在的端口上的信号有必要进行滤波处理。
芯片的每个电源管腿是否至少有一个去耦电容
敏感电路端口的滤波处理:
✧外部中断(IRQ)端口
✧复位(RESET)管脚
✧低电平模拟信号
✧高输入阻抗信号
2.1.4地及地平面分析
被光耦、磁耦、变压器、继电器等隔离器件分离的AGND与GND之间需要有电容跨接。
所有被分割在主电路之外的地平面需要通过Y旁路电容接地(接地设备接外壳或系统地,浮地设备接主控制电路工作地),不能有悬空的地平面。
隔离的AC/DC或DC/DC开关电源的初级0V与次级所有的GND地之间需要接Y电容。
2.2PCB布局布线
2.2.1层叠设计
GND、AGND等地平面及VCC等电源平面在PCB层中的位置
Ø对于浮地设备来说,大多数情况下,可以把GND层当成是屏蔽层,用来泄放共模干扰电流,AGND必须放置在没有被共模干扰耦合到的层和位置。
ØPCB板电源层数由其电源种类数量决定;对于单一电源供电的PCB,一个电源平面足够了。
Ø每个电源平面的设置需满足一下条件:
单一电源或多种互不交错的电源
相邻层的关键信号不跨分割区
Ø地的层数除满足电源平面的要求外,还要考虑:
元件面下面(第二层或倒数第二层)有相对完整的地平面
高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面
关键电源有一对应地平面相邻
PCB各层的分配建议
Ø元件下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面
Ø所有信号层尽可能与地平面相邻
Ø尽量避免两信号层直接相邻
Ø主电源尽可能与其对应地相邻
例如,下表是6层板的分布排列的一些组合方式
图11六层PCB板的排列方式
根据上面的原则,我们可以看出,红色方框的排列为最佳的排列方式。
2.2.2滤波电容等滤波器件在PCB中的相对放置
滤波电容通常放置在被滤波器件的相应管腿附近,或在共模电流泄放的路径中。
所有的滤波电容的连接不能用长线方式,而要保证低阻抗的连接,比较好的做法是,滤波电容引线长宽比小于3,至少要做到小于5.
2.2.3完整的地平面设计
PCB板中完整(没有任何过孔、裂缝或开槽)的正方形地平面阻抗具有非常低的阻抗,实际应用中,PCB地平面的阻抗不但受其形状的影响,还不可避免的受PCB中信号线过孔、裂缝、开槽等影响。
所有我们在设计时,要尽量满足以下条件;
✧相互通信芯片地管腿之间地平面完整
✧从成本和信号质量方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。
✧为了维持地平面的完整性,PCB板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
✧PCB板主要共模电流路径中,尽量减少过孔数量
✧严禁出现多个过孔造成地平面裂缝或开槽。
2.2.4避免串扰的设计
串扰分为容性串扰和感性串扰,容性串扰主要干扰源是高的dV/dt的信号线,感性串扰发生的主要干扰源是高dI/dt的信号线,数字电路以容性串扰为主,高电压大功率电路两者并存。
应此在PCB设计中,应尽可能考虑到以下的方面:
✧根据功能分类逻辑器件系列,保持总线结构被严格控制;最小化元器件之间的物理距离;高速信号线及元器件(如晶振)要远离I/O互连接口及其他易受数据干扰及耦合影响的区域,对高速线提供正确的终端
✧避免长距离互相平行走线布线,提供走线间足够的间隔以最小化电感耦合;相邻层上的布线要相互垂直,以防止层间电容耦合。
✧降低信号到地平面的距离间隔;分割和隔离高频噪声发射源,不同的信号分布在不同层中,尽可能地增大信号线间的距离,这样可以有效减少容性串扰。
✧将高速周期信号布置在PCB内层,使用阻抗匹配技术,以保证信号的完整性,防止过冲;注意具有快速上升沿的信号,进行包地等防串扰处理;将一些受EFT/ESD干扰,未经滤波处理的信号线布置在PCB板的边缘。
✧尽量采用地平面,使用平衡线,屏蔽线或同轴线;对骚扰信号线和敏感线路进行滤波处理。
2.2.5铺铜
所有空置区域都可进行铺铜处理,并将其通过适量的过孔与相应区域的地平面相连,铺铜可以实现以下功能;
✧降低地阻抗
✧放置串扰
✧防止边缘效应
三产品EMC设计演练与EMC测试结果评估
3.1产品基本信息核查
3.2产品机械结构审查
3.3层叠设计审查
3.4地平面完整性审查
3.5串扰审查
3.6去耦、旁路电容和滤波电容审查
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