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電磁兼容(EMC):工程師之硬件EMC設(shè)計規(guī)范

閱讀:1888      發(fā)布時間:2022-2-28
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廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度,我們都知道干擾源,、干擾傳輸途徑干擾接收器是電磁干擾的三要素,,同時EMC也是圍繞這些問題進行研究,而運用最為廣泛的抑制方法是屏蔽,、濾波和接地,,用它們來切斷干擾的傳輸途徑。

本文將著重在單板的EMC設(shè)計上,,介紹一些重要的EMC知識及法則,。在最初電路板的設(shè)計階段就著手考慮對電磁兼容的設(shè)計,種類包括公共阻抗耦合,、串擾,、高頻載流導線產(chǎn)生的輻射和通過由互連布線和印制線形成的回路噪聲等。

在高速邏輯電路里,,這類問題特別脆弱,,原因很多:

(1)電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加,公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁,;

(2)信號頻率較高,,通過寄生電容耦合到步線較有效,串擾發(fā)生更容易,;

(3)信號回路尺寸與時鐘頻率及其諧波的波長相比擬,,輻射更加顯著;

(4)引起信號線路反射的阻抗不匹配問題。




2. 選擇交直流電源濾波器抑制內(nèi)外電源線上的傳導和輻射干擾,,既防止EMI進入電網(wǎng),,危害其它電路,又保護設(shè)備自身,。它不衰減工頻功率,。DM(差摸)干擾在頻率 < 1mhz時占主導地位。cm在=""> 1MHz時,,占主導地位,。

3. 使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上,用作高頻電路的去耦,,濾波以及寄生振蕩的抑制。

4. 盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF),,對進入板極的直流電源及穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出進行濾波(uF)

二總體概念及考慮

1. 五一五規(guī)則,,即時鐘頻率到5MHz或脈沖上升時間小于5ns,則PCB板須采用多層板,。

2. 不同電源平面不能重疊,。

3. 公共阻抗耦合問題。

模型:







VN1=I2ZG為電源I2流經(jīng)地平面阻抗ZG而在1號電路感應(yīng)的噪聲電壓,。

由于地平面電流可能由多個源產(chǎn)生,,感應(yīng)噪聲可能高過模電的靈敏度或數(shù)電的抗擾度。

解決辦法:

(1)模擬與數(shù)字電路應(yīng)有各自的回路,,最后單點接地,;

(2)電源線與回線越寬越好;

(3)縮短印制線長度,;

(4)電源分配系統(tǒng)去耦,。

4. 減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5. 一個重要思想是:PCB上的EMC主要取決于直流電源線的Z











三布局

下面是電路板布局準則:







1. 晶振盡可能靠近處理器,。2. 模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域,。3. 高頻放在PCB板的邊緣,并逐層排列,。4. 用地填充空著的區(qū)域,。





四布線

1. 電源線與回線盡可能靠近,方法各走一面,。

2. 為模擬電路提供一條零伏回線,,信號線與回程線小與5:1。

3. 針對長平行走線的串擾,,增加其間距或在走線之間加一根零伏線,。

4. 手工時鐘布線,遠離I/O電路,可考慮加專用信號回程線,。

5. 關(guān)鍵線路如復位線等接近地回線; 為使串擾減至最小,,采用雙面#字型布線。

6. 高速線避免走直角; 強弱信號線分開,。

五屏蔽

1. 屏蔽 > 模型:







屏蔽效能SE(dB)=反射損耗R(dB)+吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射,,吸收是低頻磁場屏蔽的關(guān)鍵機理。

2. 工作頻率低于1MHz時,,噪聲一般由電場或磁場引起,,(磁場引起時干擾,一般在幾百赫茲以內(nèi)),,1MHz以上,,考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實體包括變壓器,、傳感器,、放大器、DC/DC模塊等,。更大的涉及單板間,、子架、機架的屏蔽,。

3. 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的,,只要求高電導率材料和接地兩點。電磁屏蔽不要求接地,,但要求感應(yīng)電流在上有通路,,故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導率的材料做 封閉的屏蔽體,,為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達到吸收的目的,,對材料有厚度的要求。高頻情況下,,三者可以統(tǒng)一,,即用高電導率材料(如銅)封閉并接地。

4. 對低頻,,高電導率的材料吸收衰減少,,對磁場屏蔽效果不好,需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵),。

5. 磁場屏蔽還取決于厚度,、幾何形狀、孔洞的最大線性尺寸,。

6. 磁耦合感應(yīng)的噪聲電壓UN=j(luò)wB.A.coso=j(luò)wM.I1,,(A為電路2閉合環(huán)路時面積,;B為磁通密度;M為互感,;I1為干擾電路的電流,。降低噪聲電壓,有兩個途徑,,對接收電路而言,,B、A和COS0必須減??;對干擾源而言,M和I1必須減小,。雙絞線是個很好例子,。它大大減小電路的環(huán)路面積,并同時在絞合的另一根芯線上產(chǎn)生相反的電動勢,。

7. 防止電磁泄露的經(jīng)驗公式:縫隙尺寸







六接地

1. 300KHz以下一般單點接地,,以上多點接地,混合接地頻率范圍50KHz~10MHz,。另一種分法是:

2. 接地方式:樹形接地

信號電路屏蔽罩的接地(接地點選在放大器等輸出端的地線上)







3. 對于射頻電路接地,要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實現(xiàn)接地,。接地線是扁平銅編織帶,。當?shù)鼐€長度是λ/4波長的奇數(shù)倍時,阻抗會很高,,同時相當λ/4天線,,向外輻射干擾信號。

4. 單板內(nèi)數(shù)字地,、模擬地有多個,,只允許提供一個共地點,接地還包括用導線做電源回線和搭接等,。

七濾波

1. 選擇EMI信號濾波器濾除導線上工作不需要的高頻干擾成份,,解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地,。分線路板安裝濾波器,、貫通濾波器、連接器濾波器,。從電路形式分,,有單電容型、單電感型,、L型,、π型,。π型濾波器通帶到阻帶的過渡性能,最能保證工作信號質(zhì)量,。

一個典型信號的頻譜:












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