什么是电磁兼容EMC设计评审

大多数硬件工程师习惯于在他们的电路板和系统上进行功能设计评审，然后再按下制造的“开始”按钮。在我工作过的工程团队中，这种类型的设计评审通常采取的形式是站在一张会议室桌子旁，用一支红色的钢笔和我们能拿到的最大的图纸打印出来。这也可以由一个人在个人电脑与交叉探测之间的原理图和布局(如果你的老板很好地获得许可证！)。我们筛选了设计，一针，由连接器，决定找到一个意外倒置界面或错误地钉出符号。你知道，你面前的原理图很有可能包含一个隐藏的错误，它可能会把你的高端电路板变成昂贵的啤酒杯垫，或者至少会花费你大量的返工时间！你知道EMCFastPass作为一项服务提供EMC设计评审吗？这些公司已经将这种审查过程标准化为基于清单的程序，并在每一项设计上进行并进行验证。通过这样做，它们增加了审查的稳健性，并将重大问题从裂缝中滑落的可能性降到最低。令人惊讶的是，我多年来参与的公司很少将这一重要过程迁移到EMC世界。就像功能设计评审可以捕获许多设计错误一样，可靠的EMC设计评审可以捕捉到许多已知的针对排放和抗干扰性能的不良设计实践。这可能意味着您的产品通过或失败在EMC测试实验室之间的区别。一个良好的EMC设计评审应该涵盖整个产品设计的许多方面。在最高一级，设计审查应包括以下主题：我喜欢把EMC测试看作一个完全独立的功能规范。有一套特定的合格/失败标准，您的产品必须满足，否则您不能出售它。就这么简单。如果您的产品在EMC实验室中没有明确的测试规范，那么您就缺少一个功能规范，在项目的设计阶段就应该加以考虑。你不会梦想在没有向最终客户提供功能集的情况下设计一个产品，对吗？EMC测试只是一个不同的特性集，您的设计需要包括。如果没有EMC功能规范，您就会在EMC实验室留下通行证或失败。那么，根据英特克(世界上最大的实验室集团之一)，全球EMC首次通过率仅为50%？在这篇文章中，我将概述EMC设计评审是什么，以及如何对您的下一个产品进行评估。EMC故障很容易使您的公司花费数千美元的有形费用，如聘请顾问、租用调试设备、重新设计/制造设计以及支付重新测试费用。对许多公司来说，一个更大的问题是EMC故障可能导致的市场延迟。由于EMC批准才能合法销售您的产品，故障可能导致延迟数天至数周的市场。由于EMC故障，我在市场上遇到的最长的延迟是大约4个月，因为公司真的很难通过几次设计迭代来解决这些问题，但如果存在更长的延迟，我也不会感到惊讶。会计师们普遍认为，延迟上市将使任何特定产品的最高销售量减少几个百分点，并且取决于产品的性质，可能会缩短整个销售窗口的长度。对于许多中型到大型硬件公司来说，一个月的延迟很容易导致某一特定产品在超过100万美元的生命周期内的总收入下降。突然间，在设计周期的早期考虑EMC看起来一点也不坏。最后，进行健壮的EMC设计评审可以提高产品的性能，从而减少客户回报的数量。例如，一家产品的免疫保护相对较差的公司，可能会因为最终用户在产品上按钮而产生的静电放电造成的损害而获得很多回报。或者，该产品将在相对噪声的电磁环境中使用，并且该设备的功能在某些方面受到影响，例如rf性能的降低或测量精度的降低。良好的电磁兼容设计可以减少这些问题。基于EMCFASTPASS的EMC设计评审幸运地拥有一位EMC专家的公司可能还没有实施强有力的EMC设计评审(目前为止)，但是专家头脑中隐藏的知识可能已经引入了某种类型的临时审查。我注意到的是，在EMC测试方面有丰富经验的设计工程师倾向于使用他们对EMC失效模式的记忆来避免将来再次遇到相同的问题。例如，当他们在布置电路板(或指导绘图员)时，他们可能还记得以前设计的一种产品由于外部电缆上的过度噪音而导致的辐射排放失败的时候。工程师然后采取任何设计改进，以减少电缆的噪音，并将该方法应用于所有的设计在未来。实际上，他们所做的就是为每一个后续的设计建立一套他们所遵循的设计规则。随着他们经历更多的EMC问题并解决这些问题，他们将这些规则添加到他们现有的心理列表中。“EMC设计评审专业”软件是一种从许多EMC专家那里借用知识并将其集成到您的团队中的简单方法。它包括150多条设计规则，摘自许多EMC设计教科书，包括“第一次获得电磁兼容“它还包含了对在我的EMC实验室3年期间遇到的每一个故障模式的检查，这样您就不会犯与许多其他公司相同的错误。每个规则都有相应的视频培训课程，因此您可以了解每条规则背后的理论和思想背景。通过检查每个设计规则的设计，您可以在工作中真正了解EMC，并第一次正确地获得EMC。将这些规则标准化为正式的设计评审过程是重复执行健壮EMC设计评审的关键。福特(Ford)和捷豹(Jaguar)等面临一些最严峻的EMC挑战(汽车)的公司实施了强有力的EMC设计评审。我相信每个人都可以从这种做法中获益。形式化EMC设计评审的一个巨大好处是，它可以由一个相对初级的工程师承担，而没有足够的EMC遵从设计经验。这是因为，检查特定的设计规则是否正确实现比进行全面的EMC培训要容易得多，并从物理学的角度理解为什么规则是有意义的。对于没有经验丰富的EMC专业人员的公司来说，EMC设计评审是快速验证您的设计通过EMC测试的最佳机会的一个很好的方法。不幸的是，大多数公司没有熟练的EMC工程师的员工，也没有内部知识来创建EMC设计评审过程。EMC培训通常是非常昂贵的，一个为期2-3天的短期研讨会的典型价格是>1500美元，外加费用。每位工程师。“EMC设计评审专业”软件，再加上在线视频培训，解释每个设计规则背后的方法和理论，是我所知道的最快捷的方法，为EMC测试准备您的设计，并在您进行EMC测试时了解EMC。我不能进入一个全面的EMC设计审查涵盖的每一个项目，但在这篇文章中，我将详细介绍几个最重要的方面，检查在您的设计和如何着手进行。请阅读下面的文章，了解我是如何为客户进行EMC设计评审的。如果没有明确的PASS/FILE标准定义，就没有一个好的规范可供使用。在某些情况下，您的产品可能只测试辐射和进行排放性能。在其他情况下，您的产品也可能受到免疫现象，如ESD，浪涌和EFT。第一项任务是详细说明产品在EMC测试期间必须达到的排放限制和排放水平。首先，您应该定义产品的排放限制。这些可能会有所不同，取决于您的产品将使用的环境和世界上的地区，它将被出售。一个最重要的地方开始是确定您的产品是否属于“A类”或“B类”的限制。下面是FCC如何区分：A类数字设备：一种在商业、工业或商业环境中销售的数字设备，不包括供公众使用或打算在家庭中使用的装置。B类数字设备：一种尽管在商业、商业和工业环境中使用但仍在住宅环境中销售的数字设备。这类装置的例子包括但不限于供公众使用的个人电脑、计算器和类似的电子设备。需要注意的是，B类限值明显低于A类限值。地理区域和产品类型之间的界限也不同。检查适用于您的产品的标准(或要求测试实验室)计算出你需要达到的极限。下面我给出了B类非故意发射装置的一些限制的例子，这样你就可以看到它是什么样子的。限值所涵盖的较低频率和较高频率取决于产品内的内部时钟频率，也取决于适用于您的产品的标准。虽然你可以在你的设计中感受到来自特定网络的辐射排放，但是你可以使用一些免费的工具，比如最大排放计算器克莱姆森大学的工具，用这样的工具来分析一个完整的设计是不太实际的。排放限制通常包括辐射和传导排放以及以太网传导排放(如果适用)。找出适用于你的特定产品的排放限制只会给你一个想法，让你知道要让你的产品的排放量低于限制是多么的困难。如果免疫测试适用于您的产品(CE标记和全球产品系列标准通常是强制性的)，那么就有必要了解EMC实验室将要使用的测试级别，测试将在哪里应用，以及您的产品在测试期间和测试之后需要执行多好(这称为性能标准)。这将帮助您确定在哪里应用EMC抑制设备，选择什么样的评级，也将给您一个想法，你需要采取多少照顾。如果您有一个您使用的定期测试实验室，他们应该乐意为您提供一个预先的测试计划，以便您可以在产品开发周期的设计阶段使用它。您可以在下面看到一个免疫测试计划的示例，其中包括将应用于您的产品的级别以及您的产品需要满足的标准。通行/不合格标准的定义可能因标准而略有不同，但以下是从住宅、商业和轻工业环境国际通用免疫标准(iec61000-6-1)中摘取的每项性能标准的说明：(A)性能标准A：该仪器应在试验期间和之后继续按预期操作。当设备按预期使用时，不允许性能下降或功能丧失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允许的性能损失所取代。如果制造商没有指定最低性能水平或允许的性能损失，则其中任何一项可从产品描述和文档中得出，以及如果按预期使用，用户可以合理地期望从设备中得到什么。(B)性能标准B：测试后，仪器应继续按预期操作。当设备按预期使用时，不允许性能下降或功能丧失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允许的性能损失所取代。然而，在测试期间，性能下降是允许的。不允许更改实际操作状态或存储的数据。如果制造商没有指定最低性能水平或允许的性能损失，则其中任何一项可从产品描述和文档中得出，以及如果按预期使用，用户可以合理地期望从设备中得到什么。c)性能标准C：允许暂时丧失功能，条件是该功能可自我恢复或可通过控件的操作恢复。这是至关重要的，找出性能标准，您的产品将必须满足在一个测试实验室。配置正确的PCB堆栈是EMC性能的基础。如果没有足够的层数来计算给定的复杂性，并且没有正确的层序和使用，您将使控制辐射和传导排放的工作变得相当困难。如果你的老板要求你减少层数以节省印刷电路板的成本，请记住，EMC的性能通常是一种权衡，这可能会对公司的钱包造成更大的伤害。良好的PCB堆栈(从EMC的角度来看)的可取特性是：信号层与平面层相邻与回波功率/地面紧密耦合的信号层权力与理由紧密耦合埋地高速信号对称为什么这些功能是可取的，超出了这篇博客文章的范围，但我在视频培训中详细介绍了它们。考虑到这些特性，下面是4层和6层板的样本层堆栈：‘在这个图中，您可以看到实现4层堆栈的几种不同方式。看看您是否可以根据上面列出的理想特性来计算，每个堆栈的权衡是什么。您能计算出为什么不推荐左边的堆栈吗？我没有时间在这里讨论它，但堆栈几何和PCB材料也会严重影响EMC性能。这是因为它将定义网络和平面的阻抗，这些阻抗可以随层的不同而变化。在不仔细考虑板阻抗的情况下，您可能会遇到严重的信号完整性和功率传递网络(PDN)问题。这是一种无脑，但值得验证和确认在EMC设计审查，每一个集成电路有足够的去耦。当我为客户做EMC设计评审时，我通常会发现至少有几个集成电路或pwr/gnd引脚对，其中设计师忘记添加解耦合帽，或者已经以一种使它们非常无效的方式实现了。左上角图在频域上显示了去耦合对电源噪声的影响，右上图显示了时域上的影响。您可以看到，最优的性能是当脱钩帽放置在集成电路之下，并尽可能直接路由之间的PWR和GND引脚对。值得注意的是，去耦电容器的重要特性不仅包括电容值(NF、PF等)，还包括等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。这，这个EDN博客文章很好地解释了这些特性对PDN阻抗的影响。如果您不熟悉返回路径，这只意味着路由电流返回源。每当你有一个向另一个设备提供电流的集成电路时，就会有一个相等和相反的电流返回到源设备。上面的图表说明了dc中的返回路径通过最小电阻。交流(高频信号)中的回波路径最小电感，通常位于源信号正下方的参考平面上。当参考平面上的返回路径有一个切口时，返回电流必须绕着该切线流动，才能找到最小电感的路径。这形成了一个很好的电流环，有潜力成为一个有效的散热器。下图显示了一个0.5千兆赫的信号，它穿过地面的一个切口。在右边的图片中，您可以看到返回路径上的当前分布找到了绕过槽的方法，因此形成了一个循环。左边的图片显示了一个场景，在返回路径上的切割被电容器桥接，使得高频回波电流“跳过”间隙。这个信号对远场辐射发射的影响可能会让你吃惊。对这一情况的模拟表明，仅在离这个网10米处测量的排放量就可高出30分贝以上，而返回平面上则有一个缺口。这肯定意味着在EMC实验室通过或失败之间的区别。在emc设计评审期间，您应该一次查看布局2层，并仔细验证所有数字信号都有定义良好的返回路径。不切如果由于任何原因必须在返回路径上进行切割，则确保在感兴趣的频率上与具有低阻抗的电容器桥接。一旦您知道您的产品的哪些端口将被测试，您就可以将这些端口添加到EMC设计评审清单中。现在去验证每个端口在电路板上有足够的ESD保护，在正确的位置和正确的等级。这里是一个USB端口的例子，它具有良好的ESD保护(来自德克萨斯仪器公司)。注意，保护应该放在尽可能靠近端口连接器的物理位置。有许多不同类型的ESD保护装置。请参阅“公共服务电子化计划”中的“公共服务电子化”部分第一次正确设计电磁兼容“详细信息，请参阅电子书。与此项目密切相关的是，验证在ESD注入点附近的净到净间隙和净到平面间隙不允许“弧”。这是为了确保静电放电不能跳到另一个导体，并可能造成其他产品的损害。为确保在不同情况下在给定的电压水平下不发生电弧所需的建议间隙包括在IPC-2221标准的。辐射免疫是一个非常常见的测试，适用于大多数运往欧洲的电子设备，或那些符合国际产品标准的电子设备。根据标准，你的产品的场强可以在1V/m到200V/m之间变化。该场也通常被扫过的频率范围为80兆赫-4千兆赫(一些标准可能会越来越高，低于此)。如果您的产品包含敏感电路，如模拟测量电路或RF电路，那么即使是低功率辐射电场也会带