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[導讀]電磁兼容的中心議題:電磁兼容技術(shù)簡述電磁兼容實例應(yīng)用分析電磁兼容的解決方案:接地、屏蔽、濾波將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程摘 要:本文簡要介紹電磁兼容相關(guān)的各項技術(shù),通過對接地、屏蔽、濾波等技術(shù)的分析,

電磁兼容的中心議題:

電磁兼容技術(shù)簡述

電磁兼容實例應(yīng)用分析

電磁兼容的解決方案:

接地、屏蔽、濾波

將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程

摘 要:本文簡要介紹電磁兼容相關(guān)的各項技術(shù),通過對接地、屏蔽、濾波等技術(shù)的分析,說明產(chǎn)品如何實現(xiàn)良好的電磁兼容性,如何將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程。對實例分析,結(jié)合電磁兼容理論,說明實際測試中的處理方法,從干擾源、耦合路徑、敏感源方面逐步分析驗證,提高產(chǎn)品可靠性。

目前,電磁兼容技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為專門的針對電子產(chǎn)品抗電磁干擾和電磁輻射的技術(shù),成為考察電子產(chǎn)品的安全可靠性的一個重要指標,覆蓋所有電子產(chǎn)品。

各個電子設(shè)備在同一空間工作時,會在其周圍產(chǎn)生一定強度的電磁場,這些電磁場通過一定的途徑(輻射、傳導)耦合給其他的電子設(shè)備,影響其他設(shè)備的正常工作,可能使通訊出錯或者系統(tǒng)死機等,設(shè)備間相互干擾相互影響,這種影響不僅僅存在設(shè)備間,同時也存在元件與元件之間,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間。甚至存在與集成芯片內(nèi)部。

電磁兼容技術(shù)主要包括接地、濾波、屏蔽技術(shù)等,在特定場合需要注意的是不一樣的,在結(jié)構(gòu)方面,需要注意屏蔽和接地,在線纜方面注意接地和濾波,在PCB設(shè)計方面,需要注意信號布局布線、濾波等。

一、電磁兼容技術(shù)

首先從構(gòu)成電磁干擾的三要素入手,即干擾源、敏感源、耦合路徑,干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備,通過電纜、空間輻射等耦合路徑影響干擾敏感源設(shè)備。高頻電壓 /電流是產(chǎn)生干擾的根源,電磁能量在設(shè)備之間傳播有兩種方式:傳導發(fā)射和輻射發(fā)射,傳導發(fā)射是以導線為媒體,以電流為現(xiàn)象,輻射發(fā)射是以空間輻射為媒體,以電磁波為現(xiàn)象。常見干擾源有雷電、無線通訊、脈沖電路、靜電、感性負載通斷、天線、電纜導線等。任何電路都可能成為敏感源,數(shù)字電路抗干擾性較好,但是風險大,大的脈沖尖峰可能是數(shù)字電路誤動作,音頻模擬電路對射頻信號敏感。耦合路徑分為空間耦合和傳導性耦合,空間耦合包括互感耦合、電容耦合、天線輻射,傳導性耦合包括地線和電源線上的傳導。

電磁兼容設(shè)計主要包括接地設(shè)計、屏蔽設(shè)計、濾波設(shè)計方面的知識。地線分為安全地、交流地、直流地、數(shù)字地、模擬地、機殼地、防雷地等,地線從電壓概念說是提供一個等電位體,從電流概念上說是提供一個電流通路。地線阻抗決定了線路的抗干擾性,其中導線阻抗決定了地線的電位差,回路阻抗決定了實際的地線電流,地環(huán)路的存在是電路受干擾的主要原因,減小地環(huán)路的面積,降低對線路的影響,使用屏蔽線或同軸電纜都可能減小信號回路的面積,從而達到降低干擾的影響。地線電流總是走地線阻抗比較小的路徑,高頻低頻時線路的阻抗是不一樣的,可以根據(jù)需要設(shè)計信號路徑。多層板比雙層板的抗干擾性要好,因為多層板有專門的地層和電源層,保證每個信號回路都具有最小的信號回路面積,如果是雙層板,最好鋪地線網(wǎng)格,來保證最小的回路面積。

單端接地是為了降低電場對設(shè)備的影響,兩端接地是降低磁場對設(shè)備的影響,兩端接地形成磁場環(huán)路,外界磁場在原來信號與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時,也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is,Is也會感應(yīng)出磁場,但是這個磁場與原來的磁場磁場方向相反,相互抵消,導致總磁場減小,減小了干擾。

屏蔽技術(shù),主要是應(yīng)用在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上的,也有對線路關(guān)鍵電路進行屏蔽的,如時鐘電路、CPU等??疾煜到y(tǒng)的屏蔽效能可以利用靜電測試,如果系統(tǒng)屏蔽做的好,靜電會沿著屏蔽體進行泄放,不會對內(nèi)部線路造成影響。良好的電磁屏蔽的關(guān)鍵因素是屏蔽體的導線連續(xù)性,如果必須開孔引導線,采用屏蔽電纜,屏蔽層一定要采用360度環(huán)接方式進行接地,保證屏蔽的完整性。根據(jù)不同屏蔽層傳輸阻抗的頻率特性和信號工作頻率,來選擇屏蔽電纜。

濾波包括電源線濾波與信號濾波。電纜是一個很好的天線,有時候即使屏蔽做的很好,仍然不能通過輻射發(fā)射和輻射敏感度的試驗,這是因為電纜產(chǎn)生的輻射遠高于線路板本身及機箱屏蔽不完整發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的輻射。解決這種問題的一個方法是在電纜的端口處安裝濾波器,將干擾電流濾除掉。根據(jù)干擾的頻率選擇濾波器的截止頻率,才能有效的濾除干擾。一個系統(tǒng)使用了二階LC低通濾波器,做輻射試驗還是過不去,將前級電容去掉,輻射發(fā)射就不超標了,說明了需要降低截止頻率才能濾除一部分干擾,增加濾波器的級數(shù)增加了曲線的陡度,提高了在工作頻率內(nèi)的濾波性能,并不能將更低頻率的干擾濾除。濾波電容引線要短,可以采用“V”形接法,減小高頻時的回路阻抗,也可以在引線上增加安裝磁珠,加大了引線上的電感,增強了濾波效果。薄膜電容的電阻成分大,應(yīng)采用陶瓷電容來進行濾波,陶瓷電容的阻抗特性好。

電磁兼容技術(shù)應(yīng)貫穿產(chǎn)品研發(fā)始終,包括產(chǎn)品的概要設(shè)計、詳細設(shè)計、原理圖印制板設(shè)計、結(jié)構(gòu)、組裝調(diào)試等每個環(huán)節(jié),都應(yīng)該考慮電磁兼容設(shè)計,概要設(shè)計中需要調(diào)研產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境,分析現(xiàn)場干擾類型,評估干擾風險,詳細設(shè)計中需要針對具體的干擾,采取相應(yīng)的對策,需要全面設(shè)計。原理圖印制板圖設(shè)計需要將各項措施體現(xiàn)在原理圖中,必要時進行仿真,印制板圖設(shè)計時需要按照模塊化設(shè)計,注意布局布線,敏感電路的電磁兼容防護。結(jié)構(gòu)也是電磁兼容設(shè)計中主要的一部分,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對靜電、群脈沖、輻射等有很大的關(guān)系,結(jié)構(gòu)要求具有良好的屏蔽性和接地。裝配調(diào)試環(huán)節(jié)需要注意信號完整性,保證接地的連續(xù)性,注意面板接觸問題,在測試環(huán)節(jié)根據(jù)遇到的實際情況,采取相應(yīng)的措施。

二、電磁兼容實例應(yīng)用分析

學習電磁兼容技術(shù)的整體目標是系統(tǒng)地學習電磁兼容方面的知識,通過學習電磁兼容設(shè)計理論,使這些方法、規(guī)則、措施等融入實際工作中,來保證產(chǎn)品盡可能可靠。

1、接地問題

實例一:某系統(tǒng)設(shè)備在做422通訊串口的射頻場感應(yīng)傳導測試,采用雙絞屏蔽線,開始采用的是單端接地,測試時出現(xiàn)的誤碼率高,幾乎沒有正確的數(shù)據(jù),后來采用雙端可靠接地,通訊正常。

實例二:某系統(tǒng)設(shè)備在做視頻鼠標線的射頻場感應(yīng)傳導的試驗時,在較低頻段(3M以下)時顯示器有波紋,上下閃動,后來將視頻線的顯示器側(cè)可靠接地,干擾明顯降低,幾乎不影響顯示。

分析:這兩種現(xiàn)象都是在做射頻場的感應(yīng)傳導試驗時出現(xiàn)的,射頻場的感應(yīng)傳導抗擾度試驗實質(zhì)是:設(shè)備引線變成被動天線,接受射頻場的感應(yīng),變成傳導干擾入侵設(shè)備內(nèi)部,最終以射頻電壓電流形成的近場電磁場影響設(shè)備工作 ,以低頻磁場為主。

雙絞線能夠有效地抑制磁場干擾,這不僅是因為雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積,而且因為雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向,因此相互抵銷。雙絞線的絞節(jié)越密,則效果越明顯。

屏蔽層兩端接地時,外界磁場在原來信號與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時,也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is,Is也會感應(yīng)出磁場,但是這個磁場與原來的磁場磁場方向相反,相互抵消,導致總磁場減小,減小了干擾。

2、屏蔽問題

實例三:某系統(tǒng)為機柜、機箱式結(jié)構(gòu),其中控制部分為機箱結(jié)構(gòu),子板總線板結(jié)構(gòu),子板均安裝面板。做靜電試驗時,接觸放電+5.5kv時,對主板面板及左右相鄰的面板進行靜電試驗時,控制板重啟或死機,后來在控制板附近的面板之間安裝指形簧片,系統(tǒng)在接觸放電±6.6kv時運行正常。

實例四:某系統(tǒng)試驗,用普通機柜,系統(tǒng)很敏感,對機柜引出線(通訊線)進行群脈沖試驗,采用耦合夾耦合方式,干擾一加上去,系統(tǒng)就不正常,在通訊線兩端增加磁環(huán),效果不明顯,后來沒有辦法了,更換了屏蔽機柜,進行試驗,有明顯效果,做幾輪后,系統(tǒng)才會出現(xiàn)倒機想象,在通訊線進機柜處增加安裝磁環(huán)后,系統(tǒng)工作正常,幾輪試驗后,沒有出現(xiàn)倒機現(xiàn)象,系統(tǒng)工作都正常。

分析:現(xiàn)在很多系統(tǒng)都是機箱結(jié)構(gòu),即控制板、采集板、驅(qū)動板等都安裝在同一機箱中,進行數(shù)據(jù)交換與控制。安裝完成后各電路板會有一定的縫隙,靜電脈沖通過面板縫隙,分布電容向主板耦合,使電源失真或控制發(fā)生故障系統(tǒng)重啟、死機。在面板之間安裝指形簧片,使機箱成為一個良好的屏蔽體,由于電荷的“趨膚效應(yīng)”,當有靜電干擾時,靜電會沿著表面泄放至大地,對內(nèi)部電路的影響減小或者消失。

屏蔽機柜對機柜的縫隙和門都進行了處理,縫隙處安裝導電簧片,門與機柜接觸位置安裝導電布襯墊,提高機柜的屏蔽效能,提高機柜整體的抗干擾性,群脈沖干擾的實質(zhì)是對線路分布電容能量的積累效應(yīng),當能量積累到一定程度時就可能引起線路(乃至設(shè)備)工作出錯。通常測試設(shè)備一旦出錯,就會連續(xù)不斷的出錯,即使把脈沖電壓稍稍降低,出錯情況依然不斷的現(xiàn)象加以解釋。脈沖成群出現(xiàn),脈沖重復頻率較高,波形上升時間短暫,能量較小,一般不會造成設(shè)備故障,使設(shè)備產(chǎn)生誤動作的情況多見。

3、磁環(huán)的作用

實例五:對一個機箱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做群脈沖實驗,機箱內(nèi)含有控制板、采集板、驅(qū)動板等,采集線、驅(qū)動線出機柜,需要做信號線群脈沖實驗,當干擾施加在采集線上時,所有的采集板上指示燈都閃爍,對采集回路進行分析,采集輸入有光電隔離器件,采集回線為動態(tài)的12V輸出,當干擾施加時,可能造成采集回線上的電壓失真,造成指示燈閃爍,找了一個閉合磁環(huán),安裝在采集回線上,進行實驗,在某一極性下指示燈閃爍,說明磁環(huán)有作用,然后根據(jù)其阻抗特性,繞制2圈,實驗效果不明顯,后來試驗一下繞制3圈,結(jié)果,采集指示燈顯示正常,多次試驗,系統(tǒng)均正常。

分析:磁環(huán)對群脈沖干擾有很好的抑制作用,根據(jù)實際情況安裝在通訊線的兩端或一端,磁環(huán)有不同的阻抗特性,對干擾信號進行頻率分析,設(shè)計磁環(huán)的截止頻率正好落在干擾信號頻率附近,使磁環(huán)體現(xiàn)較大的阻抗性,來抑制干擾。

磁環(huán)的圈數(shù)影響磁環(huán)的阻抗特性,圈數(shù)越多,阻抗特性曲線向低頻率方向移動,即較低頻率下的阻抗越大,若此頻率比較接近干擾頻率時,就能起到很好的抑制干擾的作用。

電磁兼容技術(shù)融入電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中,可以提高產(chǎn)品的安全可靠性,如果在實際測試中,某一方面存在缺陷,可以從電磁干擾的方式上入手進行一步一步測試,電磁干擾有兩種形式:傳導發(fā)射和輻射發(fā)射,從各自的耦合路徑進行查找。一個系統(tǒng)指標超標,可以先從輻射發(fā)射上解決,設(shè)備是否屏蔽良好,機殼上孔用導電布封住,導電布要與機殼良好接觸,再進行試驗,如果還超標,那就是干擾主要是傳導發(fā)射引起的,在設(shè)備機殼出口處安裝信號濾波器和電源濾波器,進行試驗,如果還超標,那就是干擾是通過電纜輻射和傳導發(fā)射出來,通過對屏蔽層的接地,減小地環(huán)路等措施必定能查找到原因并解決。

三、結(jié)語

產(chǎn)品需要逐步更新完善,才能達到一定的安全可靠,電磁兼容技術(shù)需要不斷的積累,才能保證產(chǎn)品的安全可靠,產(chǎn)品應(yīng)用場合不同,遇到的電磁干擾有所不同,產(chǎn)品的性能也不同,需要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境,分析干擾源,查找耦合路徑,明確敏感源,對干擾源采取隔離措施,切斷耦合路徑或者疏導干擾,對敏感源采取屏蔽、濾波等措施,保證產(chǎn)品安全可靠工作。

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