基于分層與綜合法的EMC設(shè)計(jì)

1.電磁兼容設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備
電磁兼容設(shè)計(jì)前，須預(yù)先明確以下幾個(gè)問題:
產(chǎn)品銷往何處?是在國內(nèi)銷售還是準(zhǔn)備銷往歐洲，或是美國、日本等國產(chǎn)品屬于哪一類?是信息技術(shù)設(shè)備，還是工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療射頻設(shè)備，或是電信終端設(shè)備產(chǎn)品用于嘟里?是用于居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、輕工業(yè)區(qū)，還是工業(yè)區(qū)按照預(yù)先明確的各項(xiàng)問題，就可以確定電磁環(huán)境。電徽環(huán)境是指，存在于產(chǎn)品使用位置的所有電磁現(xiàn)象的總和。

這些電磁現(xiàn)象包括全部時(shí)間、全部頻譜，包括傳導(dǎo)與輻射。產(chǎn)品使用位I即產(chǎn)品安裝和工作的位里，其類別的劃分是以該位I的主要電磁特性為基礎(chǔ)的.在IEC61000-2-5中列舉了8類位2.即農(nóng)村居民區(qū)、城市居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、輕工業(yè)區(qū)、宜工業(yè)區(qū)(包括發(fā)電廠或變電站)、交通區(qū)、通信中心、醫(yī)院。電班環(huán)境的影響通過輻射和傳導(dǎo)侵入產(chǎn)品，其界面就如同一組端口，通過這些端口，電隴腸擾進(jìn)入或者出自所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。電磁掛擾的性質(zhì)和程度都與端口的類型有關(guān)。

電磁環(huán)境和產(chǎn)品端口確定以后，就可以選用和剪狡適用的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)電徽發(fā)射限值和抗擾度限值的規(guī)定，可確定電磁兼容性電平、電徽發(fā)射電平和抗擾度電平，然后，將這些電平逐級(jí)分配到各功能塊上，細(xì)化

電路板級(jí)和元件級(jí)的指標(biāo)。
根據(jù)電徽干擾的三要素:騷擾源，輛合途徑和敏感設(shè)備.為了保證產(chǎn)品的電磁發(fā)射電平和抗擾度電平滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.必須分析存在哪些電勝腸擾派、吸擾鉚的特性、產(chǎn)生的機(jī)理、傳播特性及抑制方法等，還必須分析產(chǎn)品中，電磁級(jí)擾是如何從級(jí)擾派拐合到各端口的?是傳導(dǎo)精合、共阻抗輻合、感應(yīng)拐合還是輻射輻合?即輻合途徑在嘟里，每條輻合途徑有什么特點(diǎn)?由于騷擾派頻域、時(shí)域特性的復(fù)雜性，以及城擾派幾何參數(shù)的復(fù)雜性和較寬的頻率范圍，遠(yuǎn)場和近場并存，傳導(dǎo)和輻射同在，做好這些分析必須下一番工夫:為了保證產(chǎn)品的抗擾度電平滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，除了分析電磁騷擾的輻合途徑外，還必須分析產(chǎn)品中的敏感器件和電路，研究如何提高它們的抗干擾能力。

2.第一層設(shè)計(jì):有源器件的選型與電源完整性
2.1有源器件的選型

電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是抑制騷擾源的發(fā)射強(qiáng)度和提高敏感電路的抗干擾艙力，而解決這一問題的關(guān)鍵是模擬器件和邏輯器件的選型。企業(yè)在購買這些器件時(shí).一般都只關(guān)心價(jià)格和性能，只是在發(fā)現(xiàn)器件和電磁騷擾發(fā)射有關(guān)，并且決定著產(chǎn)品的抗擾度，特別是發(fā)現(xiàn)電磁掛擾發(fā)射抑制和提高抗擾度的成本較高和研發(fā)周期顯著J加后，才重視對(duì)這些器件進(jìn)行評(píng)估和選型。

事實(shí)上，在國外，器件生產(chǎn)廠商己收到愈來愈多的企業(yè)有關(guān)器件電磁騷擾發(fā)射和抗擾度方面的投訴。這是因?yàn)?，要解決產(chǎn)品這方面的問題，僅靠屏蔽和濾波是無法實(shí)現(xiàn)的。模擬器件和邏輯器件的靈敏度和帶寬決定了它們的抗擾度特性。

模擬器件的靈敏度以器件固有嗓聲為荃礎(chǔ):邏輯器件的抗擾度特性取決于嗓聲容限或嗓聲抗擾度。噪聲容限即受加在愉入信號(hào)上的噪聲最大允許值，如果嗓聲大于嗓聲容限，退輯器件將誤翻轉(zhuǎn)。噪聲抗擾度越低，則器件的抗擾度越差。低電平、高密度組裝、商速、高頻器件很容易被干擾，特別是被脈沖嗓聲所干擾，推薦使用CMOS,HTL等器件。
邏輯器件還是一種騷擾發(fā)射較強(qiáng)的、最常見的寬帶騷擾源，器件的上升嚇降時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)邏輯脈沖所占頻譜越寬。頻譜寬度BW與上升尹下降時(shí)間rt的關(guān)系為:
BW=1/(Art)
例如，tr-2ns時(shí)，BW=159MHz，但實(shí)際輻射頻率范圍可達(dá)BW的十倍以上，此例中可達(dá)1.6GHz以上。

2.2電渾完整性
AI嗓聲電流和瞬態(tài)負(fù)載電流IL是這種寬帶傳導(dǎo)貓擾和輻射級(jí)擾的初始源。邏輯器件工作時(shí)，它內(nèi)部的門電路將發(fā)生導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換，會(huì)有一個(gè)突變電流

從所接電派流入門電路，或從門電路流入地線，使電派線或地線電流發(fā)生突變，這個(gè)變化的電流稱為41嗓聲電流;由于電派線和地線存在一定分布電感L,4I嘴聲電流流過時(shí)，將引起反電動(dòng)勢和尖峰電壓，引發(fā)電源電壓突變。電鉚電壓的這種臾變稱為△I噪聲電壓。

瞬態(tài)負(fù)載電流IL即門電路物入電容和馭動(dòng)線對(duì)地分布電容的放電電流耽，它與△I噪聲電流將發(fā)生復(fù)合，井將產(chǎn)生很商的八I嗓聲電壓，很明顯，它就是傳導(dǎo)掛擾和輻射腸擾的初始源.為了實(shí)現(xiàn)電派完整性，抑制傳導(dǎo)獲擾和輻射腸擾，就必須減小△I噪聲電壓.為了減小L，應(yīng)優(yōu)選多層印制板，將地城改為多層板中的一層。此外，正確選擇信號(hào)今數(shù)和脈沖參教，減小△I,AV,選用rt長的器件等。安裝去輻電容C.提供一個(gè)電流派，補(bǔ)償邏輯器件工作時(shí)所產(chǎn)生的△I嗓聲電流，也將減小△I噪聲電壓，實(shí)現(xiàn)電源完整性。

3.第二層設(shè)計(jì):印制電路板設(shè)計(jì)與信號(hào)完整性
印制電璐板提供元器件的支攤和互連線，是構(gòu)成產(chǎn)品的墓礎(chǔ)，是產(chǎn)品達(dá)到電磁兼容要求的重耍部分。印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下內(nèi)容:
各電路合理布局，不為各腸擾碩的電班發(fā)射提供“發(fā)射天線，，也不為敏感器件提供“接收天線”;線路板層數(shù)的選擇、元器件的布局和走線都應(yīng)符合電磁兼容性的要求。

降低電路的頻率。盡量使用低速芯片，延長上升尹下降時(shí)間，井使用低通濾波器濾除掉I/nrt以上的頻率成份。這部分頻率成分不但對(duì)電路工作沒有作用，而且輻射發(fā)射很強(qiáng).

減小信號(hào)環(huán)路的面積。盡量使用表面安裝器件(SMD)和多層印制板.為了減小信號(hào)環(huán)路的面積，就需要知道差模電流的實(shí)際路徑。眾所周知，電流總是走阻抗最小的路徑.信號(hào)環(huán)路的阻抗Z=R+j(aL，既包括信號(hào)環(huán)路的電阻，也包括信號(hào)環(huán)路的電感.頻率較低時(shí)，感抗很小，阻抗Z主要由R決定:當(dāng)頻率較高時(shí)，感抗所占比重越來越大，阻抗Z土要由L決定。根據(jù)定義，L=m/I.這里。為環(huán)路的磁通，I為環(huán)路電流。顯然.環(huán)路面積越大，所包圍的。越大，則L也越大?？梢哉f，環(huán)路的阻抗與環(huán)路的面積成正比。所以，高頻電流總是走L最小的路徑，也就是環(huán)路面積最小的路徑。采用單面板時(shí).可以在緊靠信號(hào)線的旁邊布一條地線;采用雙面板時(shí)，可以在線路面的另一面，緊靠信號(hào)線的一靦，沿著信號(hào)線布一條較寬的地線:如果采用多層板，則回流電流總是自動(dòng)的在信號(hào)線正下方的地線層上流動(dòng)，形成了最小的環(huán)路面積。

減小差模電流，盡量使用低功耗器件和理沖器。
當(dāng)產(chǎn)品有外接電組時(shí)，應(yīng)該特別注意由共模電流引起的輻射。共模輻射與驅(qū)動(dòng)源的頻率、共模電流、外接電纜的長度有關(guān)。為了減小共模輻射，需要做到以下兒點(diǎn):
盡t使用短電統(tǒng):減小共模電流，將共模電流旁路到地.或申接共模扼流圈:減小驅(qū)動(dòng)電壓，如減小地電位差等;采用屏蔽電纜，使電纜屏蔽層與屏蔽殼體作360。端接;盡址減少電纜上的高頻成份，可以在電級(jí)兩端使用低通共模灘波器來實(shí)現(xiàn):遴免共阻抗拐合及其他干擾輻合。

由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)時(shí)鐘電路等高速電路的設(shè)計(jì)要求越來越高.當(dāng)CPU速率超過IOMHz,tr小于Sns時(shí)，即高速PCB，將產(chǎn)生傳翰線效應(yīng)和信號(hào)完整性問題，需要采用商速PCB技術(shù)。
信號(hào)完整性即在要求的時(shí)間內(nèi)信號(hào)能以要求的時(shí)序，持續(xù)時(shí)間和電壓幅度做出響應(yīng)，不失真地從鉚端傳送到接收端。傳抽線效應(yīng)和信號(hào)完整性問粗包括:反射，時(shí)延和時(shí)序錯(cuò)誤，過沖廳沖和振蕩，申擾和EMI發(fā)射。要進(jìn)免傳抽線效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性，旅必須做到:
控制走線長度，合理規(guī)劃走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用端接匹配電阻和抑制EMI發(fā)射.

4.第三層設(shè)計(jì):地線設(shè)計(jì)
地線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)，也是難度較大的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。在電磁兼容設(shè)計(jì)的一開始，就進(jìn)行地線設(shè)計(jì)是解決電磁兼容問壓最有效和最旅價(jià)的方法.設(shè)計(jì)良好的地線網(wǎng)既能提商抗擾度，又能減小電斑發(fā)射。
接地的含義是:為電路或系統(tǒng)提供一個(gè)參考的等電位點(diǎn)或面。如果接真正的大地，則這個(gè)參考點(diǎn)或面就是大地電位。接地的另一個(gè)含義是:為電流流回源提供一條低阻抗路徑.

在地線設(shè)計(jì)時(shí)，必須知道地電流的實(shí)際流動(dòng)路徑。
地線設(shè)計(jì)應(yīng)通免共地阻抗輻合干擾和地環(huán)路干擾，其根茸則是地找阻抗。頻率較低時(shí)，回路阻抗主耍是電阻:當(dāng)翔率較商時(shí)，回路阻抗以感抗為主;為使感抗最小，必須使回路盡量小。

5.第四層設(shè)計(jì):屏蔽設(shè)計(jì)
屏蔽技術(shù)用來抑翻電盛扭擾沿空間的傳播，即切斷輻射拐合的傳播途徑。電班場擾沿空間的傳括是以電進(jìn)波的方式進(jìn)行的，可分為近場和遠(yuǎn)場.
電側(cè)極子天線的近場稱為高阻抗場，以電場為主，E正比于1尸，H正比于1尸。電偶極子天線稱為離電壓、小電流、離阻抗翻.近場又稱為感應(yīng)場。遠(yuǎn)場時(shí)，H和E都正比于I/r。遠(yuǎn)場又稱為輻射場，以平面波形式傳播。

近場電場屏蔽的必要條件是采用高導(dǎo)電率屏蔽體加接地;近場低頻磁場屏蔽可采用鐵、硅鋼片、坡莫合金等高導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁屏蔽或磁旁路，增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽，可提高屏蔽效能，但不需接地:近場高頻磁場屏蔽時(shí)，因頻率較高，磁性材料的磁導(dǎo)率下降，磁損增加而不適用，這時(shí)，可采用高導(dǎo)電材料，使反射損耗增大，也不需接地，但如果屏蔽體接地良好，則還可以同時(shí)屏蔽近場高頻電場:遠(yuǎn)場電磁屏蔽應(yīng)采用高導(dǎo)電率屏蔽體并接地。
實(shí)際的屏蔽機(jī)箱都有許多必要的孔、洞和縫原，引起導(dǎo)電不連續(xù)性.產(chǎn)生電磁泄漏，使屏蔽效能遠(yuǎn)低于實(shí)心材料的屏蔽效能。因此屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如何保證屏蔽的完整性。
實(shí)踐證明，當(dāng)孔縫尺寸等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄拐最大，一般要求縫長或孔徑小于k/10-)L/100.所以，高頻時(shí)，屏蔽效能主要取決于孔、縫，而低頻時(shí)，屏蔽效能主要取決于材料與厚度。但因趨膚深度有限，當(dāng)厚度大于1.2mm后，就沒什么實(shí)際愈義了。
屏蔽機(jī)箱上的永久性接縫應(yīng)采用焊接工藝密封;屏蔽機(jī)箱上的非永久性配合面，例如蓋板與箱體的配合面所形成的接縫，通常用拐釘緊固連接。但由于配合面不平整或變形，使屏蔽效能下降.導(dǎo)電襯墊是減小接縫的孟要屏蔽材料，被廣泛應(yīng)用。
對(duì)導(dǎo)電襯墊的要求是:有足夠彈性和厚度;耐腐蝕井與機(jī)箱材料的電化序相容，以防電化學(xué)腐蝕:轉(zhuǎn)移阻抗盡可能低(當(dāng)電徽?qǐng)稣丈涞揭r墊上時(shí)，在襯墊上的感應(yīng)電壓V與感應(yīng)電流1之比為轉(zhuǎn)移阻抗):壓縮變形或壽命符合要求。
常用的導(dǎo)電襯墊有以下幾種:卷曲紹旋彈黃:用薄的窄帶金屬材料繞制而成，卷旋直徑為1.2-25mm，材料為不銹鑰或艘姍彼鑰;指形黃片襯墊:由被青鑰皮沖壓而成的一排分立指形齒的襯墊結(jié)構(gòu)，廣泛用于經(jīng)常擂要拆裝的機(jī)箱或益板;金周編織網(wǎng)襯墊:芯材也是金屬的全編織網(wǎng)襯墊，材料可以是被桐、獲乃爾、樁錫鑰芯鑰絲，具有很離的屏蔽效能;橡膠芯編織網(wǎng)襯墊也是一種彈性好的襯墊:導(dǎo)電椒膠襯墊:空心或?qū)嵭镜膶?dǎo)電橄膠板或條。
屏蔽機(jī)箱有通風(fēng)徽熱耍求時(shí)，孺耍開孔，用穿孔金月板或班蓋金屬絲網(wǎng)在甚商抓時(shí)屏蔽效能都要下降。為此，豁要使用翻止波導(dǎo)式蜂窩板，它具有以下優(yōu)點(diǎn):工作頻率范圍寬，直到徽波頻段仍有較高屏蔽效能:對(duì)空氣阻力小，風(fēng)壓損失少;機(jī)械強(qiáng)度高，工作可靠毯定:
通風(fēng)板芯與框架之間，以及框架與機(jī)箱之間均使用導(dǎo)電襯墊，保證了低阻抗連接。
且示.、監(jiān)視拐娜可視宙口應(yīng)使用導(dǎo)電玻確防止電世穿透。導(dǎo)電玻瑞由層壓在兩層聚丙姆或平面玻勸之間的細(xì)金.絲網(wǎng)翻成，也可將金月薄腆真空沉積在光學(xué)基片上制成。其透光度可保持在60^-80%以上，而屏蔽效能可達(dá)8OdB以上.
面板上的操作旋妞、指示燈等都可以利用截止波導(dǎo)管進(jìn)行屏蔽。例如，使絕緣棒狀旋鈕式操作桿穿過截止彼導(dǎo)管，將指示燈安放在截止波導(dǎo)管后面等，都可以達(dá)到屏蔽的目的。
當(dāng)導(dǎo)線成電組直接穿過屏蔽體時(shí)，屏蔽體內(nèi)的電磁貓擾會(huì)拐合到進(jìn)、出屏蔽體的導(dǎo)線或電級(jí)上，并產(chǎn)生感應(yīng)電流傳導(dǎo)到屏蔽體外，造成輻射;同樣，外界的電磁括擾，也會(huì)通過進(jìn)、出屏蔽體的導(dǎo)線或電統(tǒng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流并傳導(dǎo)到屏蔽體內(nèi)，造成掛擾。由于導(dǎo)線或電統(tǒng)都有一定長度，可等效為天線，其輻射或接收的能力往往比其它走線更強(qiáng)。所以，導(dǎo)線或電纜是不允許直接穿過屏蔽體的，否則，屏蔽體的屏蔽效能就會(huì)大幅度下降。因此，穿過屏蔽體的
單根導(dǎo)線或電纜，必須通過饋通池波器。池波器電路為低通浦波器，采用單個(gè)電容型時(shí)，懊通濾波器的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)穿芯電容器。灘波器電路還有單個(gè)電感型、L 型、二型等，電路中的電感均由套在內(nèi)導(dǎo)體上的鐵氧體磁環(huán)構(gòu)成。能對(duì)30MHz至300MHz頻率范圍內(nèi)的騷擾感應(yīng)電流產(chǎn)生30dB以上的衰減，而低通濾波器的3dB帶寬對(duì)通過比截止繃率更低的信號(hào)則是夠?qū)捔?。?dāng)需要穿過屏蔽體的導(dǎo)線或電統(tǒng)較多時(shí)，可采用濾波招連接吞或泌波器陣列。沈波

器連接器是在帶屏蔽殼的連接器的每個(gè)插針中安裝了低通濾波器，同樣有單個(gè)電容型、單個(gè)電感型、L型和二型等。濾波器連接器不僅具有與其相應(yīng)的非濾波器連接器相同的插針布置和觸點(diǎn)間距，而且可以和它們互換配對(duì)和互換裝配。濾波器陣列則是由大量超小型單個(gè)低通濾波器按需要排列成陣列組成。在使用這些濾波器時(shí)，最重要的是保證接地良好，確保濾波器與屏蔽體有良好的接觸，最好是使用焊接方式。
‘.第五層設(shè)計(jì):濾波設(shè)計(jì)
實(shí)踐表明，即使一個(gè)經(jīng)過很好設(shè)計(jì)、并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì)因有導(dǎo)線或電纜直接穿過屏蔽體而使屏蔽效能大大下降，導(dǎo)致電磁兼容試驗(yàn)失敗。解決這個(gè)問題的有效方法，就是在導(dǎo)線或電纜的端口處安裝濾波器，將傳導(dǎo)騷擾濾除。所以，濾波技術(shù)用來抑制電磁騷擾沿導(dǎo)體的傳播，即切斷傳導(dǎo)騷擾的傳播途徑。從頻率選擇的角度出發(fā)，濾除傳導(dǎo)騷擾的濾波器屬于低通濾波器，包括電源線濾波器、信號(hào)線濾波器等。其目的是使低頻成份通過，而高頻成份被衰減。從濾除傳導(dǎo)騷擾的機(jī)理出發(fā)，這種濾波器還可分為反射式濾波器和吸收式濾波器兩類。
反射式濾波器由L,C等電抗元件組成，阻帶內(nèi)的頻率成分被反射至騷擾源。
選擇反射式低通漣波器電路結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)阻抗失配原則，即騷擾源阻抗與濾波器輸入阻抗、濾波器輸出阻抗與負(fù)載阻抗都有最大程度的失配，就可以獲得良好的濾波效果。因此，對(duì)于低的騷擾源阻抗，濾波器輸入端應(yīng)選用串聯(lián)電感端口，對(duì)于高的騷擾源阻抗，濾波器輸入端，應(yīng)選用并聯(lián)電容端口;同樣，對(duì)于低阻抗負(fù)載，浦波器輸出端應(yīng)選用串聯(lián)電感端口，對(duì)于高阻抗負(fù)載，濾波器輸出端應(yīng)選用并聯(lián)電容端口。
濾波器的重要特性是插入損耗隨頻率的變化，即頻率特性。插入損耗定義為

基本電路的濾波效果很有限，為了提高濾波效果，可在基本電路基礎(chǔ)上，再增加一些元件。例如，與共模扼流圈串聯(lián)兩只差模扼流圈，以增大對(duì)差模騷擾電流的濾波，而構(gòu)成差模增強(qiáng)型濾波器;如果在共模扼流圈右邊再增加一個(gè)共模扼流圈，以增大對(duì)共模孤擾電流的濾波，便構(gòu)成共模增強(qiáng)型濾波器;也可以同時(shí)增加共模扼流圈和差模扼流圈，就構(gòu)成了高性能型濾波器。差模濾波電容可以適當(dāng)增加，但不希望增加共模濾波電容，以免泄漏電流超過安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

電源線濾波器的性能與其安裝方式有很大關(guān)系。例如，安裝時(shí)，濾波器的輸入引線不得過長，與輸出引線不得發(fā)生禍合，還必須接地良好。
信號(hào)線濾波器則要求正確選擇截止頻率。
吸收式濾波器由鐵氧體元件構(gòu)成。
70綜合設(shè)計(jì)

在分層設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)接地、屏蔽和濾波等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。例如，畫出地線網(wǎng)后，是否在穿過屏蔽體時(shí)使用了鎖通濾波器?是否考慮了必要的屏蔽和濾波;又如，屏蔽機(jī)殼設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)出屏蔽體的導(dǎo)線或電纜是否經(jīng)過了濾波?屏蔽殼是否有可靠的接地?再如，完成濾波設(shè)計(jì)后，輸入端和輸出端之間是否有屏蔽隔離?濾波器及其殼體是否有可靠的接地連接等，都需要綜合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
總之，電磁兼容設(shè)計(jì)表面看來很復(fù)雜，不知從何下手，但只要采用分層與綜合設(shè)計(jì)法，就會(huì)迎刃而解了。