EMI(电磁干扰)对策

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EMC的相关知识在之前的文章有写过:电磁兼容(EMC)基础知识-电源网 (dianyuan.com)

产生EMI(电磁干扰)应采用的相应对策:传导干扰可采取滤波方式,辐射干扰可采用屏蔽和接地等措施,这些方式可以大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力,也可以有效地降低对外界的电磁干扰。经常听说解决EMI三大解决方法:接地、滤波、屏蔽。

接地

产品的电路和设备外壳需要与一个公共参考点(一般为大地)相连。接地又可以细分为接安全地和接工作地。

接安全地:产品设备的机壳、机座等,要与大地相接,设备即使存在漏电,也不影响人身安全。

接工作地:信号的参考地平面,产品I/O端口接地等方式,就是接工作地,抑制信号干扰。

针对产品的设计,接地有下面四种情况:

①单点接地与多点接地

信号:工作频率大于10MHz,建议采用多点接地,尽量降低地阻抗。如果采用单点接地,注意信号地长度≤1/20λ。

有的资料提出电子设备是否选择单点接地,主要取决于系统的工作信号频率和接地线的长度,即其表征量L/λ。L/λ<=0.1时,选择单点接地,单点接地的应用范围一般在300kHz以下,在有些场合也可用在1MHz以下。

线缆:线缆屏蔽层的长度以0.15λ为基准,尽量采用多点接地。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。

射频:接地线尽量短,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。

②数字模块与模拟模块区分开,数字地与模拟地分开处理

③加粗接地线≥2mm,减小电流变化引起的噪声

④接口的接地线闭环,缩小电位差值,提高抗噪声能力

滤波

常见的滤波元器件是电容,电容常用的方式如下图:

电容的阻抗公式:

高频时,电容阻抗很小,高频噪声经过此就会短路到地。除了电容,还可以选择滤波器,滤除信号线上不需要的高频干扰成份,解决高频电磁辐射与接收干扰。电源滤波器安装位置应靠近电源线入口处,需要注意的是滤波器要保证良好接地。

滤波的处理有以下四点:

①滤波电路的性能与阻抗匹配的关系很大,源端和负载失配越大,滤波器衰减电磁干扰的能力越强。一般情况下,开关电源表现为低阻抗,负载端设计为高阻抗。

②增减共模和差模电容,调整电容参数和线圈匝数。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。

③传导干扰的问题可选用低通滤波的方式。

④接口处既有滤波又有防护电路,应该遵从先防护后滤波的原则。

屏蔽

利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输,可以抑制电磁干扰。屏蔽有两个目的:

①防止内部电磁能量辐射泄露出某区域

②防止外部电磁能量辐射干扰进某区域

衡量屏蔽效能的公式:

E1,H1为无屏蔽体时的电场强度和磁场强度

E2,H2为有屏蔽体时的电场强度和磁场强度

高频射频屏蔽的关键是反射,低频磁场屏蔽的关键是吸收。低频的情况下,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)。磁场屏蔽还取决于厚度、几何形状、孔洞的线性尺寸。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,对材料也有厚度的要求。

①屏蔽因素

产品的机构设计中,机箱部分为了更好屏蔽电磁辐射,既能照顾到机箱的散热需求,又能有效地防止电磁波的衍射,开孔尺寸一般不超过4mm。需要注意的问题是,对于磁场辐射源,孔洞在近场区的屏蔽效能与电磁波的频率没有关系,也就是说,很小的孔洞也可能导致较大的泄漏。这时影响屏蔽效能的一个更重要参数是孔洞到辐射源的距离。

影响屏蔽因素:缝隙、开孔、电缆穿透等。孔缝泄漏量的因素主要有两个:孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。关于屏蔽性能和孔洞的关系公式:

SE:屏蔽效能(dB)

L:孔洞的长度(mm)   

H:孔洞的宽度(mm)    

f:入射电磁波的频率(MHz)

如果L大于λ/2,则SE=0(dB)。这个公式计算的是最坏情况下(造成最大泄露的极化方向)的屏蔽效能,实际情况下屏蔽效能可能会更高一些。

孔洞的问题,先要确定磁场的辐射源是不是在附近,再确定是需要通过重新结构设计还是缩小孔洞尺寸来解决。

缝隙的问题,先检查衬垫情况,再确定是通过安装好相关衬垫还是密封缝隙的方式来解决泄露问题。

电缆的问题,先用上铁氧体磁环看看辐射有没有改善,然后考虑增加磁环,最后考虑滤波器或屏蔽线缆来解决。

②屏蔽与散热

屏蔽和散热是互相矛盾的,散热孔一般是一组孔洞,利用风扇进行强迫对流,这些孔洞将会引起电磁泄漏,使屏蔽效果下降,孔洞越大,屏蔽效果越差。通常系统的外壳都配置了散热孔,这种散热孔会影响整个系统的屏蔽性能。

Ei入射电场强度

Et透射电场强度

SE为0,无屏蔽效果。屏蔽的效果SE要满足相关产品的要求。

③屏蔽处理

屏蔽分两种情况进行,一种是针对干扰源进行屏蔽,另一种为在耦合路径上进行屏蔽。屏蔽干扰源是对辐射比较严重的芯片进行屏蔽,防止干扰源通过空间辐射影响到周边敏感设备。在耦合路径进行屏蔽处理是防止噪声通过互连结构将噪声放大,影响信号质量。需要注意的是屏蔽都要进行接地处理,尽量多点接地。常见的屏蔽处理方式:金属罩屏蔽、铜箔屏蔽等。

金属罩屏蔽处理

铜箔屏蔽处理

在产品设计中,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。要清楚产品所需的屏蔽性能,先要确定辐射源,明确频率范围,再根据各个频段的互连结构,确定控制要素,进而选择恰当的屏蔽材料,设计屏蔽壳体。

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