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幹貨預警:高速電路的電磁兼容分析與設計

-2018-10-08-

上海海悅電子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直专注于安规与電磁兼容測試設備的研发、av电影在线和销售,公司的主要人员具有近20年的从业经历,有着丰富的实践经验,已经成功给多家大型认证实验室提供过测试设备的规划以及相应试验设备供应,公司自行av电影在线数百种各类安规设备、试验仪器,并承接非標定制試驗設備。

公司同时代理销售国内外多家知名的安规设备厂商av电影在线,包括:美国COMPWEST、意大利ATS、美国ED&D、台灣鯨揚、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、台湾艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

公司在電磁兼容領域提供完整的EMI與EMS設備,代理供應包括歐洲EM-TEST、意大利AFJ、德國FRANKONIA、瑞士EMC-PARTNER、日本MORITA等衆多廠家av电影在线,同時公司也是北京科環在華東區銷售網點。

設計的線路板首要任務是能夠正常工作,但如今PCB板的層數越來越高,厚度越來越薄,線寬、線間距等越來越小,出現電磁幹擾等影響印制板的質量的因素層出不窮。基于此主要探討電磁兼容産生的因素、電磁兼容産生的要素並對相應的解決問題的方法進行詳細分析與探討。

電磁兼容性是指電氣和電子系統及設備在特定的電磁環境中,在規定的安全界限內以設定的等級運行時,不會由于外界的電磁幹擾而引起損壞或導致性能惡化到不可挽救的程度,同時它們本身産生的電磁輻射不大于檢定的極限電平,不影響其他電子設備或系統的正常運行,以達到設備與設備、系統與系統之間互不幹擾、共同可靠地工作的目的。

1 电磁兼容产生的因素

(1)電阻的頻率特性。在數字電路中,電阻的主要作用在于限流和確定固定電平,在高頻電路中,存在于電阻兩端的高頻寄生電容會對正常的電路特性造成破壞。同樣電阻的引腳電感對電路的EMC影響很大。

(2)電容的頻率特性。電容器一般應用在電源總線,它提供去耦合、旁路和維持固定的直流電壓和電流的作用。但是在高頻電路中,當電路的工作頻率超過了電容的自諧振頻率時,其寄生電感將使電容表現爲電感特性,從而失去原有的功能並影響電路的工作性能。

(3)電感的頻率特性。電感器是用來控制PCB內的EMI。當電路的工作頻率增加時,電感的等效阻抗會隨著頻率的增加而增大,當電路的工作頻率超過電感的工作頻率上限時,電感將會影響電路的正常工作。

(4)導線的頻率特性。PCB上的走線和元器件的引腳導線都有寄生電感和電容,這些寄生電感和電容會影響到導線的頻率特性,從而有可能在元器件和導線之間産生諧振,致使導線成爲電磁幹擾的重要發射天線。通常,導線在低頻段表現爲電阻特性,在高頻段則表現爲電感特性,因此在PCB上,導線的長度一般要求小于工作頻率波長的二十分之一,以避免導線成爲電磁幹擾的發射源。

(5)靜電。靜電放電問題已經成爲電子av电影在线的一大公害,可能給av电影在线帶來直接性的損壞,因此在av电影在线設計中,必須采取相應的靜電防護措施。常用的防靜電措施包括選擇具有防靜電材料,采用電氣隔離措施,提高av电影在线的絕緣強度以及設置良好的靜電屏蔽層和泄放通道等。

(6)電源。隨著高頻開關電源的廣泛應用和電力系統負荷的不斷增加,電源對av电影在线的幹擾問題逐漸成爲影響av电影在线EMC特性的一個重要因素。因此,一些易受幹擾的敏感設備已經不直接采用交流供電而改用直流供電,這樣雖然增加了系統的複雜性和成本,但是有效提高了系統工作的穩定性。

(7)雷電。雷電實質上是一種正負電荷中和的強靜電放電過程,由此産生的強電磁脈沖導致各種電子設備受損的主要原因。雷電對電子設備的影響包括直擊雷和感應雷兩種,現在各種室內使用的電子設備,一般不容易遭受直擊雷的影響,但是依然容易受到感應雷的損害。爲了確保電子設備的安全運行,必須對電子設備進行防雷擊保護。常用的防雷措施包括設置避雷針、安裝避雷器和避雷線等.

2 电磁兼容产生的要素

理論和實踐的研究證明,不管複雜系統還是簡單裝置,任何一個電磁幹擾的發生必須具備三個基本條件:存在一定的幹擾源、有幹擾的完整耦合通道、有被幹擾對象的響應.

2.1 电磁干扰源

電磁幹擾源指産生電磁幹擾的任何元件、器件、設備、系統或自然現象。高頻電路對電磁幹擾尤爲敏感,因而需要采取多種措施來抑制電磁幹擾。經過理論與實驗分析得知:高頻電路中,電磁幹擾主要來自以下幾個方面:

(1)器件工作的噪聲幹擾

(a)数字电路工作时产生电磁干扰。   

(b)信號電壓、電流變化産生的電磁場幹擾。

(2)高頻信號噪聲幹擾

(a)串擾:是指一個信號在傳輸通道上傳輸時,因電磁耦合而對相鄰的傳輸線産生不期望的影響,在被幹擾信號表現爲被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串擾可能引起電路的誤觸發、時序延時,導致系統無法正常工作。

 

(b)回波損耗:當高頻信號在電纜及通信設備中傳輸時,遇到波阻抗不均勻點時,就會對信號形成反射,這種反射不但導致信號的傳輸損耗增大,並且會使傳輸信號畸變,對傳輸性能影響很大。

(3)電源噪聲幹擾

 PCB中的電源噪聲主要由電源自身産生或受擾感應的噪聲組成,主要表現爲:①電源本身所固有的阻抗所導致的分布噪聲;②共模場幹擾;③差模場幹擾;④線間幹擾;⑤電源線耦合。

(4)地線噪聲幹擾

由于地線上存在電阻、阻抗,當電流通過地線時,就會産生壓降,當電流足夠大或工作頻率足夠高時,這個壓降會大到足以對電路造成幹擾。地線導致的噪聲幹擾主要包括地線環路幹擾和公共阻抗耦合幹擾。

(a)地線環路幹擾:當多個功能單元連接在地線上時,如果地線中的電流足夠大,則會在設備間的連接電纜上産生壓降。由于各個電路間的電氣特性不平衡,每根導線上的電流會不同,因此産生差模電壓,從而對電路造成影響。此外外部電磁場也有可能在地線環路中感應出電流,從而導致幹擾。

(b)公共阻抗耦合幹擾;當多個功能單元公用同一段地線時,由于地線阻抗的存在,各個單元的地電位之間會發生相互調制,從而導致各個單元信號間相互耦合産生幹擾,在高頻電路中,電路處于高頻工作狀態,地線阻抗往往較大,此時的公共阻抗耦合幹擾尤其明顯。

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個:一個是減小公共地線部分的阻抗,這樣公共地線上的電壓也隨之減小,從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當的接地方式避免容易相互幹擾的電路共用地線,一般要避免強電電路和弱電電路共用地線,數字電路和模擬電路共用地線。如前所述,減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線,用多條相距較遠的並聯導體作接地線。對于印刷線路板,在雙層板上布地線網格能夠有效地減小地線阻抗,在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗,但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是並聯單點接地,並聯接地的缺點是接地的導線過多。因此在實際中,沒有必要所有電路都並聯單點接地,對于相互幹擾較少的電路,可以采用串聯單點接地。例如,可以將電路按照強信號,弱信號,模擬信號,數字信號等分類,然後在同類電路內部用串聯單點接地,不同類型的電路采用並聯單點接地.

2.2 抑制耦合通道

高速電路中電磁幹擾的主要耦合通道包括輻射耦合、傳導耦合、電容耦合、電感耦合、電源耦合以及地線耦合等。

對于輻射耦合來說,其主要抑制方法是采取電磁屏蔽,將幹擾源與敏感對象有效隔離。

对于传导耦合来说,其主要的方法是在信号布线的时候,合理安排高速信号线的走向。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,以免发生信号反馈或串扰,可在两条平行线间增设一条地线加以隔离。对于外连信号线来说,应尽量缩短输入引线,提高输入端阻抗。对模拟信号输入线加以屏蔽,当板上信号导线阻抗不匹配时,会导致信号反射,当印制导线较长时,线路电感会导致减幅振荡。通过串入阻尼电阻(阻值通常取22~2 200 hm,典型值为470 hm),可有效抑制振荡,增强抗干扰能力,改善波形.

對于電感、電容的耦合幹擾來說,可采用如下兩個方面進行抑制:一方面是選擇合適的元器件,對于電感電容,應該根據不同元器件的頻率特性來選擇,對于其他元器件,則應選擇寄生電感、電容較小的器件。另一方面是合理地進行布局和布線,要盡量避免長距離平行布線,電路中電氣互連點間的布線力求短。信號(特別是高頻信號)線的拐角應設計成45度走向或稱圓形、圓弧形,切忌畫成小于或等于90度角度形狀。相鄰布線面導線采取相互垂直、斜交或彎曲走線的形式以減少過孔的寄生電容和電感,過孔和管腳之間的引線越短越好,並可以考慮並聯打多個過孔或微型過孔以減少等效電感。選用元器件封裝時,應選擇標准封裝,以減少因封裝不匹配而導致的引線阻抗及寄生電感。

对于电源耦合以及地耦合来说,首先应注意降低电源线和地线阻抗,对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象需采取必须措施。在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容以缩短开关电流的流通途径。将电源线和地线设计成格子形状,而不用梳子形状,这是因为格子状能显著缩短线路环路,降低线路阻抗,减少干扰。当印制电路板上装有多个集成电路,且部分元件功耗较大,地线出现较大电位差,形成公共阻抗干扰时,宜将地线设计成封闭环路,这种环路无电位差,具有更高的噪声容限。应尽量缩短引线,将各集成电路的地以短距离连到电路板的入口地线,降低印制导线产生的尖峰脉冲。让地线、电源线的走向与数据传输方向一致,以提高电路板的噪声容限。尽量采用多层印制电路板,降低接地电位差,减少电源线阻抗和信号线间串扰。当没有多层板而不得不使用双面板时,必须尽量加宽地线线条,通常地线应加粗到可通过3倍于导线实际流过的电流量为宜,或采用小型母线方式,将公共电源线和地线尽量分布于印制板两面的边缘。在电源母线插头处接入1μF~10μF的钽电容器进行去耦,并在去耦电容并联一个0.01 μF~0.1μF的高频陶瓷电容器。

2.3 保护敏感对象

對敏感對象的保護主要集中在兩個方面,一方面是切斷敏感對象與電磁幹擾之間的通道。另一方面就是降低敏感對象的敏感度。

電子設備的敏感度是一柄雙刃劍,一方面使用者希望電子裝置的靈敏度高,以提高對信號的接受能力;另一方面,靈敏度高也意味著受噪聲影響的可能性越大。因此電子設備的敏感度應根據具體情況來確定。

對于模擬電子設備來說,通常采用的方法是采用優選電路,比如設計低噪聲電路、減少帶寬、抑制幹擾傳輸、平衡輸入、抑制幹擾及選用高質量電源等。通過這些方法可以有效降低電子設備對電磁幹擾的敏感度,提高設備的抗幹擾能力。

對于數字式電子設備來說,應在工作指標許可的情況下,采用直流噪聲容限高的數字電路,例如CMOS數字電路的直流噪聲容限遠高于TTL數字電路的直流噪聲容限;在工作指標許可的情況下,盡量采用開關速度低的數字電路,因爲開關速度越高,由它引起的電壓或電流的變化也就越快,從而越容易産生電路間的耦合幹擾;在電路可接受的前提下,盡可能提高門檻電壓,利用在電路前設置分壓器或穩壓管的方法來提高門檻電壓;采用負載阻抗匹配的措施,即使負載阻抗等于信號線的波阻抗,消除數字信號在傳輸過程中由于折射和反射的作用而産生的畸變。通常情況下,對敏感對象的保護需要與對幹擾源的屏蔽以及對耦合通道的抑制結合起來使用,並且需要在實踐中根據實際情況進行反複實驗,以達到防護效果。

3 总结

高速電路板的電磁兼容分析與設計是一個系統性很強的工作,需要大量的工作經驗積累。電磁兼容設計是關系電子系統是否能實現功能、滿足設計指標的關鍵之一,隨著電子系統的複雜程度增加,工作頻率增高,電磁兼容設計在電子設計中的地位將越來越突出,越來越重要。