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电子设备EMC设计难题及其解决方法探讨

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电子设备EMC设计难题及其解决方法探讨

  • 分类:新闻资讯
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  • 发布时间:2014-09-30 11:36

 

1.EMC概述 

 电磁兼容性,英文名称为“Electromagnetic Compatibility”,简称EMC。在我国国家军标中给出了明确的定义。设备(分系统、系统)不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级;它也不会使同一电磁环境中的其他设备(分系统、系统),因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。由此可见,电磁兼容性指的是设备正常工作而又不相互干扰的存在于各类电磁环境的自身质量特性和耐受环境影响的特殊能力。由于其直接影响电子系统精度、可靠性、兼容性、安全性和环境适应性等多方面,因而在当代的电子、电气产品设计中地位日益突出。EMC的概念最早来源于军工行业,目前已涉及现代电子工业所有行业。就电子设备而言,在欧洲的CE认证和美国的FDA认证中都有关于EMC的强制性标准。本文从基本概念入手,结合实际工程经验,针对EMC设计、测试中比较棘手的难题,提出了一些在实践中切实有效的方法,希望能为从事电子设备设计工作者提供参考和借鉴,为国产电子设备EMC性能提高起到抛砖引玉的作用。

2.EMC设计难题及其解决方法探讨

 我国国内设备厂商目前大多不具备良好的EMC的系统设计能力和EMC设计管理控制能力,因此在实际工程中,会遇到不少EMC难题,其中比较突出的有静电抗扰度、辐射干扰、传导干扰等。本文主要就这三种日常比较棘手的难题及其解决方法总结如下。

     2.1 静电放电(ESD)难题及其解决方法

 静电在电子设备生命周期全过程中,无孔不入,防不胜防。电子设备因静电出现死机、显示不正常、甚至器件损坏是危害设备可靠性的大敌。尤其是便携式电子设备静电问题更加突出。静电对电子产品的危害机理复杂,防范困难。对于良好接地的可触及导电部分的±4kV接触放电,设备绝缘外壳一般是能够抵御的,但是对于±8kV空气放电和裸露的、接地不好的金属部分或电镀件、表面绝缘的金属等,往往会存在很多问题。

解决ESD的方案可以归为4大类:

(1)表面绝缘法,此方法的设计理念是通过加大电气间隙、爬点距离等方法,使得外部的静电场不能对敏感的电子设备直接接触放电或间接空气放电,例如塑料外壳产品无缝隙设计或即使有缝隙但是缝隙到内部电路有大于8mm的电气间距或能抵御±8kV的薄型加强绝缘材料。这种方法尤其适合解决接触放电问题,但无法很好解决由于静电场耦合造成的静电场容性干扰问题。

(2)静电屏蔽法,通过法拉第笼的屏蔽法让静电无法进入到金属壳设备内部。但由于设备需要散热且有对外接口,因此,就演变成设备的孔、缝设计问题。根据静电放电的典型上升时间为0.7~1ns,而辐射电磁波的主要能量集中在9次以下谐波,因此,一般抑制静电耦合的最高频点为14GHz,而根据常用的电磁场和天线理论,对于小于0.05λ的孔缝,能穿过的能量只有不到4%,因此,一般金属散热孔开孔尺寸最好小于1.2mm;其实最关键的还是外部电缆的接口设计(见后2条)和缝隙设计(加导电衬垫)。

(3)滤波接地吸收法,分为内部电路板与金属外壳隔离、单点接地或多点接地等情况。其目的主要是让静电不至于通过接口电缆进入内部电路板上。隔离法是结构设计可以确保静电很难沿着电缆进入内部时,通过电缆金属接插件,让静电只在外壳流动的设计,又叫能量释放法,一般通过合理的PCB布线和结构设计,使得高能量的静电电荷以电弧放电形式释放掉。但需防止表面大的瞬态电流磁场对内部的影响;单点接地和多点接地就是通过在接口增加ESD吸收或泻放器件(如齐纳二极管、压敏电阻等),例如在端口的电源或信号端增加差模或共模方式的ESD吸收器件,使得静电流直接流到机壳,而保护内部电路。一般接地面积需要达到一定的尺寸。

(4)绝缘、放电和导地相结合的方法(一般系统最常用)。首先是设备的输入输出口,其次是设备的键盘、面板等有缝隙的部位。这些部位本身并没有什么特别的地方,但是这些部位的缝隙附近如果存在未良好接地的导电体PCB板或元器件,±8kV空气放电将空气击穿,就可能直接造成电路的异常工作,或由于火花放电(电弧放电)发出严重的射频干扰而导致系统死机。这些问题一般可通过良好的结构设计和系统设计来避免。

     2.2 传导干扰难题及其解决方法

 传导干扰是指干扰源以传导耦合的方式到达敏感设备。干扰源和敏感设备之间通常有三种耦合通路。分别是公共电源、公共地回路、信号线之间的近场感应。当代电子设备中,较为显著的传导干扰来源于电源,目前开关电源应用非常广泛,但是其开关频率引起的辐射和传导干扰却无法忽视。当然,如果电源设计考究,这些问题也是可以很好地解决的,比如调整开关波形产生电路、考量变压器的设计、改进共模和差模滤波器等等。除了系统的设计考虑之外,解决电源端口传导骚扰和抗扰的最好方法是加专业的电源滤波器;同样的,解决信号和控制端口的传导干扰的最好方法也是加专业的信号滤波器。滤波器不仅能抑制电磁骚扰,更能保护外部的电磁干扰影响内部电路。但仅靠滤波器又是错误的,因为再好的滤波器也有其最大滤波能力,只有从骚扰源、传播路径共同配合设计,才是最佳设计。

     2.3 辐射干扰难题及其解决方法

 2.3.1 辐射干扰

 辐射骚扰和辐射敏感度是EMC问题的又一个很难解决的难题。不仅仅因为辐射相关试验频段宽,而且因为造成辐射干扰问题的多途径,例如噪声源太强,路径中的缝隙、导线、屏蔽效能大小和泄露程度等,敏感源敏感性高、抗扰度差,产品的设计和设计实现很难完好贯彻如一的执行等,这些因素决定了很难彻底通过屏蔽、滤波、接地、管理等方式完全解决这个难题。因此,解决好辐射干扰问题,是衡量产品电磁兼容设计质量的关键因素之一。

2.3.2 辐射干扰的解决方法

 通常考虑对干扰的抑制都是从干扰的三要素——干扰源、干扰途径、敏感设备——去着手的,辐射干扰也不例外。首先是考虑降低干扰源的辐射强度,然后是切断干扰耦合的途径。

(1)板级辐射干扰抑制。辐射干扰的控制是从电路板的布线开始的。为控制电路板的辐射,必须减小信号路径形成的环形区域,这是一项极其艰巨的工作。在系统中,时钟电流往往是最严重的辐射源。时钟电流的全部能量都集中在由基频为主的窄带内[3]。在布线时应尽量减小载有系统时钟电流的环的面积,所有时钟都应尽可能短地与地回路相连,如使用多层板布线时接地层就可起到这一作用。对于那些引到板外的时钟信号,应在板内作LC滤波(参数的选择上应注意不要造成信号严重失真或幅度过低),以使时钟信号尽可能少地载有高次谐波分量。此外,使用外壳接地的晶振也可减少时钟带来的辐射干扰。

(2)板间连接的辐射干扰抑制。除了电路板的辐射以外,板间互连电缆也可带来严重的干扰。板间互连电缆有这么几种:同轴、三芯、双绞和带状电缆,它们减小辐射的能力依次减弱。通常处理时钟信号的最佳途径是使用同轴电缆,因为在所有类型的电缆中,同轴电缆芯线与屏蔽层之间具有最大的互感。但是因为带状电缆(扁平电缆)的连接效率较高,在许多的电子设备中都广泛地使用带状电缆。这时电缆中地线的配置就相当重要了,导线间最好的布线方式是:地-信号--信号-地,相间配置,这样可以使每一信号的环面积都尽可能小,从而减弱辐射强度。带状电缆也可屏蔽,如覆盖有很薄的铝箔的屏蔽电缆,但是这种屏蔽电缆往往难以很好地端接(即具有360度环形连接),因此效果明显降低。为减少板间连接电缆带来的辐射干扰,还应尽可能使电缆的长度最短,这样电缆的辐射效率会显著下降,大量采用硬连接(直接插座或SMT焊接),可使板间连接造成的辐射减小。

(3)系统级的辐射干扰抑制。屏蔽是最重要的手段。不少医疗电子设备采用金属外壳,这可以起到一定的屏蔽作用,降低设备对外界的辐射。系统级的辐射干扰抑制,不仅要从管理上管控各个单元的电缆辐射干扰电平(含设计实现、生产工艺实现、工程安装实现等),而且要对各单元的地环路影响、信号的阻抗适配度、屏蔽和滤波的搭接工艺进行统一管理才行。所谓产品的设计水平是通过科学的管理保证的,管理方面不在本文考虑范围。

电磁屏蔽能效分为两个方面,即屏蔽体对电磁波的反射损耗和吸收损耗。同时电磁屏蔽效能又主要取决于两点:屏蔽材料和屏蔽体的完整性。从EMC测试的角度看,只要条件允许,一般优先考虑铁(钢)作为屏蔽材料,此外为提高其反射损耗,还可在表面镀锌或锡等材料。对于一些便携式设备,由于有重量轻的要求,一般都使用塑料外壳,这种情况下通常可采用在塑料外壳内壁喷涂屏蔽涂料的方法来达到屏蔽的目的,一般要求喷涂后的表面电阻小于0.5 Ohm,这与不喷涂屏蔽材料的状况相比,有明显的改善。

另外,屏蔽体上各种电气不连续处的屏蔽效能是决定总屏蔽效能的决定因素,因此在屏蔽设计时要特别注意那些电磁能量泄漏最大的因素,如设备的通风孔、线缆出入口、设备的外接电缆、机壳的接缝等。在屏蔽设计中,应使直接缝隙和间接搭接缝隙的尺寸远小于所要抑制的电磁波的波长λ,一般军用设备要求缝隙不大于0.01λ,民用设备不大于0.05λ,通用经验是必须小于0.25λ。缝隙的设计必须和电缆的滤波和搭接设计相结合考虑,以防顾此失彼。

还有值得一提的是,设备的传导干扰与辐射干扰存在一定的关联,这突出表现在AC/DC开关电源上。当开关波形上出现较大的振铃,除引起较大的传导干扰外,还会带来较大的辐射干扰。但与数字电路的时钟引起的辐射干扰不同,它在高频频谱上没有突出的单支峰,而是呈现出山坡状的曲线。当采取适当的滤波电路措施消弱振铃后,其带来的辐射干扰亦被消除。

 

3.结语

    随着人们对现代电子设备EMC工作的认识,这项工作的重要性得到了越来越多的企业的共识。因此加强相关领域的工程技术人员和学者之间的经验交流和技术研讨,势必会推动我国现代电子设备EMC工作的发展。本文在这里粗浅地探讨了一些在EMC设计过程中对一些难题的认识和解决方法,仅供大家参考。

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