【導(dǎo)讀】EMC是業(yè)界的一個難點,本文介紹了EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設(shè)計法;給企業(yè)提供了對待EMC的建議;作者認(rèn)為EMC改進(jìn)要如診治疾病一樣對癥施治;作者倡導(dǎo)堅持EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC 問題-進(jìn)行EMC設(shè)計。
EMC是產(chǎn)品認(rèn)證的重要內(nèi)容隨著我國加入WTO無論是走向國際大市場的中國產(chǎn)品,還是涌向中國市場的外國產(chǎn)品,幾乎都要進(jìn)行各種各樣的產(chǎn)品認(rèn)證。產(chǎn)品認(rèn)證,從國際貿(mào)易角度看,實質(zhì)上是技術(shù)性貿(mào)易壁壘。我們只有不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量, 突破技術(shù)壁壘,才能開拓海外市場,促進(jìn)外貿(mào)發(fā)展。國內(nèi)新的3C 認(rèn)證替代了原來的CCIB 和CCEE 認(rèn)證,“CCC”是我國強制性產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)志—— China Compulsory Certification的英文縮寫,只有取得3C 認(rèn)證的產(chǎn)品才能進(jìn)入國內(nèi)市場。3C認(rèn)證對機電、電器產(chǎn)品的安全性能、EMC等方面作了詳細(xì)規(guī)定。
EMC是多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點大力發(fā)展電子、信息產(chǎn)業(yè)為主體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),是我們的既定方針。當(dāng)今是一個連科技也在追趕潮流的時代,機電產(chǎn)品日新月異,“輕薄短小和多功能化”成為時尚,數(shù)碼產(chǎn)品、機電一體化產(chǎn)品、信息家電、多媒體設(shè)備等技術(shù)含量較高的產(chǎn)品層出不窮,更新?lián)Q代速度日益加快,芯片集成度和產(chǎn)品工作速度不斷提高,伴隨的電磁騷擾問題日益復(fù)雜。目前,我國整體EMC研究起步較晚,許多企業(yè)對EMC認(rèn)知度不夠,缺乏EMC方面的經(jīng)驗和測試設(shè)備,在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝和元器件的選擇上都有不同程度的困惑,產(chǎn)品生產(chǎn)出來后往往EMC不能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。EMC問題是當(dāng)前多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點!從事機電產(chǎn)品制造的廣大企業(yè)皆有同感,解決EMC問題,比之解決產(chǎn)品的安全問題要困難得多。這就更 加加劇了有些企業(yè)面對品牌競爭和價格競爭,偏向于降低成本、犧牲EMC 要求的現(xiàn)象。
機電產(chǎn)品3C認(rèn)證的指標(biāo)涉及產(chǎn)品的安全、EMC兩個方面。從認(rèn)證檢測來看,產(chǎn)品達(dá)不到“3C”認(rèn)證要求的主要原因是EMC方面過不了關(guān)。事實上,無論 日常檢驗還是各種產(chǎn)品認(rèn)證中,EMC測試通不過的情況比較普遍。隨著3C認(rèn)證順利開展,部分企業(yè)在EMC問題上愁眉不展,幫助企業(yè)是我們光榮職責(zé)。此稿沒有復(fù)雜的理論分析和推導(dǎo),只是扼要地介紹EMC三個規(guī)律、
EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設(shè)計法;一方面力求實用,另一方面意圖拋磚引玉。認(rèn)識和利用EMC領(lǐng)域三個重要規(guī)律作者認(rèn)為:EMC不是光靠理論就能完全解決的,EMC是一項實踐工程。從事EMC行業(yè),如能深刻領(lǐng)會以下三個EMC領(lǐng)域重要規(guī)律,實踐中堅持運用,必然收到事半功倍的效果。
1) 規(guī)律一、EMC費效比關(guān)系規(guī)律:
EMC問題越早考慮、越早解決,費用越小、效果越好。在新產(chǎn)品研發(fā)階段就進(jìn)行EMC設(shè)計,比等到產(chǎn)品EMC測試不合格才進(jìn)行改進(jìn),費用可以大大節(jié)省,效率可以大大提高;反之,效率就會大大降低,費用就會大大增加。經(jīng)驗告訴我們,在功能設(shè)計的同時進(jìn)行EMC 設(shè)計,到樣板、樣機完成則通過EMC測試,是最省時間和最有經(jīng)濟(jì)效益的。相反,產(chǎn)品研發(fā)階段不考慮EMC,投產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)EMC不合格才進(jìn)行改進(jìn),非但技術(shù)上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費,甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB設(shè)計的缺陷,無法實施改進(jìn)措施,導(dǎo)致產(chǎn)品不能上市。
2) 規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴(yán)重。
高頻信號電流流經(jīng)電感最小路徑。當(dāng)頻率較高時,一般走線電抗大于電阻,連線對高頻信號就是電感,串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設(shè)備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的,最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應(yīng)處理方法就是減少、減短連線,減小高頻電流回路面積,盡量消除任何非正常工作需要的天線,如不連續(xù)的布線或有天線效應(yīng)之元器件過長的插腳。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務(wù)之一,就是想方設(shè)法減小高頻電流環(huán)路面積S。
3) 規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高,引起的EMI輻射越嚴(yán)重,電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。
減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二,就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f,即減小騷擾電磁波的頻率f。本文以下內(nèi)容,就是利用以上三個規(guī)律,倡導(dǎo)趁早考慮EMC問題,介紹EMC 設(shè)計和EMC問題改進(jìn)。
改進(jìn)EMC 問題,如同診治疾病。如果產(chǎn)品沒有通過EMC 測試,我們從測量結(jié)果中,只能知道哪些頻率點“超標(biāo)”了,而這些頻率的電磁騷擾是從哪里出來的,往往是工程師門最不容易發(fā)現(xiàn)、最難解決的問題。產(chǎn)品EMC 問題,說難亦難,說易亦易。就如給病人治病一樣,關(guān)鍵是看你這個病是可治愈的還是不治之癥,對可治之癥能否辨證施治。中醫(yī)看病,講究望聞切診問;現(xiàn)代醫(yī)學(xué)多講究量血壓、BT、CT、化驗等,目的都是為了查清病灶、病因,做到因病施治。
同樣,改進(jìn)EMC問題,看成為診治疾病,就是科學(xué)性與趣味性的結(jié)合。首先,根據(jù)EMI產(chǎn)生的途徑和機理,也就是EMC問題產(chǎn)生的要素,針對EUT(被測試樣品,下同)的電路原理,先作一些判斷,比如IT類設(shè)備和AV音視頻類設(shè)備引起EMC問題的原因或者內(nèi)部騷擾源是什么,先進(jìn)行推斷,再結(jié)合測試 項目測試圖透過現(xiàn)象看本質(zhì),分析超差原因--把騷擾源搞清楚,把騷擾途徑摸透徹,以便有的放矢。分析超差原因,可使用高頻示波器或頻譜分析儀加上 場探頭驗證分析結(jié)果,從頻域到時域,再從頻域到時域,分析、尋找產(chǎn)生EMC問題的對應(yīng)電路和器件。
EMC 問題三要素開關(guān)電源及數(shù)字設(shè)備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波,因此會產(chǎn)生很強的輻射。電磁干擾包括輻射型(高頻)EMI、傳導(dǎo)型(低頻)EMI,即產(chǎn)生EMC問題主要通過兩個途徑:一個是空間電磁波干擾的形式;另一個是通過傳導(dǎo)的形式,換句話說,產(chǎn)生EMC問題的三個要素是:電磁干擾源、耦合 途徑、敏感設(shè)備。輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環(huán)境;傳導(dǎo)干擾是通過電源線騷擾公共電網(wǎng)或通過其他端子(如:射頻端子,輸入端子)影響相連接的設(shè)備。
傳導(dǎo)、輻射、騷擾源-------(途徑)------ 敏感受體近場耦合IT、AV 設(shè)備可能的騷擾源
A) FM接收機、TV接收機本機振蕩,基波及諧波由高頻頭、本機振蕩電路產(chǎn)生;
B) 開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及高次諧波,同步信號方波及高頻諧波,行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場信號及高頻諧波;
C) 數(shù)字電路工作需要的各種時鐘信號及高頻諧波、以及它們的組合,各種時鐘如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;
D) 數(shù)字信號方波及高頻諧波,晶振產(chǎn)生的高次諧波,非線性電路現(xiàn)象(非線性失真、互調(diào)、飽和失真、截止失真)等引起的無用信號、雜散信號;
E) 非正弦波波形,波形毛剌、過沖、振鈴,電路設(shè)計存在的寄生頻率點。
F) 對于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場。
電磁騷擾的特性
① 單位脈沖的頻譜最寬;
② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積,高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度;
③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數(shù)字電路才能按一定的時序工作,使晶振產(chǎn)生的騷擾呈現(xiàn)覆蓋帶寬、騷擾電平高的特點;
④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時,EMI輻射和接受最嚴(yán)重;收發(fā)天線面積越大, EMI危害逾大;
⑤ 騷擾途徑:輻射,傳導(dǎo),耦合和輻射、傳導(dǎo)、耦合的組合。
⑥ 電源線傳導(dǎo)騷擾主要由共模電流產(chǎn)生;
⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環(huán)路產(chǎn)生。EMC設(shè)計前面已經(jīng)提過,EMC的根本問題,解決 EMC問題的根本辦法,無論從市場經(jīng)濟(jì)的原則出發(fā),還是從其它方面考慮,都是趁早進(jìn)行EMC設(shè)計。從設(shè)計立項的一開始,就把EMC要求納入設(shè)計任務(wù)書,作為設(shè)計的輸入之一。
EMC設(shè)計,簡單地說,就是仔細(xì)預(yù)測可能發(fā)生的各種EMC問題,進(jìn)行方案和電路的優(yōu)化選型,尋找一種優(yōu)化電路、機械結(jié)構(gòu)和PCB的設(shè)計解決方案,提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量,確保達(dá)到功能和性能指標(biāo)的情況下,兼顧成本效益,避免EMC問題。為抑制和消除騷擾源,減小高頻信號頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗耦合或感應(yīng)耦合,選用低速、低輻射器件,選用屏蔽機箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施。
一般來說,EMC設(shè)計可分五個層次。以下為五個層次EMC設(shè)計要點:
1) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計;對于產(chǎn)品的成功與否,第一層次設(shè)計是最基本、最重要的,任何錯誤都意味著該產(chǎn)品項目徹底失敗。這一層主要EMC考慮體現(xiàn)在:
a)方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,盡量選用本身發(fā)射小的芯片,如翻轉(zhuǎn)時間長、工作速率低的器件,多地線腳的芯片(芯片實質(zhì)就是集成度較高的電路模塊,封裝時多裝地線腳,可以減小高速差模電流環(huán)面積S,相應(yīng)地減小芯片的發(fā)射);避免使用大功率、高損耗器件,它們往往是大的輻射源;
b)保證所選器件不工作在非線性區(qū),以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源。
c)電路和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外,主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;
d)電路設(shè)計或方案應(yīng)不使數(shù)字信號波形產(chǎn)生過沖,應(yīng)使無用的諧波振蕩幅度最小,使無用的高次諧波成分最少,避免引發(fā)強烈的電磁騷擾;
e)對集總參數(shù)電路,增加阻尼、減小Q值,防止振蕩;
2)PCB的EMC設(shè)計;
對于產(chǎn)品的成功與否, PCB的EMC設(shè)計是重要的一環(huán)。PCB設(shè)計不合理,會產(chǎn)生無法補救的后果;
PCB良好的EMC設(shè)計,有事半功倍的效果。PCB 的EMC設(shè)計應(yīng)遵循以下內(nèi)容:
a) 盡量減小所有的高速信號及時鐘信號線構(gòu)成的環(huán)路面積,連接線要盡可能短,并使信號線緊鄰地回路;
b) 使用小型化器件和多層線路板,多層印制板可緊縮布線空間,高頻特性好,容易實現(xiàn)EMC;
c) 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號的屏蔽和隔離要求,先確定所需信號層數(shù),然后考慮成本的前提下,增加地平面和電源層是PCB EMC設(shè)計最好的措施之一;
d) 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣,元件面下面為地平面,關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰,相鄰層的關(guān)鍵信號不跨區(qū),所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號與地平面相鄰,盡量避免兩信號層相鄰;
e) 個別電源層、地層不能作為一個連續(xù)的平面時,采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng),有效減小電流環(huán)路面積,減小公共阻抗R,加大信號與地層分布電容;
f) 線路板布線設(shè)計時順序考慮:電源和地/時鐘線/信號線,布線應(yīng)該短、直、粗、勻,不要直角和突變, 應(yīng)有“之”字形,用圓角代替尖銳走線,盡可能加寬電源和地的布線,電源和地層的分割,盡量符合微帶線和帶狀線要求;
g) 走線盡可能遠(yuǎn)離騷擾源,布線考慮鐵氧體材料的使用,預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
3)電與接地、高速信號線路及內(nèi)部線纜的EMC設(shè)計;PCB的EMC設(shè)計中也提到供電與接地、高速信號線路的EMC設(shè)計,此外,還應(yīng)遵循以下內(nèi)容:
a)芯片間使用低阻抗地連接(地平面),不同芯片供電腳間阻抗盡量小,芯片供電腳(意思是離芯片供電 腳很近的供電線上)與地間接高頻旁路電容,供電布線預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
b) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環(huán)面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣,關(guān)鍵電源線與其對應(yīng)的地線相鄰,所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號線與地線相鄰,盡量避免兩信號線相鄰;
c) 為避免接地線長度過長(接近λ/4),可采用多點就近接地,接地線高頻阻抗要小;
d) 減小電纜的天線效應(yīng)及減小偶極子天線效應(yīng),跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜,內(nèi)導(dǎo)線采用多股雙絞線,使空間場互抵,屏蔽層可作為回線;
e) 機內(nèi)采用屏蔽線防止感應(yīng)噪聲;
f) 波器的輸入輸出線應(yīng)拉開距離,忌并行走線,以免影響濾波效果;
h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射;
4) 屏蔽設(shè)計;屏蔽好的要求有三:完整的電連續(xù)體;濾波措施;良好的接地。
對于信息技術(shù)IT類設(shè)備,當(dāng)主板及配置選定的情況下, 提高整機的屏蔽效果和各個部分的隔離效果非常重要,尤其個人計算機和液晶顯示器。這里只說屏蔽設(shè)計:
a) 計算機機殼內(nèi)騷擾場強較大,機殼塑料部分未涂導(dǎo) 電材料或所涂導(dǎo)電材料不佳,機箱有孔洞、縫隙,不是一個完整電連續(xù)體,進(jìn)出線濾波不好,最終都可導(dǎo)致輻射騷擾超出限值。機箱為了更好屏蔽電磁輻射,既能照顧到機箱的散熱需求,又能有效地防止 磁波的衍射,開孔尺寸一般不超過4mm;
b) 根據(jù)產(chǎn)品實際進(jìn)行屏蔽設(shè)計,端口、通風(fēng)孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考慮的因素;
c) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導(dǎo)電材料的外殼(接縫處要噴涂導(dǎo)電材料);
d) 為了將輻射減到最小,盡量使用通過了CQC(EMC方面)自愿認(rèn)證的機箱;
e) 為保證機箱的密封性,要使用精密模具沖壓成型,設(shè)計適當(dāng)?shù)膹楛c和卷邊;
f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等
5)輸入/輸出的濾波設(shè)計電源線濾波和信號線濾波的重要性并不亞于機箱屏蔽,濾波關(guān)鍵是針對EMC 要求,兼顧達(dá)標(biāo)和經(jīng)濟(jì)的原則。在I/O接口部位,一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器。在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸波作用。設(shè)計或使用信號線濾波器時,濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男盘栴l率。
a) 傳導(dǎo)騷擾問題處理的方法主要是低通濾波。在1MHz以上時,傳導(dǎo)發(fā)射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的,須綜合運用抑制傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施,如屏蔽、去耦和濾波。
b) 濾波電路的衰減性能與源和負(fù)載的阻抗關(guān)系很大,失配越大,濾波器衰減電磁騷擾的效果越好。大多數(shù)情況下,電源線表現(xiàn)為低阻抗,則濾波器的輸入端應(yīng)為高阻抗。另一方面,設(shè)備既可能為高阻抗,也可能為低阻抗。對于線性電源高阻抗,為獲得阻抗失配,負(fù)載端應(yīng)設(shè)計為低阻抗。對于開關(guān)電源和同步電機這樣的低阻抗設(shè)備,負(fù)載端設(shè)計為高阻抗。
c) 減共模和差模電容,加減共模和差模線圈,調(diào)整電容參數(shù)和線圈匝數(shù),共模和差模插入損耗對頻率的曲線都可改變。濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流。它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容。共模電容的容量越大,共模阻抗越小,共模騷擾抑制效果越好,但安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定泄漏電流不能過大。
d) 電源濾波器安裝位置應(yīng)靠近電源線入口處,如能 做成與接口一體化更好。對于金屬屏蔽機箱,選用獨立電源屏蔽濾波器,安裝在電源線入口處,并確保濾波器外殼與設(shè)備機箱(地)良好電接觸,這樣的效果是最好的。濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構(gòu)件上。
給企業(yè)的建議
一、了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設(shè)計法則,堅持利用EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題;遇到PCB必須重新設(shè)計或結(jié)構(gòu)必須重新設(shè)計時,大家只有后悔EMC考慮得遲了。治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲,解決EMC問題是一樣的道理。
二、當(dāng)產(chǎn)品的EMC不符合要求需要整改時,首先要如同治病一樣,診斷出電磁騷擾源、耦合途徑,然后利用EMC設(shè)計要點中提到的方法,對癥下手,綜合運用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實施改進(jìn)。改進(jìn)途中,測試再不通過,先檢討問題判斷是否正確?對策是否失誤?使用器件參數(shù)是否需要調(diào)整?不要一下子就改變初衷,應(yīng)不慌不忙。整改時要特別注意,正確診斷出電磁騷擾源、耦合途徑后,采用EMC抑制器件時,不但要選擇合適,而且所用器件要貨真價實,才不會久治不愈。
三、工廠應(yīng)對關(guān)鍵生產(chǎn)工序進(jìn)行識別,關(guān)鍵工序操作人員應(yīng)加以培訓(xùn),制定相應(yīng)的工藝作業(yè)指導(dǎo)書或標(biāo)準(zhǔn)樣件(可以采取拍照給出圖片的方式),使生產(chǎn)過程受控。取最簡化而且EMC又有一定裕量的樣機作為標(biāo)準(zhǔn)件,核對生產(chǎn)、裝配工藝,檢驗時,著重進(jìn)行EMC關(guān)鍵元器件和材料的檢驗/驗證,以及裝配工藝一致性檢查。
四、為驗證產(chǎn)品持續(xù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,工廠應(yīng)在適當(dāng)階段對產(chǎn)品進(jìn)行確認(rèn)檢驗(本身不具備檢測條件時,抽樣送有能力的機構(gòu)進(jìn)行檢驗),以確保產(chǎn)品持續(xù)符合EMC要求,萬一變化亦能及時發(fā)現(xiàn)。
五、當(dāng)產(chǎn)品EMC關(guān)鍵件要改變、調(diào)整時,應(yīng)用新的器件替換原器件重新制造幾臺樣機進(jìn)行測試,確認(rèn)EMC關(guān)鍵件改變和調(diào)整對整機EMC的影響。
小結(jié)
了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設(shè)計法,EMC會變得有規(guī)可循的,堅持EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題,即可省時省力,事半功倍。在EMC工作方面,比照老中醫(yī)看病方式,據(jù)癥施治,有意識帶點人性化,能提高解決問題的興趣。
EMC90%是設(shè)計出來的,整改出來的極少、極少。治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲。道理簡單,更需重視。
來源:嘉峪檢測網(wǎng)
來源:嘉峪檢測網(wǎng)
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