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1、电磁兼容与高速电路设计,信号与信息处理研究所李大宇2012.10,第6章 系统的电磁兼容设计,6-1 接地 6-2 屏蔽 6-3 滤波,6-1 接地,在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。当设计一个产品时，在设计期间就考虑到接地是最经济的方法。一个设计良好的接地系统，不仅能从PCB，而且能从系统的角度防止辐射和进行静电的防护。接地技术的目标是最小化接地阻抗，从此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。,一、地线问题 地环路问题,地环路问题 地环路干扰是一种较
2、常见的干 扰现象,常常发生在通过较长电缆 连接的相距较远的设备之间。 其产生的内在原因是地环路电流的存在。地环路干扰形成的原因： 1、两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个的驱动下，设备1 互联电缆 设备2 地 形成的环路 之间有电流流动。 2、较强的电磁场干扰，电磁场在设备1 互联电缆 设备2 地 形成的环路中感应出环路电流。解决地环路干扰的基本思路有两个：一是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压。一是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。,地环路干扰的解决方法 隔离变压器 两个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行，而避免了电气直接连接。变压器隔离的方法有一些缺点，不能传输直流，体积大，成本高。
3、由于变压器的初次级之间有寄生电容，因此高频时的隔离效果不是很好。,地环路干扰的解决方法 光隔离器,地环路干扰的解决方法 共模扼流圈 地线电压实际是一种共模电压，在这个电压的驱动下，电缆中流过的电流是共模电流。因此可以采用在电缆上安装共模扼流圈的方法来抑制地环路电流。,地环路干扰的解决方法 平衡电路,地环路实例,地环路实例,G=10000,Vout,GND,地环路实例,一、地线问题（续） 公共阻抗耦合 当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合。 由于地线就是信号的回流线， 因此当两个电路共用一段地线时， 彼此也会相互影响。一个电路的 地电位会受到另一个电路工作状 态的影响，即一
4、个电路的地电位 受另一个电路的地电流的影响， 另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。 对于两个共用电源的电路也存在这个问题。解决的办法是对每个电路分别供电，或加解耦电路。,例： 多级放大器的公共阻抗耦合,二、接地方式的种类,信号接地方式,并联单点接地,串联单点接地,混合接地,多点接地,单点接地,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,串联单点、并联单点混合接地绝不要使功率相差很大的电路或噪声电平 相差很大的电路共用一段地线。
5、,PCB上的接地,噪声,模拟,数字,多点接地,混合接地,Vs,地电流,Rs,Vs,安全接地,Rs,安全接地,地环路电流,C1S,C3S,C2S,C1S,C3S,C2S,等效电路,放大器屏蔽壳的接地,屏蔽电缆的接地,V,0v,H,E,磁场屏蔽,电场屏蔽,高频低磁波屏蔽,电场屏蔽的电缆接地,电缆接敏感电路的信号地，目的是 将屏蔽层的电位保持在地电位。,干扰频率较低,干扰频率较高,单点接地（否则出问题） （在哪里接地？）,多点接地 （间隔/20接地）,PCB板的元器件布局,例：数模混合电路的接地 数模混合电路设计的关键是减少数字信号（数字电源）对模拟信号（模拟电源）的干扰。因为数字器件有噪声容限，而
6、模拟器件则对噪声非常敏感。设计时注意： 尽可能减小电流环路面积 系统只采用一个参考面。所以对于数模电源和地敷铜的连接采用单点连接。这样既可以构成一个参考地敷铜，还可以防止在数字模拟地之间形成小的回流环路（地环路）。单点的连接点应该在数模混合器件的下方。同时需要注意数模的连接方式，考虑到噪声的隔离，数模混合连接处可以使用磁珠连接，磁珠可以通直流隔交流。 模数电源层不能重叠，否则会产生容性耦合，破坏两者隔离效果。,许多模拟电路工作在低频下，可以采用单点接地；在高速电路设计中，优先使用多点接地。a）数字地和模拟地要分开 在PCB的各层中布线也要数字和模拟分开布线。最后汇聚在电源接地端相连。 注意：不
7、能跨越分割间隙布线，否则地电流将形成大的环路。,b）通过两个地之间的连接桥布线，使形成的环路面积很小。 如果系统有一个A/D转换器，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分用最短的线通过一点连接在一起。采用该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。,底部相当于一点接地,PCB地层的分割,芯片在模拟和数字地的桥路上,某典型四层RF PCB地层短路连接,c）尽量考虑采用“统一地”地连续，不分割 将PCB板分为数字区和模拟区 数字信号在数字区内布线 模拟信号在模拟区布线 数字信号返回电流不会流入模拟信号的地,6-2 屏蔽,电磁屏蔽是解决电磁兼容问
8、题的重要手段之一。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何修改。屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。如果屏蔽效能计算中使用的磁场，则称为磁场屏蔽效能，如果计算中用的是电场，则称为电场屏蔽效能。,电磁屏蔽示意图,屏蔽前的场强E1,屏蔽后的场强E2,对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB,一、电磁屏蔽的分类 两种基本的辐射源 屏
9、蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。 工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：非闭合载流导线辐射源和闭合载流导线辐射源。 由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的长，均可由若干个基本源的场叠加而成。,一、电磁屏蔽的分类（续） 远近场的划分 远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r（场点至源点的距离）的变化而确定的，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。 远近场的划分满足以下原则：近场： 非平面波远场： 平面波,一、电磁屏蔽的分类（续） 波阻抗,波阻抗,电场源,磁场源,平面波 E 1/ r H 1/ r,377,/
10、2,到观测点距离 r,E/H,一、电磁屏蔽的分类（续） 近场时，电偶极子电场大于磁场，磁偶极子磁场大于电场,一、电磁屏蔽的分类（续） 针对不同的源采用不同的屏蔽机理,二、屏蔽机理 1）电屏蔽 如下图所示，屏蔽体内侧感应出等量的负电荷，外侧感应出等量的正电荷。从图 (b) 中可看出，仅用屏蔽体将电场源包围起来，实际上起不到屏蔽的作用，只有将屏蔽体接地（图c）时，才能将电力线封闭在屏蔽体内部，才能真正起到屏蔽的作用。电屏蔽的实质是在保证良好接地的条件下，将干扰源发生的电力线终止于由良导体制成的屏蔽体，从而切断了干扰源与受感器之间的电力线。,2）磁屏蔽 因为磁力线一定是闭合的，所以磁屏蔽无法像电屏蔽
11、一样将磁力线终止于屏蔽体，而只能利用屏蔽体对磁力线（磁场）进行分流，来切断干扰源与受感器。,旁路作用的计算：用电路模型来等效磁路：画一个并联电路图，图中并联的两个电阻分别代表屏蔽材料的磁阻和屏蔽体中空气的磁阻，可以得到如下关系式：H1 = H0 RS / （RS + R0）式中： H1 = 屏蔽体中心处的磁场强度， H0 = 屏蔽体外部的磁场强度，RS = 屏蔽体的磁阻， R0 = 空气的磁阻 根据屏蔽效能的定义：屏蔽效能 = H0 / H1 =（RS + R0）/ RS = 1 + R0 / RS 磁阻的计算：R = S /（ A ）式中： S = 屏蔽体中磁路的长度（m），A = 屏蔽体中
12、穿过磁力线的截面面积（ m2 ）， = 0 r （H/m）。,结论： 屏蔽体的磁阻越小，屏蔽效能越高。为了减小屏蔽体的磁阻，应该使屏蔽体尽量小，这样可以使磁路尽量短，从而达到减小磁阻的目的；增加磁路的截面积；使用导磁率尽量高的材料。 磁屏蔽体宜选用钢、铁、坡莫合金等高导磁率的铁磁性材料。铁磁性材料存在一个饱和点。当场强超过饱和点时，磁导率迅速下降。一般磁导率越高的材料，越容易饱和。当要屏蔽的磁场很强时，存在一对矛盾，即为了获得较高的屏蔽性能，需要使用导磁率较高的材料，但这种材料容易饱和。如果用比较不容易饱和的材料，往往由于 较低，屏蔽性能又达不到要求。这时可以 采用双层屏蔽可以解决这个问题。先
13、用导 磁率较低，但不容易饱和的材料将磁场强 度衰减到较低的程度，然后用高导磁率材 料提供足够的屏蔽。,3）电磁屏蔽,屏蔽体在电磁场中的情况,电磁屏蔽的机理 电磁屏蔽是屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽电场和磁场的一种措施。当电磁波向屏蔽体入射时，首先在其左表面感应出电流和电荷，形成了新的辐射源，新辐射源产生向左表面两侧传播的电磁波，即反射波和透射波。透射波由于屏蔽体热损耗的影响以指数规律衰减，在到达右表面时产生反射和透射，从而将传到屏蔽体另一侧空间的电磁能量大大减弱，起到了屏蔽的作用。 显然，感应电流和电荷越大，所产生的反射场就越强，热损耗（吸收损耗）越大，透射波的衰减越多。因此，电磁屏蔽应选
14、用导电材料。 随着频率的增高，当波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当时，屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。,6-3 滤波,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。,共模和差模电流 电缆上的干扰按照干扰电流的流动路径分为共模干扰电流和差模干扰电流两种，由于对这两种干扰电流的滤波方法不相同，因此在进行滤波设计之前必须了解所面对的干扰电流的种类。,共模和差模电流 电网中电感性开关的通断，会产生差模的脉冲干扰， 空间的电磁波（通信、雷达、雷电等）在电缆上感应出共模干扰 两台设备之间的地线电位导致共模电流,开关电源噪声,干扰滤波器的种类,低通滤波器类型,C,T,L,反,
15、插入损耗的估算,滤波器对干扰的衰减作用用插入损耗表征，插入损耗IL的定义如下：IL = 20 lg（V1 / V2） dB 式中： V1 是信号源与测量仪表（频谱仪、接收机、高频毫伏表等）直接连通时，仪表的读数， V2是在信号源与测量仪表之间插入滤波器时，仪表的读数。 实际测量时，要注意滤波器输入输出端在高频时的耦合，另外，滤波器的接地线较长时，会使高频插入损耗值减小。,电路与插入损耗的关系,根据阻抗选用滤波电路,要注意的是，实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时（电磁干扰问题往往发生在高频），由于电路寄生参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路的阻抗往往还与电路的工作状态有关，再加上电路阻抗不同的频率上也不一样。因此，在实际中，哪一种滤波器有效主要靠试验的结果确定。,
