EMC总论 北京邮电大学 高攸.ppt

电磁兼容设计 白同云电话 010 62794601 626 办 010 66861826 宅 传真 010 62794598网址 www emc Email cattbai bty 1 1电磁兼容设计的目的随着现代科技的发展 电气及电子设备的数量及种类不断增加 使电磁环境日益复杂 在这种复杂的电磁环境中 如何减少相互间的电磁骚扰 使各种设备能正常运转 减轻恶劣的电磁环境对人类及生态产生不良的影响 电磁兼容学正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门新兴学科 在进行电磁兼容设计时 可根据防护措施在实现电磁兼容时的重要性 分层依次进行设计 例如 第一层为有源器件的选择和印制板设计 第二层为接地设计 第三层为屏蔽设计 第四层为滤波设计 并且进行综合设计 这称为 分层与综合设计 2 1有源器件的选型和电磁骚扰发射的抑制 在电子设备或系统的EMC设计中 关键是有源器件的正确选型和印制电路板 PCB 设计 它是分层与综合设计法的第一层 模拟器件的灵敏度以器件固有噪声为基础 即等于器件固有噪声的信号强度或最小可识别的信号强度称为灵敏度 模拟器件的带内敏感度特性取决于灵敏度和带宽 逻辑器件的带内敏感度特性取决于噪声容限或噪声抗扰度 噪声容限即叠加在输入信号上的噪声最大允许值 噪声抗扰度可表示为 各种逻辑器件族单个门的典型特性 凡是有骚扰电流经过的地方都会产生电磁骚扰发射 传导骚扰随频率成比增加 辐射骚扰则随频率平方而增加 逻辑器件是一种骚扰发射较强的最常见的宽带骚扰源器件翻转时间越短 对应逻辑脉冲所占频谱越宽 BW 1 tr实际辐射频率范围可能达到BW的十倍以上 脉冲信号的频谱 T 1 d 1 tr d tr 谐波幅度 电压或电流 频率 对数 20dB dec 40dB dec A V orI 2A d tr TV orI 0 64A TfV orI 0 2A Ttrf2 I噪声电流和瞬态负载电流是传导骚扰和发射骚扰的初始源1 I噪声电流的产生和危害当数字集成电路在加电工作时 它内部的门电路将会发生 0 和 1 的变换 在变换的过程中 该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换 会有电流从所接电源流入门电路 或从门电路流入地线 这个变化的电流就是 I噪声的源 亦称为 I噪声电流 由于电源线和地线存在一定的阻抗 其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压 并引发其电流电压的波动 这个电源电压的变化就是 I噪声电压 会引起误操作 并产生传导骚扰和辐射骚扰 设 I 4mA tr 2ns L 500nH则 13CS24L Vcc 设驱动线对地电容与驱动门输入电容之和为Cs 平时被充电 其值为电源电压 门1由高电位翻转为低电位时 放电电流即 当典型输出翻转电压为3 5V 翻转时间为3ns时 设单面板上驱动线长度为5cm 门电路共5个端口 每个端口输入电容为5 10 12f 门 则瞬态负载电流为 IL 5cm 0 3pF cm 5 5pF 门 3 5V 3ns 30mA3 瞬态负载电流IL与 I噪声电流的复合 2 瞬态负载电流 TransientCurrentsDrawnbyaGateOffthePowerDistributionBus 很高的开关速度和存在引线电感和驱动线对地电容时 将产生很高的瞬态电压和电流 可以看出 它们是传导骚扰和辐射骚扰的初始源 电磁骚扰发射的抑制方法 1 减小L CS I和 V 增加dt 即tr 为此 应优选多层板 使引线电感L尽可能减小 此外 还应减小驱动线对地分布电容和驱动门输入电容 正确选择信号参数和脉冲参数等 安装去耦电容 也是抑制 I噪声电流的一种方法 本地去耦电容的计算方法 由可得式中 I为 I噪声电流与瞬态负载电流的复合 A dV为允许最大Vcc电压降 V dt为上升 下降时间 ns 例 I 50mA 要求dv 0 1V dt 2ns a 去耦电容的典型位置b 推荐的去耦电容的位置去耦电容的位置 线路板的两种辐射机理 差模辐射 共模辐射 电流环 杆天线 EmissionfromDifferentialModeCurrent Aloopantenna 地线电位示意图 2mV 200mV 2mV 10mV 10mV 20mV 20mV 100mV 100mV 200mV EmissionfromCommonModeCurrent 3 3在印制板级控制电磁发射和抗扰度印制电路板是所有精密电路设计中往往容易忽略的一种部件 由于很少把印制电路板的电特性设计到电路里去 所以整个效应对电路功能可能是有害的 如果印制电路设计得当 它将具有减少骚扰和提高抗扰度的优点 如果印制电路板设计不当 将使载有小功率 高精确度或快速逻辑 或连接到高阻抗终端的一些导线受到寄生阻抗或介质吸收的影响 致使用印制电路板发生电磁兼容性问题 线路板走线的阻抗精心的走线设计可以在很大程度上减少走线阻抗造成的骚扰 当频率超过数kHz时 导线的阻抗主要由导线的电感决定 细而长的回路导线呈现高电感 典型lOmH cm 其阻抗随频率增加而增加 如果设计处理不当 将引起共阻抗耦合 减小电感的方法有两个 尽量减小导线的长度 如果可能 增加导线的宽度 使回流线尽量与信号线平行并靠近 线路板走线的电感 L 0 002S 2 3lg 2S W 0 5 H W S L L1L2 M2 L1 L2 2M 若 L1 L2L L1 M 2 M I I 线路板走线的电感 W S 若 L1 L2L 2L1 2M M I I 印制板布线在印制板布线时 应先确定元器件在板上的位置 然后布置地线 电源线 再安排高速信号线 最后考虑低速信号线 元器件的位置应按电源电压 数字及模拟电路 速度快慢 电流大小等进行分组 以免相互干扰 根据元器件的位置可以确定印制板连接器各个引脚的安排 所有连接器应安排在印制板的一侧 尽量避免从两侧引出电缆 减少共模辐射 1 电源线在考虑安全条件下 电源线应尽可能靠近地线 以减小差模辐射的环面积 也有助于减小电路的交扰 2 时钟线 信号和地线的位置信号线与地线距离应较近 形成的环面积较小 3 按逻辑速度分割当需要在电路板上布置快速 中速和低速逻辑电路时 高速的器件 快逻辑 时钟振荡器等 应安放在紧靠边缘连接器范围内 而低速逻辑和存储器 应安放在远离连接器范围内 这样对共阻抗耦合 辐射和交扰的减小都是有利的 4 应避免印制电路板导线的不连续性 迹线宽度不要突变 导线不要突然拐角 地线设计是一项重要的设计 也是难度较大的一项设计 地线是基础 即安全保护的基础 工作稳定的基础 也是EMC的基础 地线的含义 为电路或系统提供参考等电位点或面 为电流流回源提供一条低阻抗路径 4 1接地系统悬浮地 设备悬浮地设备的地线在电气上与参考地及其他导体相绝缘 单元电路悬浮地信号地与机箱绝缘悬浮地容易产生静电积累和静电放电 单点接地 1 2 3 1 2 3 串联单点接地优点 简单缺点 公共阻抗耦合 并联单点接地优点 无公共阻抗耦合缺点 接地线过多 I1 I2 I3 I1 I2 I3 A B C A B C R1 R2 R3 5 大系统接地地线应分组敷设 除应按电源电压分组外 还应分为信号地线 包括数字地线 模拟地线 高频地线 低频地线 高电平地线 低电平地线等 骚扰源地线和机壳地线等 整个系统各类地线汇集于一点 接参考地 6 地线设计步骤 1 分析系统内各类部件的骚扰特性和敏感特性 2 分析系统内各电路的工作电平 信号种类和电源电压 3 将地线分类 划组 4 画出系统布局 5 画出系统地线网 实心材料屏蔽效能的计算 入射波 场强 距离 吸收损耗A R1 R2 SE R1 R2 A B R A B B 实际屏蔽体的问题 通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 实际机箱上有许多泄漏源 不同部分结合处的缝隙通风口 显示窗 按键 指示灯 电缆线 电源线等 电源线 缝隙 缝隙的处理 电磁密封衬垫 缝隙 螺旋管电磁密封衬垫 如何正确地选择电磁屏蔽衬垫 在设计和选择电磁屏蔽衬垫时 应主要考虑以下因素 衬垫形状 机械耐久性 衰减水平 多数商用设备要求衰减量达到60 100分贝 极至120分贝 压缩量 多数商用设备考虑低闭合力设计 压缩量对导电橡胶的屏蔽效能有很大影响 由于导电橡胶所采用的填料不同 其导电性有高有低 所以导电橡胶可达到的屏蔽效能范围较宽 屏蔽衬垫和接触金属介质间的电腐蚀性 避免导致电蚀的电流的产生 对水 灰尘和类似外部介质的环境密封 另外 还应考虑成本 耐用寿命 公差和安装方法 如铆接式 粘接式等 截止波导管 损耗 频率 fc 截止频率 频率高的电磁波能通过波导管 频率低的电磁波损耗很大 工作在截止区的波导管叫截止波导 截止区 通风口的处理 穿孔金属板 截止波导通风板 穿心电容 馈通滤波器 以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波 滤波器的作用 信号滤波器 电源滤波器 切断干扰沿信号线或电源线传播的路径 与屏蔽共同构成完善的干扰防护 电源线滤波器的基本电路 共模扼流圈 差模电容 共模电容 共模滤波电容受到漏电流的限制 IL dB 20log E1 E2 IL dB 20log 1 ZsZ1 Zt Zs Zl IL dB 20log 1 100X600 0 08 100 600 20log1072 61dB 电源线滤波器的错误安装 PCB 滤波器 滤波器 输入线过长 输入 输出耦合 PCB 电源线滤波器的错误安装 滤波器 绝缘漆 PCB 滤波器通过细线接地 高频效果很差 接地线 滤波器的正确安装 滤波器 PCB 电源 PCB 滤波电路 滤波性能 滤波连接器的滤波性能是选用滤波连接器时的关键指标 滤波器的截止频率必须高于电缆上要传输的信号频率 滤波器3dB插入损耗所对应的频率为截止频率 订购产品时用滤波代码来表征滤波特性 根据具体情况 可以用三种方法确定截止频率 模拟信号 信号的频率要低于截止频率 脉冲信号 若上升 下降时间为tr 则1 tr小于截止频率 脉冲信号 若脉冲信号的重复频率是f 则15f小于截止频率 HALF SLEEVESANDRECTANGULARPLATESWITHORWITHOUTADHESIVEMOUNTBASE AbsorbsRFIrightatthesourcebeforeresonanceandharmonicseffectsaretransferredtoneighboringcomponents RectangularsleevesorplateshapeswithcentralopeningextendingoutwardtoeasilystraddleacableorPCBcomponent introducingasignificantamountofmagneticcouplingandimpedance Between30 to40 oftheimpedanceofourfullyenclosedstyles dependingonconfiguration Whenaffixedwithheatsinkadhesivetoflatcomponents suchassemiconductors heatsinkthermaldissipationoccurs increasingco