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干货 | EMC硬件设计规范与滤波器使用注意事项

2020-03-27
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硬件EMC规范讲解


电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。EMC就围绕这些问题进行研究。最基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波、接地。它们主要用来切断干扰的传输途径。广义的电磁兼容控制技术包括抑制干扰源的发射和提高干扰接收器的敏感度,但已延伸到其他学科领域。


本规范重点在单板的EMC设计上,附带一些必须的EMC知识及法则。在印制电路板设计阶段对电磁兼容考虑将减少电路在样机中发生电磁干扰。问题的种类包括公共阻抗耦合、串扰、高频载流导线产生的辐射和通过由互连布线和印制线形成的回路拾取噪声等。

在高速逻辑电路里,这类问题特别脆弱,原因很多:

1、电源与地线的阻抗随频率增加而增加,公共阻抗耦合的发生比较频繁;

2、信号频率较高,通过寄生电容耦合到步线较有效,串扰发生更容易;

3、信号回路尺寸与时钟频率及其谐波的波长相比拟,辐射更加显著。

4、引起信号线路反射的阻抗不匹配问题。

No.1 总体概念及考虑 

1、五一五规则,即时钟频率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns,则PCB板须采用多层板。

2、不同电源平面不能重叠。

3、公共阻抗耦合问题。


由于地平面电流可能由多个源产生,感应噪声可能高过模电的灵敏度或数电的抗扰度。

解决办法:

①模拟与数字电路应有各自的回路,最后单点接地;
 
②电源线与回线越宽越好;
 
③缩短印制线长度;
 
④电源分配系统去耦。

4、减小环路面积及两环路的交链面积。

5、一个重要思想是:PCB上的EMC主要取决于直流电源线的Z


No。2 布局

下面是电路板布局准则:

1、 晶振尽可能靠近处理器

2、 模拟电路与数字电路占不同的区域

3、 高频放在PCB板的边缘,并逐层排列

4、 用地填充空着的区域

No.3 布线 

1、电源线与回线尽可能靠近,最好的方法各走一面。
 
2、为模拟电路提供一条零伏回线,信号线与回程线小与5:1。
 
3、针对长平行走线的串扰,增加其间距或在走线之间加一根零伏线。
 
4、手工时钟布线,远离I/O电路,可考虑加专用信号回程线。
 
5、关键线路如复位线等接近地回线。
 
6、为使串扰减至最小,采用双面#字型布线。
 
7、高速线避免走直角。
 
8、强弱信号线分开。
 
No.4 屏蔽

1、屏蔽 > 模型:

屏蔽效能SE(dB)=反射损耗R(dB)+吸收损耗A(dB)

高频射频屏蔽的关键是反射,吸收是低频磁场屏蔽的关键机理。

2、工作频率低于1MHz时,噪声一般由电场或磁场引起,(磁场引起时干扰,一般在几百赫兹以内),1MHz以上,考虑电磁干扰。单板上的屏蔽实体包括变压器、传感器、放大器、DC/DC模块等。更大的涉及单板间、子架、机架的屏蔽。

3、 静电屏蔽不要求屏蔽体是封闭的,只要求高电导率材料和接地两点。电磁屏蔽不要求接地,但要求感应电流在上有通路,故必须闭合。磁屏蔽要求高磁导率的材料做 封闭的屏蔽体,为了让涡流产生的磁通和干扰产生的磁通相消达到吸收的目的,对材料有厚度的要求。高频情况下,三者可以统一,即用高电导率材料(如铜)封闭并接地。

4、对低频,高电导率的材料吸收衰减少,对磁场屏蔽效果不好,需采用高磁导率的材料(如镀锌铁)。

5、磁场屏蔽还取决于厚度、几何形状、孔洞的最大线性尺寸。

6、磁耦合感应的噪声电压UN=jwB.A.coso=jwM.I1,(A为电路2闭合环路时面积;B为磁通密度;M为互感;I1为干扰电路的电流。降低噪声电压,有两个途径,对接收电路而言,B、A和COS0必须减小;对干扰源而言,M和I1必须减小。双绞线是个很好例子。它大大减小电路的环路面积,并同时在绞合的另一根芯线上产生相反的电动势。

7、防止电磁泄露的经验公式:缝隙尺寸<λmin/20。好的电缆屏蔽层覆视率应为70%以上。

No。5 接地

1、300KHz以下一般单点接地,以上多点接地,混合接地频率范围50KHz~10MHz。另一种分法是:< 0.05λ单点接地;< 0.05λ多点接地。

2、好的接地方式:树形接地
 3、信号电路屏蔽罩的接地。
接地点选在放大器等输出端的地线上。

4、对电缆屏蔽层,L< 0.15λ时,一般均在输出端单点接地。L<0.15λ时,则采用多点接地,一般屏蔽层按0.05λ或0.1λ间隔接地。混合接地时,一端屏蔽层接地,一端通过电容接地。

5、对于射频电路接地,要求接地线尽量要短或者根本不用接线而实现接地。最好的接地线是扁平铜编织带。当地线长度是λ/4波长的奇数倍时,阻抗会很高,同时相当λ/4天线,向外辐射干扰信号。

6、单板内数字地、模拟地有多个,只允许提供一个共地点。

7、接地还包括当用导线作电源回线、搭接等内容。

No.6 滤波

1、选择EMI信号滤波器滤除导线上工作不需要的高频干扰成份,解决高频电磁辐射与接收干扰。它要保证良好接地。分线路板安装滤波器、贯通滤波器、连接器滤波器。从电路形式分,有单电容型、单电感型、L型、π型。π型滤波器通带到阻带的过渡性能最好,最能保证工作信号质量。

一个典型信号的频谱:
2、选择交直流电源滤波器抑制内外电源线上的传导和辐射干扰,既防止EMI进入电网,危害其它电路,又保护设备自身。它不衰减工频功率。DM(差摸)干扰在频率 < 1mhz时占主导地位。cm在> 1MHz时,占主导地位。
 
3、使用铁氧体磁珠安装在元件的引线上,用作高频电路的去耦,滤波以及寄生振荡的抑制。
 
4、尽可能对芯片的电源去耦(1-100nF),对进入板极的直流电源及稳压器和DC/DC转换器的输出进行滤波(uF)。
注意减小电容引线电感,提高谐振频率,高频应用时甚至可以采取四芯电容。电容的选取是非常讲究的问题,也是单板EMC控制的手段。

No。7 其它

单板的干扰抑制涉及的面很广,从传输线的阻抗匹配到元器件的EMC控制,从生产工艺到扎线方法,从编码技术到软件抗干扰等。一个机器的孕育及诞生实际上是EMC工程。最主要需要工程师们设计中注入EMC意识  
在实验测试过程中,我们常遇到这样的情况:虽然设计工程师在设备电源线上接了电源滤波器,但是该设备还是不能通过"传导骚扰电压发射"测试,工程师怀疑滤波器的滤波效果不好,不断更换滤波器,仍不能得到理想的效果。

两个方面分析设备超标的原因


1)设备产生的骚扰太强;
2)设备的滤波不足。
对于第一种情况,我们可以通过在骚扰源处采取措施,降低骚扰的强度,或者增加电源滤波器的阶数,提高滤波器对骚扰的抑制能力来解决。对于第二种情况,除了滤波器自身性能不好以外,滤波器的安装方式对它的性能影响很大。这一点往往是被设计工程师忽视的。在很多测试中,我们通过更改滤波器的安装方式就能使设备顺利通过测试。

下面是一些常见的滤波器错误安装方式对滤波器性能影响的实例。

1 输入线太长
许多设备的电源线进入机箱后,经过很长的导线才接到滤波器的输入端。例如,电源线从机箱后面板输入,走行到前面板的电源开关,又回到后面板接到滤波器。或者滤波器的安装位置距离电源线入口较远,造成引线太长。如图1所示。
图1 电源线过长示意图

由于电源入口到滤波器输入端的引线过长,设备产生的电磁骚扰通过电容性或电感性耦合,重新耦合到电源线上,而且骚扰信号的频率越高,耦合越强,造成实验失败。

2 滤波器输入输出线平行走线
有的工程师为了使机箱内部的走线美观,常常把线缆捆扎在一起,这对电源线是不允许的。如果把电源滤波器的输入输出线平行走线或捆扎在一起,由于平行传输线之间存在分布电容,这种走线方式相当于在滤波器的输入输出线之间并接了一个电容,为骚扰信号提供了一条绕过滤波器的路径,导致滤波器的性能大幅下降,频率很高时甚至失效(如图2所示)。等效电容的大小与导线距离成反比,与平行走线的长度成正比。等效电容越大,对滤波器性能的影响越大。
图2 平行走线对滤波器的影响

3 滤波器接地不好,滤波器的壳体没有和金
属机箱良好搭接这种情况也比较普遍。许多工程师安装滤波器时,滤波器的壳体和机箱之间搭接不良(有绝缘漆);同时,使用的接地线较长,这将导致滤波器的高频特性变坏,降低滤波性能。由于接地线较长,在高频时导线的分布电感不能忽视,如果滤波器搭接良好,干扰信号可以通过壳体直接接地。如果滤波器的壳体和机箱之间搭接不良,相当于滤波器的壳体(地)与机箱之间存在一个分布电容,这将导致滤波器高频时接地阻抗较大,尤其在分布电感和分布电容谐振的频率附近,接地阻抗趋于无穷。滤波器接地不良对滤波器性能的影响如图3所示。

从图3中可以看到,由于滤波器接地不良,接地阻抗较大,有一部分骚扰信号能通过滤波器。为了解决搭接不良,应把机箱上的绝缘漆刮掉,保证滤波器壳体和机箱有良好的电气连接。
图3 滤波器接地不良对滤波器性能的影响

4 理想的安装电源滤波器的例子(仅供参考)
图4 电源滤波器安装示例

在这种安装方式下,滤波器的壳体和机壳接触良好,堵住电源线在机箱上的开口,提高了机箱的屏蔽性能;另外,滤波器的输入输出线之间有机箱屏蔽相隔离,消除了输入输出线之间的骚扰耦合,保证滤波器的滤波性能。
滤波器的安装方式直接影响了滤波器的滤波效果,为了充分发挥滤波器的性能,在安装滤波器时应遵循以下原则:

5 安装滤波器五点原则
1)在电源入口处就近安装,最好用滤波器壳体盖住机箱上的电源线入口孔;
2)接地线越短越好;
3)滤波器壳体与机箱良好搭接;
4)滤波器输入输出线分开,不能并行或交叉;
5)避免滤波器附近有强干扰源。

6 结论
本文主要介绍了电磁脉冲传感器在强场强下的校准方法,被测装置采用模拟量光纤传输系统传输脉冲信号,具有噪声低,非线性失真小,动态范围大的特点。通过测量获得了对传感系统的峰值响应灵敏度,一组实验室间的比对显示,这一校准方法具有较好的一致性。 

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