2011年第一期技术期刊20110217

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1、 EMC 知识: EMC 知识: 地 线 地 线 一、地线的定义 一、地线的定义 什么是地线？大家在教科书上学的地线定义是：地线是作为电路电位基准点的等电位体。这 个定义是不符合实际情况的。实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点 之间的电位， 会发现地线上各点的电位可能相差很大。 正是这些电位差才造成了电路工作的异常。 电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。 我们可以给地线了一个更加符合实际的定义：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了 地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不 会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会

2、产生电压降。 因此，我们应该将地线上的电位想象成大海中的波浪一样，此起彼伏。 二、地线的阻抗二、地线的阻抗 谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作， 许多人觉得不可思 议：我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎 么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。 要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态 下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线 的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表 1 给出的 数据说明了这个问题。

3、在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富 的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的， 因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。 如果将 10Hz 时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到 10MHz 时，对于 1 米长 导线，它的阻抗是直流电阻的 1000 倍至 10 万倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电 压降是很大的。 表 1 导线的阻抗（） ： 频率 Hz D = 0.65 10cm 1m D = 0.27 10cm 1m D = 0.065 10cm 1m D = 0.04 10cm 1m 10 51.4m

4、 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 5

5、4 71.4 77 150M 63.9 81 107 115 从表上还可以看出，增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗 的作用很有限。但在电磁兼容中，人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗，一个有效的办法 是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感 L 为： L = ( L1 + M ) / 2 式中，L1 是单根导线的电感，M 是两根导线之间的互感。 从式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电 感的一半。因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是，多根导线之间的距离 不能过近。 技术文章 技术文章 RS232/485

6、接口电路 一、 概述一、 概述 RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制 订并发布的，RS-232 在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最 多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、

7、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A 标准。 为扩展应用范围， EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485 标准， 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。由于 EIA 提出的建 议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。 RS232 电平或者说串口电平，有的甚至说计算机电平，所有的这些说法，指的都是计算机 9针串口 （RS232）的电平，采用负逻辑： 15v 3v

8、 代表 1 3v 15v 代表 0 RS485 电平 和 RS422 电平，由于两者均采用差分传输（平衡传输）的方式，所以他们的电 平方式，一般有两个引脚 A，B： 发送端 AB 间的电压差： 2 6v 代表 1 2 6v 代表 0 接收端 AB 间的电压差： 大于 200mv 代表 1 小于 200mv 代表 0 定义逻辑 1 为 BA 的状态；定义逻辑 0 为 AB 的状态。AB 之间的电压差不小于 200mv。 一对一的接头的情况下： RS232 可做到双向传输，全双工通讯 最高传输速率 20kbps； RS422 只能做到单向传输，半双工通讯，最高传输速率 10Mbps； RS485

9、双向传输，半双工通讯, 最高传输速率 10Mbps。 二、 区别二、 区别 目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低 速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、 发端的数据信号是相对于信号地，如从 DTE 设备发出的数据在使用 DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚（信号地）的电平。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器 输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数 据到结束，线上电平从 TTL

10、电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在+3 +12V 与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左右，所以其共模抑制能力差， 再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 15 米，最高速率为 20kb/s。RS-232 是为点对 点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为 37k。所以 RS-232 适合本地 设备之间的通信。其有关电气参数参见下表。 RS232 RS422 RS485 工作方式 单端 差分 差分 节点数 1 收、1 发 1 发 10 收 1 发 32 收 最大传输电缆长度 50 英尺 400 英尺 400 英

11、尺 最大传输速率 20Kb/s 10Mb/s 10Mb/s 最大驱动输出电压 +/-25V -0.25V+6V -7V+12V 驱动器输出信号电平 (负载最小值) 负载 +/-5V+/-15V +/-2.0V +/-1.5V 驱动器输出信号电平 (负载最小值) 负载 +/-25V +/-6V +/-6V 驱动器负载阻抗() 3K7K 100 54 摆率(最大值) 30V/s N/A N/A 接收器输入电压范围 +/15V -10V+10V -7V+12V 接收器输入门限 +/-3V +/-200mV +/-200mV 接收器输入电阻() 3K7K 4K(最小) 12K 驱动器共模电压 -3V+

12、3V -1V+3V 接收器共模电压 -7V+7V -7V+12V 三、 三、 EMC 设计电路设计电路 RS485/422 均采用差分电平进行传输控制，接口电路最为相似；而 RS232 采用非平衡电平控 制电路。大概的接口原理图如下： RS485/422 采用差分电平，对于此种差分平衡电路带出的 EMC 问题，一般多是采用共模电感和电 容器件来抑制干扰。再个因为 RS485/422 传输距离较远，容易感应到外界的雷击能量冲击，故而 需要考虑合适的防雷设计。 （RS485/422 接口电路 EMC 设计电路原理图） （共模电感 WCM-3216-222 特性曲线） 此电路中增加了共模电感（WCM

13、-3216-222，钧宝电子） ，由于 RS485/422 传输频率较低故而选 择共模电感的阻抗可以考虑在“阻抗 1000 欧姆/100MHZ”以上，现在用的是阻抗 2200 欧姆 /100MHZ。同时加上对地旁路电容 331PF，这样可以很好的抑制电路干扰。 为了考虑防护雷击能量，一般采用气体放电管+TVS 管方式来防护。气体放电管有几十伏特的残 压，故而在气体放电管与 TVS 管间，加上 10 欧姆电阻来进行退藕能量使用。 RS232 电路采用非平衡电平进行传输控制， 接口电路最为相似； 对于非平衡电路带出的 EMC 问题， 一般多是采用 LC 低通滤波电路来抑制干扰。同时为了兼顾热插拔等

14、动作引起的瞬态高压电平， 一般在线路中考虑TVS管防护。 由于RS232信号传输的速率低， 一般采用 “阻抗600欧姆/100MHZ” 磁珠即可(磁珠 FBMA-11-160808-601,钧宝电子)。 （RS232 接口电路 EMC 设计电路原理图） （磁珠 FBMA-11-160808-601 特性曲线） 案例分析 案例分析 传导问题的分析 传导问题的分析 一、问题描述 一、问题描述 某电源产品，在进行传导实验时超标，超标频段为 150KHz-1MHz 超标幅度高达 22dB， 20MHz-30MHz 超标 5dB 左右； 二、问题分析二、问题分析： 由于产品在设计之初进行了单级共模电感设

15、计，共模电感均采用感值 1mH 的共模电感； 150KHz-1MHz 初步分析为差模干扰，需要增强差模滤波； 20MHz-30MHz 超标分析为共模干扰，需要调整共模滤波参数； 针对以上结论，我们进行了如下措施： 三、整改措施： 三、整改措施： 1、 在电源入口加如 4.7uF 差模电容； 2、 调整已有共模电感参数为 2mH，增加一级 10mH 的共模电感（经过试验必须增加一级 才有效果） 通过上述调整后，我们进行了测试，测试数据如下： 问题分析问题分析：通过整改后，有大幅度的下降，20-30MHz 已经不超标，但是 200KHz 附近还是 存在超标频点，对于超标的频点我们增加了很大的差模滤

16、波也无明显的效果；分析 PCB 发现， 单板 PCB 滤波电路设置非常不合理，可能存在耦合； 上图中，开关管电路距离接口非常近，可能存在直接耦合，为了验证耦合问题，我们将 2 级共模电感移至外部 PCB，进行测试； 移动至单板外部后进行测试结果如下： 通过验证，确实滤波电路放置在单板时，距离开关管等强干扰源太近，产生耦合后使得滤 波期间失效，因此我们在 PCB 改版设计是进行了如下的更改设计： 结论：结论： 在进行开关电源滤波电路设计时，要保证滤波电路不失效，首先要考虑滤波电路尽可能的 保持一条直线，其次确保滤波电路远离强辐射源（如变压器，开关管等） ；再者就是要控制好 PCB 中各个回路，确保回路面积最小； 看图说 EMC 看图说 EMC 一、一、PCB 走线设计点评：走线设计点评： 该产品为一款车载导航产品，要通过长安汽车集团的