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1、电磁兼容基本原理及PCB的EMC设计关键词: PCB EMC EMI 摘要:本文是对电磁兼容基本原理进行简单介绍,根据我司多为嵌入式系统的情况,重点对EMC设计进行简单的阐述与总结,供我司单板(硬件)、PCB开发的工程师参考.同时,以后会根据实际问题详细讨论与更新. 1 电磁兼容原理 11 EMC的定义 电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,简称EMC),是研究在有限的空间、时间和频谱资源的功能条件下,各种电气设备共同工作,并不发生降级的科学. 另外一种解释,EMC是一种技术,这种技术的目的在于,使电气装置或系统在共同的电磁环境条件小,既不受电磁环境的影响,也不
2、会给环境以这种影响.换句话说,就是它不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失和损坏,也不会在周边环境中产生过量的电磁能量,以致影响周边设备的正常工作.(这是EMC的终极目标) 以下是电磁兼容有关的常见术语: EMC:(Electromagnetic compatibility)电磁兼容性 EMI:(Electromagnetic interference)电磁干扰 EMS:(Electromagnetic susceptibility)电磁敏感度 RE:(Radiated emission)辐射骚扰 CE:(Conducted emission)传导骚扰 CS:(Conducted su
3、sceptibility)传导骚扰抗扰度 RS:(Radiated susceptibility)射频电磁场辐射抗扰度 ESD:(Electrostatic discharge)静电放电 EFT/B:(Electrical fast transient burst)电快速瞬变脉冲群 Surge:浪涌 12 电磁兼容研究的目的和意义 电磁兼容研究的目的: 1) 确保系统内部的电路正常工作,互不干扰,以达到预期的功能; 2) 降低电子系统对外的电磁能量辐射,使系统产生的电磁干扰强度低于特定的限定值; 3) 减少外界电磁能量对电子系统的影响.提高系统自身的抗扰能力; 对于我司来讲电磁兼容研究目的就是
4、达到我司产品通过有关结构的3C、CE认证,通过EMC测试,获得市场准入,同时提高产品的可靠性,减少不良率. 案例1,联通CDMA与中移动GSM在两种制式手机“绿色、环保、低辐射”之争案例2,XX公司视听接入产品XXX通过有关CE认证后,在有关媒体上进行大量宣传,作为其技术先进的标志. 13 EMC的主要研究内容 EMC是研究在给定的时间、空间、频谱资源的条件下: 1) 同一设备内部各电路模块的相容性,互不干扰、能正常工作; 2) 不同设备之间的兼容性; 总体讲,EMC分为 EMI 、EMS 两部分: EMI:电磁干扰,即处在一定环境中设备或系统,在正常运行时,不应产生超过相应标准所要求的电磁能
5、量; EMS:电磁敏感度,即处在一定环境中设备或系统,在正常运行时,设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰,或者说设备或系统对于一定范围内的电磁能量不敏感,能按照设计的性能保持正常的运行、工作;(防静电要求为此类) 24 EMC 三要素及对策 241 EMC三要素 1、干扰源 2、耦合途径 3、耦合装置 三者为顺序关系 在单板范围内,我们可以找到如下几个与辐射有关的项: 干扰源:时钟电路(包括晶振、时钟驱动电路); 开关电源; 高速总线(通常为低位地址总线如:A0、A1、A2); 高电平信号、大电流信号、dv/dt、di/dt高信号; (此部分容易忽略,属于反馈一类,根据我司特点,要
6、求单板工程师要对元器件的DATASHEET文件熟悉,对各端口的定义与功能有很清晰的掌握) 继电器; 部分塑封器件; 内部互连电缆; 耦合途径:传播RF能量的各种媒质,例如自由空间、互连电缆(共模耦合). (RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射,这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号.通常高频信号为30Mhz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响. 此方面资料详见本文后面文献电感和磁珠,此文为主要针对单板工程师,PCB工程师可简单了解.) 按
7、传播的方式,电磁干扰分成两种类型. 1、 传导型干扰传导型干扰是系统产生并返回到支流输入线或信号线的噪声,这个噪声的频率范围为10KHZ-30MHZ,它既有共模方式,又有差模方式.LC网络常常是抑制传导干扰的主要方式. 2、 辐射型干扰辐射型干扰以电磁波的方式直接发射,线路中一个普通的例子是电源线扮演发射天线的作用,频率覆盖范围30MHZ-1GHZ,这个范围的EMI可通过金属屏蔽的方式抑制. 敏感装置:PCB上的各种敏感器件,它们易于接收来自I/O线缆的辐射干扰并把这些有害能量传输到其他敏感电路或器件上. 单板中敏感器件或信号主要有: 锁项环 收发模块 模拟信号 复位信号 小弱信号 总结:对于
8、EMC来讲,这三个要素缺一不可.如果任一要素不存在,EMI也就不存在了. 那么工程师所要做的事情就是找到最容易解决的那一项. 142 EMC对策 任何EMC问题的处理都是围绕三要素进行的 1 降低干扰源 2 切断或削弱传播途径 3 提高设备的抗干扰能力 降低干扰源通常来讲,合理的PCB设计是消除多数RF干扰的最经济有效的途径.(其它方式为什么?多为增加磁珠和电感,尤其是钽电容,比较贵.或加层(增加22元)有源器件是所有辐射的源头.PCB设计所要做的是将电磁能量限制在需要它们的地方. 我们可以利用时钟扩频率技术或适当的减缓信号的上升沿来降低时钟信号的干扰强度,也可以在器件选型方面以及天线效应方面
9、(如严格控制线头长度、控制信号回路面积)来控制EMI的强度. (扩频技术一般在通信上应用较广,但随着逻辑门的速度的快速增长以及空间的需求,现在广泛应用与开关电源或DC-DC、RF能量比较大的地方,实践证明,衰减非常理想.) (最有效的减缓方式是什么?) 通过必要的布局、布线以及采取屏蔽、接地措施来提高设备的抗扰能力; 切断或削弱传播途径 在三要素的对策中切断干扰的传播途径是最重要的一环.在单板上可采取以下措施来切断耦合途径或者减少耦合: 1 对应传导耦合:加滤波电容、滤波器、共模线圈、隔离变压器等; 2 对应辐射耦合:相邻层垂直走线、加屏蔽地线、磁性器件合理布局、3W规则、正确层分布、辐射能力
10、强或敏感信号内布层、使用I/O双绞线、辐射信号强的信号远离拉手条、板边缝隙等. 从产品EMC设计的对策、手段来讲,通常采用的不外乎接地、屏蔽、滤波三种.关于接地、屏蔽、滤波的介绍一般可以和结构人员共同分析和参见有关资料,本文主要针对PCB的EMC设计给予介绍. 2 PCB的EMC设计 31 PCB的EMC设计在EMC设计中的定位 311开展PCB的EMC设计的意义 1信号质量的要求 在产品的EMC设计中,除了通过有关测试、获取CE认证外,还必须结合信号完整性分析,保证信号质量.如果产品顺利通过EMC测试却不能实现正常功能,那也是徒劳的.在这方面,板级EMC设计是其它方式等无法取代的. 2系统设
11、计,对策多样化 目前业界一流公司在EMC的处理上均采用注重源头控制的EMC系统设计,从产品的概念、设计阶段给予关注,可在原理、PCB、结构、线缆、屏蔽、滤波、软件等各个方面采取对策,而一旦产品推向时常,可采取的对策也只有在软、硬件上打补丁了,对策的效果、可行性将面临严峻的考验. 对于一个产品来讲,从设计之初就采取一些抑制措施比成品之后再反复修改要经济的多.在电子产品的研制中,为获得良好的EMC性价比,进行EMC设计是相当重要的;电子产品的EMC性能是设计赋予的.测试仅仅是将电子设备固有的EMC性能用某种定量的方法表征出来. 3缩短开发周期 记得IBM专家层针对某公司的产品开发现状说过:没有时间
12、一次把产品做好,却有时间对产品一做再做.重视源头控制,可能会拖延一点开发进度,但比起产品定型后,再针对EMC特性进行攻关要有效的多,而且产品定型后,再作EMC处理,由于受到诸多限制,可采用的对策极为有限. 4降低批量成本 在单板、PCB设计阶段进行EMC控制,有可能会增加人力开发成本,但从批量生产等总成本考虑,关注源头控制,可极大的降低批量成本,请看以下案例: 某公司产品EMC攻关中遇到以下问题,在现有的四层板中,EMC指标(RE)超标,EMC攻关组有以下三条路可走(经以下任何一对策后,EMC指标均能通过): 对策种类 更改内容 每块单板增加成本 总体增加成本 对信号质量影响 1 加层 (46
13、) 改板,加层,增加电源、平面 20元 4000万 有改善 2加磁珠 改板,每块单板增加16个磁珠 8元(估算0.5元/个)没有计算改板成本 1600万 过设计,EMI改善,但信号一定恶化 3控制源头 改板,查找源头,增加4个滤波电容,处理几个回路问题 02元左右没有计算改板成本 小于40万 有改善 (注:以上为假设公司所有使用本单板的产品均需CE认证的数据,由于现阶段国内尚未强制要求,可能感到增加成本有些不必要,但国内强制实施EMC认证应该为时不远了.) 从我司目前情况来看,应该属于消费类电子,单板用量应该很大,尤其对成本的控制,应该是重中之重.从上面数据可以看出,三种对策的价格差异很大,如
14、果我们放弃从设计的源头控制EMC指标,不管采用那种措施,公司的利润都会遭受巨大损失. 212 PCB的EMC设计在我司产品EMC开发中的客观地位 前面的介绍我们知道,在信号质量的综合考虑、单板接口、无法进行完全屏蔽的产品里,开展PCB的EMC设计是其他任何EMC措施无法取代的;即使不存在以上问题的产品,开展以EMI源头设计为主的EMC系统设计,丰富了设计手段,减轻了后续工序的压力,降低了综合成本. 案例一,在某公司的某产品配线框的EMC设计中,由于该配线框无法采用完全屏蔽结构,但其EMC需求是要通过很严的EN55022 CLASS B级,结构、线缆方面的对策几乎没有,后来,通过调整PCB布局、
15、布线以及连接器的管脚排布,顺利解决了问题; 案例二,见上文,成本方面的比较; 案例三,某产品,屡次EMC攻关未果,最接近成功的一次是在原有系统外面再加一屏蔽箱体,但物理尺寸被扩大了一倍,失去了原有的意义,后经SCH、PCB、结构、线缆的综合考虑,在结构尺寸未变的情况下,通过了有关认证. 我们也应看到,在EMC系统设计的环节里,单独做好板级EMC的开发,并不能解决所有EMC问题,更不能有只需解决板级EMC问题,而无须再做屏蔽罩、屏蔽线缆的想法,我们强调的是EMC系统设计观念,而PCB的EMC设计是这个系统设计链条上最关键的一环,在单板方面进行EMC设计考虑是一个综合的考虑,是我们硬件、PCB工程师抬头脑中必须掌握的概念. 现在一些电子企业的一个瓶颈是从事EMC开发、硬件开发的人员对PCB的设计了
