第5-1电磁兼容性设计

1、1第5章 系统可靠性设计n概念n干扰来源n干扰传播路径n接地n屏蔽n滤波n电缆n终端本章概要5.1 概念 电磁兼容性和信号完整性 n电磁兼容性（ElectroMagneric Compatibility，EMC）n产品既不对其它系统施放无用的电磁能（不产生干扰），同时也不受来自外部电磁环境的干扰（不受干扰影响）n抗扰度（Immunity）：产品不受干扰影响的能力n耐受性（Susceptibility）： 对噪声的感知能力n信号完整性（Signal Integrity）n信号在信号线上的质量n当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值，则信号具有良好的完整性n常见的信号完整性问题有反射、振荡、

2、地弹、串扰等n定义：除了有用信号之外的不期望的扰动n作用：轻则对电路正常工作产生干扰（电磁兼容性问题) ； 重则对电路产生潜在损伤（可靠性问题）5.1 概念 干扰的作用 5.1 概念 干扰的分类 n电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）n传导干扰：通过导电介质把一个电网络上的信号（不期望地）耦合到另一个电网络n辐射干扰：干扰源通过空间把其信号（不期望地）耦合到另一个电网络n 强调无用信号为“噪声”，强调有害作用为“干扰”n 随机涨落为“噪声”，突发脉冲为“干扰”n 来自内部为“噪声”，来自外部为“干扰”干扰噪声5.1 概念 干扰与噪声 5.1 概念 干扰对

3、数字电路的影响 模拟电路（干扰造成信号失真）数字电路（干扰造成误触发）5.1 概念 干扰引起位错误 5.1 概念 实例:干扰对J-K触发器的影响 J-K触发器n干扰三要素干扰三要素n干扰入侵途径干扰入侵途径输入线电源线输出线接地系统空中辐射不明343225432数据来源：日本电气学会技术报告5.1 概念 干扰三要素 干扰源干扰传播路径被干扰对象市电、音频、无线电台、电视、移动电话、雷电、电磁辐射、火花放电等5.2 干扰来源 来自外部的干扰 数字电路、高频与射频器件、感性元件（继电器、开关电源等）、微处理器时钟等，本振及其谐波5.2 干扰来源 来自内部的干扰 5.2 干扰来源 实例:开关电源形成

4、的干扰 5.2 干扰来源 电路寄生参数 理想电路实际电路寄生电阻寄生电容寄生电感5.2 干扰来源 电场与磁场 n 电压加在导体上产生磁场，电流流过导体产生磁场n 近场条件下，电场与磁场各自独立作用；远场条件下，电场与磁场共同相互作用5.2 干扰来源 导体长度与信号频率 导体越长，信号频率越高，则辐射作用越强5.3 干扰传播路径 电子设备内的干扰传播 5.3 干扰传播路径 空间传播 xHEZxHxE1,1,123xHEZxHxE,1,132降低空间辐射的途径：增距，隔离，屏蔽5.3 干扰传播路径 公共阻抗耦合 有公共阻抗无公共阻抗实例：螺丝钉紧固不充分，导致公共阻抗降低公共阻抗耦合的途径：单点接

5、地，低阻接地5.3 干扰传播路径 导线传播 降低导线传播干扰的途径：插入滤波器，采用差动输入消除共模噪声电感耦合：磁场耦合，对低阻抗电路影响大电容耦合：电场耦合，对高阻抗电路影响大5.3 干扰传播路径 电容与电感耦合 5.3 干扰传播路径 互电容及互电感与与距离的关系 n什么是串扰？什么是串扰？n平行线之间通过互感和耦合电容产生的感应信号n容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压n大小与线间距离的平方成反比，与信号频率成正比5.3 干扰传播路径 串扰n一点接地：一点接地：可避免地线公共阻抗引起的干扰，但接地线往往较长，易引发高频串扰5.4 接地 单点接地与多点接地n多点接地多点接地：可减少地

6、线电感引起的高频串扰，但地线阻抗干扰较大nf1MHz（或L10MHz （或L0.15) ： 高频多点接地nf110MHz （或L=0.050.15) ： 短线多点接地，长线一点接地5.4 接地 接地方式如何选择 数字电路多点接地，模拟电路单点接地，整个设备单点接地5.4 接地 混合应用 5.4 接地 数字部分与机电部分隔离采用独立的接地点（较好）采用独立的电源（最好）不同设备接地电位的不同导致干扰电流采用光电耦合器切断干扰电流5.4 接地 不同设备地线的隔离5.4 接地 小信号地线与大功率地线的隔离5.4 接地 零线与地线的分离 零线是交流供电的零电位参考点，对地电位不一定为0地线接大地，对地

7、电位应恒为0不能将零线当地线用5.4 接地 设备接地实例PCB整机5.5 屏蔽 屏蔽的分类静电屏蔽 磁屏蔽5.5 屏蔽 常用屏蔽材料5.5 屏蔽 缝隙对屏蔽效果的影响 不同接地钣金件之间最好采用面接触搭接或者无间隙设计即使缝隙很窄，只要缝隙足够长，也能产生可观的泄漏5.5 屏蔽 实例1:电缆屏蔽的效果干扰源为交流50Hz感应噪声5.5 屏蔽 实例2:机箱屏蔽的效果辐射电磁场测量结果（f=533MHz, =0.54m）发射电磁场测量结果（f=533MHz, =0.54m）5.5 屏蔽 机箱间的连接方式n旁路电容与去耦电容成对使用n旁路电容（提供储能及滤除低频干扰）n钽电解电容优于铝电解电容，前者

8、价格昂贵，后者分布电感大n电容量10470uF，取决于PCB板的瞬态电流需求。若有多个IC、高速开关电路、具有长引线的电源，则应取大电容n去耦电容（滤除高频干扰）n电容量(1/1001/1000）旁路电容，工作频率越高，旁路电容越小n两个去耦电容并联效果更好，它们的容量应相差2个数量级n不同的电源采用各自的旁路电容和去耦电容，以防止电源间的噪声耦合 5.6 滤波 电源滤波设计旁路电容去耦电容5.6 滤波 滤波电容大小的确定5.6 滤波 差模滤波与共模滤波差模滤波：相当于低通滤波器共模滤波：对差模干扰不起作用交流线路滤波：对差模干扰和共模干扰均有效5.6 滤波 多级放大器的去耦5.6 滤波 LC

9、滤波与RC滤波nLC滤波n无功耗n需要电感，对IC内部不可用n滤除低频噪声效果较差n常用于数字电路nRC滤波n无需电感n滤出低频噪声效果较好n有电阻引入的附加功耗n常用于模拟电路5.6 滤波 抑制宽频干扰5.6 滤波 降低时钟干扰的扩谱时钟技术5.7 电缆 双绞线抑制干扰的原理双绞线发射干扰：在被干扰线中所感应出的噪声电流，在各节之间是反向的，故相互抵消信号线信号回馈线信号回馈线信号线双绞线接收干扰：噪声电流产生的磁力线在相邻的各节间反相相反，故也相互抵消5.7 电缆 各种电缆的特点平行双线：串扰大，仅用于短距离强信号传输双绞线：可抑制串扰，成本低，抵抗低频磁场噪声能力强，高频损耗较大同轴电缆

10、：能抑制电场和磁场干扰，高频损耗小，适合传送高速信号带屏蔽的平行双线：优于平行双线带屏蔽的双绞线：优于双绞线双重屏蔽的同轴电缆：抗干扰性和高速传输特性良好，成本高5.7 电缆 通信电缆的选用5.7 电缆 电缆接头的处理5.8 终端 反射的产生过程n反射产生的原因反射产生的原因n线的传输延迟时间Tpd信号脉冲转换时间Ts（长线，高频）n常用数字电路的Ts=318ns，对应的长线25cmn反射造成的后果反射造成的后果n信号波形产生畸变n出现上冲、下冲、台阶、缺口等复杂波形n抑制反射的方法抑制反射的方法n尽量缩短布线长度n尽量选用低速芯片n实现传输线阻抗匹配（终端技术）5.8 终端 反射形成的干扰5.8 终端 无源匹配:电阻并联匹配:负载阻抗匹配，引入附加功耗串联匹配:源阻抗匹配，影响噪声容限和速度串并联匹配:负载与源阻抗同时匹配，上述问题兼而有之5.8 终端 无源匹配:阻容、二极管阻容匹配:无静态功耗，对速度有一定影响Thevenin匹配:用于减少并联匹配的功耗二极管匹配:适合多种特性阻抗 差动输出/输入驱动器差动输出/输入驱动器匹配电阻施密特触发器RC滤波器5.8 终端 有源匹配5.9 差分 差