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经验之谈:与EMC设计的有关的那些事儿

2020-05-15 15:16 来源:互联网 编辑:Emma

EMC俗称电磁兼容,其定义是对电子产品在电磁场方面干扰大小(EMI)和抗干扰能力(EMS)的综合评定,是产品质量最重要的指标之一,电磁兼容的测量由测试场地和测试仪器组成。电磁兼容是研究在有限的空间、时间、频谱资源条件下,各种用电设备可以共存,并不致引起降级的一门学科。它包括电磁干扰和电磁敏感度两部分,电磁干扰测试是测量被测设备在正常工作状态下产生并向外发射的电磁波信号的大小来反应对周围电子设备干扰的强弱。电磁敏感度测试是测量被测设备对电磁骚扰的抗干扰的能力强弱

何为是EMC设计?

首先,EMC设计审核并不是一个完整的评论,相反,它侧重于特定的EMC问题,它没有解决其他问题,如可靠性,热量,功率,重量等,最好留给更正式的评论。

根据产品的不同,EMC设计审查可以解决电路板问题,机械问题或系统级问题。同时,它还涉及需求(法规和/或威胁),约束(成本,数量等)和设计策略。

什么是EMC设计审核的最佳时间?

对于大多数项目,EMC设计审查的理想时间是在最初的电气和机械设计阶段,对于电路板,很好的时间是电路板布局完成,第一件艺术品准备就绪,在这个阶段,设计通常足够坚实,可以提出建议,但流动性足以做出改变。

在某些情况下,您可能希望在早期概念阶段考虑EMC问题,在处理包装问题(例如布线和屏蔽)时,这尤其有用,在考虑连接器布局或总线或I/O设计时,这可以扩展到电路板。

大多数EMC审核可在一天或更短时间内完成,对于简单的系统或单个电路板,即使几个小时也可能就足够了,但是不要自己做这一切,多和同事一起讨论这些问题,通常向其他人解释设计的方法能跟快解决问题。

在进入设计评估之前,必须完成四项初步任务,如下所示:

1.识别和评估EMC威胁-典型威胁包括来自附近发射器的射频(RF)能量,来自人或其他来源的静电放电(ESD),电源干扰以及传导/辐射发射(可能对其他电子设备产生不利影响)。

这些通常被指定为测试要求,但您可能需要根据实际预期环境对其进行修改,例如,在对医疗器械的一次审查中,我们询问它是否将用于陆地和空中救护车。如果答案是肯定的,原来的办公室/家庭要求被认为是不合适的。

顺便提一下,该制造商最终开发了两个产品系列,救护车产品的硬化程度高于家庭/办公室产品,并以高价出售。什么可能导致一些棘手的EMC问题产生额外的利润,同时抢先解决意外的客户问题(良好工程的一个例子!)。

2.确定影响或受这些威胁影响的关键电路或组件-数字电路(特别是复位和控制电路)非常容易受到尖峰和瞬变的影响,而模拟电路非常容易受到RF影响。数字时钟(和其他高度重复的信号源)是丰富的辐射发射源。电源电路易受电源干扰,也可能导致传导发射。

3.确定可能影响EMC设计决策的其他设计约束-包括成本,数量,重量,空间和不合规成本(CONC),顺便提一下,在成本非常敏感的情况下,我们经常提倡设计就地固定器(例如电容器的焊盘),以后可以根据需要使用EMC组件进行填充。不要忽视后者-作为工程师,我们总是需要一个后备计划。

4.确定适当的EMC设计功能-这就是设计乐趣的开始。电路板是一个理想的起点。毕竟,所有电磁干扰EMC问题最终都会在电路中开始和结束。当然,如果您不设计电路板,您将在系统级别工作。这可能包括机械问题(屏蔽)以及电缆,连接器,电源和接地。许多(但不是全部)防御项目属于后一类。

以下是检查电路板的十个关键点:

1.时钟电路-这些是高频辐射发射的主要来源,另外,检查任何高度重复的类似时钟的电路。一些存储器控制和总线控制信号属于这一类。

设计建议包括:

a、Vcc的高频去耦(串联铁氧体提供更多保护)

b、时钟输出串联电阻(典型值10-33欧姆)

c、位于振荡器附近的晶体或谐振器

2.复位/中断/控制电路-瑞典非常容易受到ESD,EFT和瞬态的影响,中断和控制(读/写)也很容易受到攻击。机械开关的外部复位线非常脆弱。

设计建议包括:

a、复位Vcc,参考和输出的高频去耦,走线长度超过两英寸走线长度,考虑使用串联铁氧体进行额外保护。

b、易受攻击的中断/控制电路所需的类似修复

3.模拟电路-非常容易受到RF能量的影响。此外,寄生振荡可能导致不必要的辐射发射。

设计建议包括:

a、Vcc的高频去耦

b、电路输入和输出的高频滤波(典型值为1000pF)

c、所有模拟传感器都有类似保护

4.电压调节器-像模拟电路一样,它们也容易受到RF的影响,由于元件带宽增加,寄生振荡现在在VHF/UHF频率范围内很常见。

设计建议包括:

a、Vcc的高频去耦

b、输入和输出引脚直接高频去耦至芯片中性引脚(典型值为1000pF)。强烈建议防止那些讨厌的寄生振荡。

5.射频发射器和接收器-这些电路带来了一系列全新的潜在EMC问题,板载接收器可能被数字谐波干扰或消失(GPS接收器极易受到攻击),板载发射器可能会堵塞附近的模拟电路。多个无线电可能导致互调和交叉调制问题。

设计建议包括:

a、保护接收器输入(可能需要特殊设计)。

b、RF模块的内部屏蔽

c、时钟管理(避免接收器输入上的谐波)。

d、检查天线位置和电缆布线。

e、DSP或其他软件技术也可能是必要的。

6.电路板叠加-良好的电路板结构对于良好的EMI控制至关重要,幸运的是,大多数修复都是免费的。

设计建议包括:

a、将每个信号层保持在相邻平面旁边。

b、保持相应的电源/接地层相邻。

c、保持对称叠加。

d、考虑外埋地层。

7.分裂平面-交叉切口和不匹配的平面可以严重抵消板上最好的EMI控制,修复这些问题后,我们已经看到了10倍的改进(20分贝),因此,首先要防止它们符合您的最佳利益。

设计建议包括:

a、检查高速走线,并在相邻平面的切口上进行“上下”布线。

b、请注意,如果高频能量潜入这些迹线,切割过程中的低速迹线也会导致问题。

c、始终将电源/接地层对齐为镜像。

8.平面规划和布线-组件的随机放置和随机跟踪路由可能导致EMC问题,有机会,自动路由器经常路由以最大化EMI(Murphy定律的变化)。

设计建议包括:

a、根据频率分离组件,将数字,音频,电源和RF电路组合在一起,而不是将它们全部集中在一起。也分开了痕迹。

b、注意关键迹线(时钟,复位,控制线)的布线。

c、避免将关键电路放置在I/O端口附近。

d、考虑手动布线关键走线以实现更好的EMC控制。

9.保护外围设备-由于电源和I/O连接到外部世界,因此需要特别注意。这从板级开始,也可以在系统级应用。

设计建议包括:

a、根据需要过滤和瞬态保护。至少,在所有电源输入端放置0.01uF电容。

b、注意外部I/O线路上的ESD保护。

10.接地-需要在电路板和系统级别解决的另一个问题,这可能是另一篇文章的主题,甚至是一本书。但是在董事会层面上有很多事情需要检查。

设计建议包括:

a、考虑数字,模拟和电源的单独接地路径。

b、多点接地连接是高速数字(和RF)电路的首选。

c、对于低电平/低频模拟电路,单点接地连接是首选。

d、混合接地(电容器和电感器)可用于混合技术。

e、请注意,额外的接地限制可能适用于恶劣环境,切勿违反安全接地以解决EMC问题。

经验之谈:与EMC设计的有关的那些事儿

系统级评审

在这个层面上,我们经常从外到内工作,专注于机械结构,接口(电源和信号)和系统接地,其中大部分假设屏蔽外壳,对于非屏蔽设备,必须在板级实现EMC设计目标。

1.机械-在这个级别,我们对EMC屏蔽性能感兴趣,因此,我们看看材料,机械接头(接缝/覆盖/通风)和不连续性(穿透和开口)。

设计建议包括:

a、检查材料,薄导电涂层(包括箔,涂料和电镀)对高频有效,但通常不适合工频磁场。在后者中,可能需要可渗透材料(钢或mu-金属)。

b、检查不连续性。超过两英寸的任何接缝对于高于300MHz的ESD或RF是有问题的。在1GHz,即使是1/2英寸也可能相当漏水。您可能需要用导电垫圈填充接缝。有关电缆穿透的信息,请参阅下一段。

2.接口-在这个级别,我们检查信号和功率及其连接。这包括内部电缆布局和布线。

设计建议包括:

a、对于信号接口,请使用隔板连接器作为屏蔽电缆。过滤后的连接器甚至更好。没有洞。将电缆穿过外壳中的孔可以完全破坏高频下的EMC屏蔽。我们已经看到它发生了太多次。

b、对于电源接口,隔板过滤器在穿透点处是优选的。如果使用内部模块化过滤器,则必须尽可能靠近穿透点放置。

c、外部电缆-如果可能,检查配套电缆。连接器是关注的关键领域。电缆与连接器的完全圆周结合是优选的。如果它泄漏出外部电缆或连接器,那么您在盒子级别的所有努力都是徒劳的。

3.系统接地-大多数EMC接地问题都在电路级的包装盒内解决,这里主要关注的是不违反系统接地方法,特别是安全接地。

标签: EMC ESD RF

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