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分析电磁兼容性设计的三规律三要素五层次

EMC是产品认证的重要组成部分。无论是走向国际市场的中国产品,还是涌向中国市场的外国产品,几乎都需要进行各种产品认证。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,突破技术壁垒,才能开拓海外市场,促进外贸发展。CCC是中国强制性产品认证标志——ChinaCompulsoryCertion的英文缩写。只有获得3C认证的产品才能进入国内市场。3C认证详细规定了机电和电气产品的安全性能。

EMC问题是目前大多数企业的技术难题!从事机电产品制造的企业也有同感。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,牺牲EMC的要求,这使得这个问题更加突出。

机电产品3C认证指标涉及产品安全和EMC。从认证和测试的角度来看,产品不能满足3C认证要求的主要原因是EMC无法通过。事实上,EMC测试在日常检验和各种产品认证中普遍失败,一些企业对EMC问题感到担忧。因此,从设计之初就关注EMC是企业工程师迫切需要关注的问题。


EMC三大规律

1)规律一,EMC费用比关系规律:越早考虑EMC问题,越早解决,成本越低,效果越好。

在新产品研发阶段,EMC设计比产品EMC测试不合格要好。成本可以大大节约,效率可以大大提高;相反,效率会大大降低,成本也会大大提高。

经验告诉我们,EMC设计是在功能设计的同时进行的,而EMC测试是在样品完成后通过EMC测试的,这是最省时、最经济的。相反,在产品研发阶段,不考虑EMC,只有在投入生产后发现EMC不合格时才进行改进,这不仅给技术带来了很大的困难,而且不可避免地会造成成本和时间的巨大浪费。即使由于结构设计和PCB设计的缺陷,也无法实施改进措施,导致产品无法上市。

2)规律二,高频电流环路面积S越大,EMI辐射越严重。

高频信号电流通过最小的电感路径。当频率较高时,一般接线电阻大于电阻,连接到高频信号为电感,串联电感引起辐射。大多数电磁辐射是由EUT测试设备上的高频电流回路产生的,最坏的情况是开路的天线形式。相应的处理方法是减少、减少连接,减少高频电流电路的面积,并尽量消除任何异常工作所需的天线,如连续接线或具有天线效应的部件太长。

减少辐射骚扰或增加辐射抗干扰能力的最重要任务之一是尽量减少高频电流回路面积S。

3)规律三:环路电流F频率越高,导致EMI辐射越严重,电磁辐射场强度随电流F的平方成正比增加。

减少辐射骚扰或提高辐射抗干扰能力的第二个最重要途径是尝试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。

以下内容,就是利用以上三条规则,提倡早期考虑EMC问题,介绍EMC设计和EMC问题改进。

改善EMC问题就像诊断和治疗疾病一样。如果产品没有通过EMC测试,我们只能从测量结果中知道哪些频率点超标,而这些频率的电磁干扰往往是工程师最难发现和解决的问题。产品EMC问题,说起来难,说起来容易,说起来容易。要改善EMC问题,首先要根据EMC问题产生的途径和机制,即EMC问题产生的元素,对EUT(测试样本,下同)的电路原理做出一些判断,比如IT设备和AV音视频设备引起EMC问题的原因或内部骚扰源是什么。首先推断,然后结合测试项目的测试图,通过现象看到本质,分析超差的原因——找出骚扰源,彻底了解骚扰途径,这样才能有针对性。要分析超差的原因,可以使用高频示波器或频谱分析仪加上场探头来验证结果,从频域到时域,分析电路和电路,分析电路,分析电路和电路。


EMC问题三要素

开关电源和数字设备由于脉冲电流和电压具有非常丰富的高频谐波,因此会产生非常强的辐射。电磁干扰包括辐射(高频)电磁干扰、传导(低频)电磁干扰,即电磁干扰问题主要通过两种方式:一种是空间电磁干扰的形式;另一种是通过传导的形式,换句话说,电磁干扰问题的三个元素是:电磁干扰源、耦合路径、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或其他端子(如射频端子、输入端子)影响连接的设备。

传导、辐射、骚扰源-(途径)-敏感受体近场耦合IT,AV设备可能的骚扰源。

a)FM接收机,TV接收机本机振荡,基波和谐波由高频头、本机振荡电路产生;

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

c)CPU芯片工作时钟、MPEG解码器工作时钟、视频同步时钟(27MHz、16.9344MHz、40.5MHz)等。

d)由数字信号方波和高频谐波引起的无用信号和杂散信号,晶体振动引起的高次谐波和非线性电路现象(非线性失真、相互调节、饱和失真、截止失真);

E)非正弦波形、波形毛刺、过冲、振铃、电路设计中存在的寄生频点。

F)通过耦合途径对敏感受体的外部骚扰包括浪涌、快速脉冲群、静电、电压下降、电压变化和各种电磁场。

电磁干扰的特点。

①单位脉冲的频谱最宽;

②低频含量取决于脉冲的面积,高频分量取决于脉冲前后边缘的陡度;

③晶体振荡电平必须达到一定范围,数字电路可以按一定时间工作,使晶体振荡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辐射和接严重;收发天线面积越大,EMI危害越大;

(5)骚扰途径:辐射、传导、耦合、传导、耦合。

⑥共模电流主要产生电源线传导骚扰;

⑦差模电流形成的环路主要产生辐射骚扰。

了解EMC的三个规律和EMC问题的三个要素,会让EMC问题变得有规律可循。坚持EMC规律,解决EMC问题省时省力,事半功倍。


EMC设计五层

一般来说,EMC设计可分为五个层次。以下是EMC设计的五个要点:

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

这一层主要体现在:

1)方案选择、主要部件和集成电路的选择主要考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射的抗干扰能力。尽量选择自己发射的小芯片,如翻转时间长、工作速度低的设备和多地脚的芯片(芯片本质上是集成度高的电路模块)。封装时多安装地脚,可降低高速差模电流环面积S,相应减少芯片发射);避免使用高功率和高损耗设备。它们通常是大辐射源;

2)确保所选装置不在非线性区域工作,以免产生谐波分量成为干扰源。

3)电路和机械结构射骚扰或提高射频辐射的抗干扰能力外,电路和机械结构设计主要考虑电源电路,以防止外部骚扰,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度冲击数字信号波形,使无用的谐波振荡范围最小,使无用的高谐波成分最小,避免强电磁干扰;

5)增加阻尼,降低Q值,防止对集总参数电路的振荡;PCBEMC设计;PCBEMC设计是产品成功的重要组成部分。


PCB设计不合理,会产生无法补救的后果;PCB设计良好,事半功倍。PCBEMC设计应遵循以下规定:

1)尽量减少由高速信号和时钟信号线组成的所有环路区域,尽可能缩短连接线,使信号线接近电路;

2)采用小型化装置和多层电路板,多层印刷板可以收紧布线空间,具有良好的高频特性,易于实现EMC;

3)根据关键信号的屏蔽和隔离要求,选择印刷板层数。首先确定所需的信号层数,然后考虑成本,增加地面和电源层是PCBEMC设计的最佳措施之一;

4)印刷板的分层原理与布置印刷电路和布置电线的原理相同。组件表面下方为地面平面。关键电源平面与相应的地面平面相邻,相邻层的关键信号不跨区域。所有信号层,特别是高速信号,都与地面平面相邻。尽量避免两个信号层相邻;

5)当个别电源层和地层不能用作连续平面时,有效降低电流环路面积,减少公共阻抗R,增加信号和地层分布电容;

6)线路板接线设计顺序考虑:电源和源和接地/时钟线/信号线的接线顺序。接线应短、直、粗、均匀,无直角和突变。应具有i形状。应使用圆角代替尖锐接线,以尽可能加宽电源和接地的接线。电源与地层的分割应尽可能满足微带线和带线的要求;

7)考虑使用铁氧体材料,并预留磁珠和贴片滤波器的位置,尽量远离骚扰源。

C)电气和接地,高速信号线和内部电缆的EMC设计;PCB的EMC设计也提到了电源和接地。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)。不同芯片的电源脚之间的阻抗应尽可能小。芯片电源脚(意味着靠近芯片电源脚的电源线)与地面间接高频旁路电容。电源布线应保留磁珠和贴片滤波器的位置,以便按需增减;

2)接线时,I/O接线的核心原理是减小电流环面积S。接线布置原理与印刷板分层原理相同。关键电源线与相应的接地线相邻,所有信号层,特别是高速信号,时钟信号线与接地线相邻,尽量避免两条信号线相邻;

3)为了避免接地线长度过长(接近λ/4),可以使用多点就近接地,接地线的高频阻抗要小;

4)减少电缆的天线效应,减少偶极子天线效应。跨线和I/O电缆采用屏蔽性能良好的电缆,内线采用多股双绞线,使空间场相互抵消,屏蔽层可用作回线;

5)防止感应噪止感应噪声的屏蔽线;

6)波器的输入输出线应拉开距离,避免并行走线,以免影响滤波效果;

7)注意高速电路阻抗匹配,减/O接口,减少并消除反射;

D)屏蔽设计;良好的屏蔽要求有三种:完整的电连续体;滤波措施;良好的接地。


对于信息技术IT设备来说,在选择主板和配置时,特别是个人计算机和液晶显示器时,提高整机的屏蔽效果和各部分的隔离效果是非常重要的。以下是屏蔽设计:

1)计算机外壳中的骚扰场大,外壳中的塑料部分没有涂上导电材料,或者所涂的导电材料不好。机箱有孔洞和缝隙。它不是一个完整的电气连续体,进出管路滤波器不好,最终会导致辐射干扰超过极限。为了更好地屏蔽电磁辐射,机箱不仅可以满足机箱的散热需求,还可以有效地防止磁波的衍射。开口尺寸一般不超过4mm;

2)屏蔽设计、端口、通风孔、孔洞、连接缝隙等方面都是值得考虑的因素;

3)液晶显示器可使用喷涂导电材料(接缝处喷涂导电材料),以更好地屏蔽电磁辐射;

4)通过CQC(EMC)自愿认证的机箱,以最大限度地减少辐射;

5)使用精密模具冲压成型,设计适当的弹点和卷边,以保证机箱的密封性;

6)变压器加静电屏蔽和接地等;

7)源线滤波器和信号线滤波器在输入/输出滤波器设计中的重要性不亚于底盘屏蔽。滤波器的关键是考虑到满足EMC要求和经济标准的原则。


在I/O接口位置,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可以起到一定的滤波和吸波作用。在设计或使用信号线滤波器时,滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率。

1)处理传导骚扰问题的主要方法是低通滤波。当1Mhz以上时,传导和发射问题通常是由辐射耦合引起的。必须采取综合技术措施抑制传导和辐射,如屏蔽、去耦和滤波。

2)滤波器电路的衰减性能与源和负荷之间的阻抗有很大关系。失配量越大,滤波器衰减电磁干扰的效果越好。在大多数情况下,如果电源线显示为低阻抗,滤波器的输入端应为高阻抗。另一方面,该设备可以是高阻抗或低阻抗。对于线性电源的高阻抗,为了获得阻抗不匹配,负载端应设计为低阻抗。对于低阻抗设备,如开关电源和同步电机,负载端设计为高阻抗。

3)减少共模和差模电容,减少共模和差模线圈,调整电容参数和线圈匝数,可以改变共模和差模插入损耗的频率曲线。滤波器的泄漏电流是指相线与中线与外壳之间的电流。它主要取决于连接在相线和中线之间的共模电容。共模电容器容量越大,共模阻抗越小,共模骚扰抑制效果越好,但安全标准规定的泄漏电流不宜过大。

4)电源滤波器的安装位置应靠近电源线的入口,如果可以制成一个更好的集成接口。对于金属屏蔽底盘,选择一个独立的电源屏蔽滤波器,安装在电源线的入口处,并确保滤波器外壳与设备底盘(地面)有良好的电接触。滤波器接地通常固定在电缆出口的公共金属部件上。


建议

1、了解EMC问题的三个要素,电磁干扰的特性,电磁干扰源和传播途径,掌握EMC设计规则的五个层次,坚持使用EMC规则,尽早考虑和解决EMC问题,否则当必须重新设计或结构必须重新设计时,我们只会后悔EMC考虑得太晚。

2、当产品的EMC不符合要求并需要整改时,首先诊断电磁干扰源和耦合方式,然后采用EMC设计要点中提到的方法,综合应用屏蔽、滤波、吸波、接地等措施进行改进。在改进的过程中,如果测试没有再次通过,首先检查问题并判断它是否正确?对策错误了吗?需要调整使用设备参数吗?不要一下子改变你的初衷。你应该保持冷静。在整改过程中,应特别注意正确诊断电磁干扰源。当使用EMC抑制用EMC抑制装置时,不仅要选择正确的装置,而且在问题完全解决之前,还要选择正确的装置。

3、工厂应识别关键生产流程,对关键流程操作人员进行培训,并制定相应的流程操作指导书或标准样品(可通过拍照和拍照来控制生产流程),以便控制生产流程。采用最简单、EMC裕量的原型作为标准零件,检查生产、装配工艺。检查时,重点检查/验证EMC关键部件和材料,检查装配工艺的一致性。

4、为了验证产品能否继续满足标准要求,工厂应在适当阶段对产品进行确认和检验(当其本身不符合检验条件时,应将其抽样送至有能力的机构进行检验),以确保产品能够继续满足EMC的要求,并能及时发现变化。

第五,当产品的EMC关键部件需要更改和调整时,应使用新的设备更换原始设备,并重新制造几个样本进行测试,以确EMC关键部件的变化和调整对整机EMC的影响。


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