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学会EMC设计,大部分EMC整改问题可避免

本文介绍了EMC三大规律、EMC问题三要素,电磁干扰的特点,以及五个层次EMC设计方法。帮助工程师在设计开始时注意解决方案EMC问题,确保产品认证通关。

EMC它是产品认证的重要组成部分。几乎所有进入国际市场的中国产品和涌入中国市场的外国产品都必须进行各种产品认证。从国际贸易的角度来看,产品认证本质上是一个技术贸易壁垒。只有不断提高产品质量, 只有突破技术壁垒,才能开拓海外市场,促进外贸发展。 “CCC”是我国强制性产品认证标志—— China Compulsory Certification英文缩写,只有3C 只有认证产品才能进入国内市场。3C认证机电、电气产品的安全性能,EMC详细规定了其他方面。

EMC问题是目前大多数企业的技术困难!大多数从事机电产品制造的企业都有同样的感受。特别是面对品牌竞争和价格竞争,一些企业倾向于降低成本和牺牲EMC 要求的现象使这个问题更加突出。

机电产品3C认证指标涉及产品安全,EMC两个方面。从认证检测的角度来看,产品达不到3C认证要求的主要原因是EMC方面过不了关。其实不管怎样, 日常检验或各种产品认证,EMC测试通不过的情况比较普遍,部分企业在EMC因此,从设计开始就开始关注这个问题EMC是企业级工程师亟待关注的问题。

在新产品研发阶段EMC设计,等待产品EMC只有考试不合格才能改进,成本才能大大节约,效率才能大大提高;相反,效率会大大降低,成本也会大大增加。

经验告诉我们,在功能设计的同时EMC 设计通过样板和样机EMC测试是最省时、最经济的。相反,不考虑产品研发阶段EMC,投产后发现EMC改进不合格,不仅技术难度大,而且返工必然会带来成本和时间的巨大浪费,甚至涉及结构设计PCB设计缺陷,无法实施改进措施,导致产品无法上市。

高频信号电流通过最小电感路径。当频率较高时,一般电阻大于电阻,高频信号的连接是电感,串联电感引起辐射。电磁辐射多为EUT被测设备上的高频电流环路产生的最坏情况是开路天线形式。相应的处理方法是减少和缩短连接,减少高频电流电路面积,尽可能消除任何异常工作所需的天线,如不连续布线或有天线效应的部件。

减少辐射骚扰或提高辐射抗干扰能力的最重要任务之一是尽最大努力减少高频电流环路面积S。

减少辐射骚扰或提高辐射抗干扰能力的最重要途径之二是尽最大努力降低骚扰源的高频电流频率f,即降低骚扰电磁波的频率f。

本文的以下内容是利用上述三条规则,提倡尽快考虑EMC问题,介绍EMC 设计和EMC问题改进。

改进EMC 问题就像疾病的诊断和治疗。若产品未通过EMC 在测试中,我们只能从测量结果中知道哪些频率点超标,这些频率的电磁干扰来自哪里,往往是工程师最难找到和解决的问题。产品EMC 问题,说难亦难,说易亦易。改进EMC问题,首先,根据EMI产生的方式和机制,即EMC针对问题产生的因素,EUT(测试样品,下同)先判断电路原理,如IT类设备和AV由音视频设备引起EMC问题的原因或内部骚扰源是什么?先推断,再结合测试 通过现象看本质,分析超差的原因–弄清楚骚扰源,为了有针对性,彻底了解骚扰途径。高频示波器频谱分析仪可用于分析超差的原因 场探头验证分析结果,从频域到时域,再从频域到时域,分析和寻找EMC对应电路和设备的问题。

由于脉冲电流和电压具有丰富的高频谐波,开关电源和数字设备会产生强辐射。电磁干扰包括辐射型(高频)EMI、传导型(低频)EMI,即产生EMC问题主要有两种方式:一种是空间电磁波干扰的形式;另一种是通过传导的形式,换句话说,EMC电磁干扰源、耦合三个要素 方法,敏感设备。辐射干扰主要通过外壳和连接线以电磁波的形式污染空间电磁环境;传导干扰是通过电源线骚扰公共电网或通过其他终端(如射频终端、输入终端)影响连接的设备。

传导、辐射、骚扰源-(途径)----- 近场耦合敏感受体IT、AV 设备可能的骚扰源

a) FM接收机、TV基波和谐波由高频头和本机振荡电路产生;

b) 开关电源的开关脉冲和高次谐波,同步信号方波及高频谐波,行扫描显像电路产生的行、场信号和高频谐波;

c) 数字电路工作所需的各种时钟信号、高频谐波及其组合,如CPU芯片工作时钟、MPEG27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;

d) 数字信号方影响高频谐波、晶体振动、非线性电路现象(非线性失真、互调、饱和失真、截止失真)等无用信号和杂散信号;

e) 电路设计中存在的寄生频率点是非正弦波形、波形毛刺、过冲、振铃。

f ) 通过耦合接受的外部骚扰包括浪涌、快速脉冲组、静电、电压下降、电压变化和各种电磁场。

① 单位脉冲的频谱最宽;

② 脉冲面积取决于频谱中低频含量,脉冲前后陡度取决于高频分量;

③ 晶体振荡电平必须达到一定范围, 数字电路可以按一定的时间顺序工作,使晶体振动产生的骚扰具有覆盖带宽、骚扰电平高的特点;

④ 当收发天线极化,方向特征相同时,EMI辐射和接受最严重;收发天线面积越大, EMI危害逾大;

⑤ 骚扰方式:辐射、传导、耦合和辐射、传导、耦合的组合。

⑥ 共模电流主要产生电源线传导骚扰;

⑦ 辐射骚扰主要由差模电流形成的环路产生。

了解EMC三个规律和EMC会使问题三要素EMC问题变得有规可循,坚持EMC解决了规律EMC省时省力,事半功倍。

EMC设计,简单地说,就是仔细预测可能发生的各种EMC问题,优化方案和电路选择,寻找优化电路、机械结构和PCB设计解决方案,提高产品设计质量,确保功能和性能指标,考虑成本效益,避免EMC问题。为了抑制和消除骚扰源,降低高频信号频率、高频电流电路面积、共阻抗耦合或感应耦合,选择低速、低辐射设备、屏蔽底盘、屏蔽电缆和I/O滤波器是常用的措施。

一般来说,EMC设计可分为五个层次。以下是五个层次。EMC设计要点:

A ) 方案选择、主要部件、集成电路选择、电路和机械结构设计;第一级设计是产品成功最基本、最重要的,任何错误都意味着产品项目完全失败。

1)方案选择、主要部件、集成电路选择主要考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力,尽量选择自身发射小芯片,如翻转时间长、工作速度低、多接地芯片(芯片本质是高集成电路模块,包装多接地,可减少高速差电流环面积S,减少芯片的发射);避免使用大功率、高损耗的设备,它们通常是大辐射源;

2)确保所选设备不在非线性区域工作,以免产生谐波成为干扰源。

3)除了减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力外,电路和机械结构的设计主要考虑电源电路的外部骚扰,包括浪涌、快速脉冲组、静电、电压下降、电压变化等;

4)电路设计或方案不得过冲数字信号波形,最大限度地减少无用谐波振荡,最小限度地减少无用高次谐波成分,避免强电磁干扰;

5)增加阻尼,减少Q值,防止振荡;

B ) PCB的EMC设计;产品成功与否, PCB的EMC设计是重要环节。

PCB不合理的设计会产生无法补救的后果;PCB良好的EMC设计,事半功倍。PCB 的EMC设计应遵循以下内容:

1) 尽量减少由所有高速信号及时钟信号线组成的环路面积,尽可能短,使信号线靠近地回路;

2) 采用小型设备和多层电路板,多层印刷板可收紧接线空间,高频特性好,易于实现EMC;

3) 选择印刷板层数,考虑关键信号的屏蔽和隔离要求,首先确定所需的信号层数,然后本,增加地平面和电源层PCB EMC设计最佳措施之一;

4) 印刷板的分层原理与印刷电路和布线的布置原理相同。元件表面以下为地平面,关键电源平面与相应的地平面相邻。相邻层的关键信号不跨区域。所有信号层,特别是高速信号和时钟信号,都毗邻地平面。尽量避免两个信号层相邻;

5) 当个别电源层和地层不能作为连续平面时,采用多网连接形成地格蜂窝网,有效减少电流环路面积和公共阻抗R,增加信号和地层分布电容;

6) 电源和地/时钟线/信号线应短、直、粗、均匀,不得直角、突变, 要有之字形,用圆角代替尖线,尽量加宽电源和地面的布线,尽量满足微带线和带状线的要求;

7) 尽量远离骚扰源,考虑铁氧体材料的使用,预留磁珠和贴片滤波器的位置,按需加减;

C ) 电与接地、高速信号线和内部电缆EMC设计;PCB的EMC在设计中还提到了供电接地和高速信号线EMC此外,还应遵循以下内容:

1)芯片之间采用低阻抗连接(地平面),不同芯片电源脚之间的阻抗应尽可能小,芯片电源脚(即离芯片电源 脚靠近的供电线路)与地面间接高频旁路电容,供电线路预留磁珠和贴片滤波器的位置,按需加减;

  1. 布线、I/O排线的心原则就是减小电流环面积S,布置排线的原理与印制板分层原理一样,关键电源线与其对应的地线相邻,所有的信号层特别是高速信号、时钟信号线与地线相邻,尽量避免两信号线相邻;

  2. 为避免接地线长度过长(接近λ/4),可采用多点就近接地,接地线高频阻抗要小;

  3. 减小电缆的天线效应及减小偶极子天线效应,跨线、I/O排线采用屏蔽性能好的线缆,内导线采用多股双绞线,使空间场互抵,屏蔽层可作为回线;

  4. 机内采用屏蔽线防止感应噪声;

  5. 波器的输入输出线应拉开距离,忌并行走线,以免影响滤波效果;

  6. I/O接口注意高速电路阻抗匹配,减小、消除反射;

D ) 屏蔽设计;屏蔽好的要求有三:完整的电连续体;滤波措施;良好的接地。

对于信息技术IT类设备,当主板及配置选定的情况下, 提高整机的屏蔽效果和各个部分的隔离效果非常重要,尤其个人计算机和液晶显示器。这里只说屏蔽设计:

  1. 计算机机壳内骚扰场强较大,机壳塑料部分未涂导 电材料或所涂导电材料不佳,机箱有孔洞、缝隙,不是一个完整电连续体,进出线滤波不好,最终都可导致辐射骚扰超出限值。机箱为了更好屏蔽电磁辐射,既能照顾到机箱的散热需求,又能有效地防止 磁波的衍射,开孔尺寸一般不超过4mm;

  2. 根据产品实际进行屏蔽设计,端口、通风孔、孔洞、连接缝隙的屏蔽性都是值得考虑的因素;

  3. 液晶显示器为了更好屏蔽电磁辐射可以采用喷涂导电材料的外壳(接缝处要喷涂导电材料);

  4. 为了将辐射减到最小,尽量使用通过了CQC(EMC方面)自愿认证的机箱;

  5. 为保证机箱的密封性,要使用精密模具冲压成型,设计适当的弹点和卷边;

  6. 变压器加静电屏蔽及接地等;

E ) 输入/输出的滤波设计电源线滤波和信号线滤波的重要性并不亚于机箱屏蔽,滤波关键是针对EMC 要求,兼顾达标和经济的原则。

在I/O接口部位,一般采用高频滤波效果好、安装简单的滤波连接器。在电缆上缠绕或套用铁氧体磁环也能起到一定的滤波吸波作用。设计或使用信号线滤波器时,滤波器的截止频率须高于电缆上要传输的信号频率。

1) 传导骚扰问题处理的方法主要是低通滤波。在1MHz以上时,传导发射问题通常是由辐射发射的耦合而引起的,须综合运用抑制传导发射和辐射发射的技术措施,如屏蔽、去耦和滤波。

2) 滤波电路的衰减性能与源和负载的阻抗关系很大,失配越大,滤波器衰减电磁干扰的效果越好。大多数情况下,电源线表现为低阻抗,则滤波器的输入端应为高阻抗。另一方面,设备既可能为高阻抗,也可能为低阻抗。对于线性电源高阻抗,为获得阻抗失配,负载端应设计为低阻抗。对于开关电源和同步电机这样的低阻抗设备,负载端设计为高阻抗。

3) 减共模和差模电容,加减共模和差模线圈,调整电容参数和线圈匝数,共模和差模插入损耗对频率的曲线都可改变。滤波器的泄漏电流是指相线和中线与外壳地之间流过的电流。它主要取决于连接在相线与地和中线与地间的共模电容。共模电容的容量越大,共模阻抗越小,共模骚扰抑制效果越好,但安全标准规定泄漏电流不能过大。

4) 电源滤波器安装位置应靠近电源线入口处,如能 做成与接口一体化更好。对于金属屏蔽机箱,选用独立电源屏蔽滤波器,安装在电源线入口处,并确保滤波器外壳与设备机箱(地)良好电接触,这样的效果是最好的。滤波器接地通常固定在电缆出口处的公共地金属构件上。

一、了解EMC问题三要素、电磁干扰的特性、电磁干扰源和传播途径,掌握五个层次EMC设计法则,坚持利用EMC规律,趁早考虑和解决EMC问题,否则遇到PCB必须重新设计或结构必须重新设计时,大家只有后悔EMC考虑得迟了。

二、当产品的EMC不符合要求需要整改时,首先要诊断出电磁干扰源、耦合途径,然后利用EMC设计要点中提到的方法,综合运用屏蔽、滤波吸波、接地等措施实施改进。改进途中,测试再不通过,先检讨问题判断是否正确?对策是否失误?使用器件参数是否需要调整?不要一下子就改变初衷,应不慌不忙。整改时要特别注意,正确诊断出电磁干扰源、耦合途径后,采用EMC抑制器件时,不但要选择合适,而且所用器件要货真价实,才会把问题彻底解决。

三、工厂应对关键生产工序进行识别,关键工序操作人员应加以培训,制定相应的工艺作业指导书或标准样件(可以采取拍照给出图片的方式),使生产过程受控。取最简化而且EMC又有一定裕量的样机作为标准件,核对生产、装配工艺,检验时,着重进行EMC关键元器件和材料的检验/验证,以及装配工艺一致性检查。

四、为验证产品持续符合标准要求,工厂应在适当阶段对产品进行确认检验(本身不具备检测条件时,抽样送有能力的机构进行检验),以确保产品持续符合EMC要求,万一变化亦能及时发现。

五、当产品EMC关键件要改变、调整时,应用新的器件替换原器件重新制造几台样机进行测试,确认EMC关键件改变和调整对整机EMC的影响。

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