產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(連載)(精)

1、產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計（連載）前兩講分別介紹了在電磁兼容測試中遇到的兩大問題：抑制產(chǎn)品本身的騷 擾發(fā)射和提高產(chǎn)品自身的抗干擾能力。它多少給人以應(yīng)付測試的味道。本講介 紹產(chǎn)品內(nèi)部的電磁兼容性設(shè)計，屬主動設(shè)計。文中就常見的共性問題提出一些 原則措施，涉及內(nèi)容有印制電路板設(shè)計，直流開關(guān)穩(wěn)壓 電源設(shè)計，設(shè)備內(nèi)部的布線，屏蔽電纜的使用，靜電防 因護(hù)和開關(guān)接點處理等。1印制電路板設(shè)計中的注意點（1）當(dāng)高速、中速和低速邏輯電路混用時，要在印 -制電路板上分配不同的布局區(qū)域。例如將高速電路布在靠近電路板的入口處， 它可使高頻電流的走線為最短，有助于降低電路板內(nèi)部的串?dāng)_、公共阻抗耦合 和輻射發(fā)射。（2）對低電平模

2、擬電路和數(shù)字邏輯電路要盡可能分離（3）電源線和地線要盡可能地寬，而且電源線和地線要盡可能地靠近，最 好的辦法是電源線布在印制電路板的一面，而地線布在另一面，上下重合，這 會使電源的阻抗為最小。另外，整塊印制板上的電源線和地線要呈“井”字形 分布，以達(dá)到電路板中電流均衡的目的。（4）要為模擬電路敷設(shè)專門的地線。（5）為了減少平行走線時的串?dāng)_，必要時可增加印制線條間的距離，或在線條 間有意識地安插一些地線（或電源線）作 為隔離措施。（6）印制電路板設(shè)計中要特別注意電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸。因為 這些環(huán)路就相當(dāng)于是正在工作中的小天線，隨時隨地向空間輻射騷擾，或接收 干擾。布線中尤其要注意時鐘部分

3、的布線，因為這是整個系統(tǒng)中工作頻率最高 的部分。（7）如有可能，在控制線進(jìn)入印制板后，在入口處加RC去耦電路，以便 消除長線傳輸過程中可能出現(xiàn)的干擾因素。（8）印制板上的線寬不要突變，導(dǎo)線不要突然拐角（9）在選用邏輯集成電路時，凡能不用高速電路的就不要用高速電路（10） 在每個邏輯集成電路的電源和地之間都要加去耦電容，以免邏輯電 路工作時在公共電源與地線上產(chǎn)生開關(guān)噪聲。電容器要選擇高頻特性好的，如 獨石電容等，典型值為10 nF100 nF。（11） 要注意長線傳輸過程中的波形畸 變，必要時要采取阻抗匹配措施。方法有兩種（以TTL電路為例）：1始端匹配：在IC電路輸出端串聯(lián)150Q電阻后再帶長

4、線；2終端匹配：在被驅(qū)動電路接一個由300Q和390Q構(gòu)成的“分壓”電路（“分壓 點”接長線與IC電路輸入的公共端）。（12）對于傳輸線達(dá)到5m或更長的情況，應(yīng)采用專門的差動驅(qū)動方式。利用差 動線路固有的抗共模干擾能力，提高設(shè)備的抗干擾能力。（13）對于有操作按鈕與電子線路配合的問題，常因按鈕觸點的顫動造成 設(shè)備的誤動作。處理方案之一：在整形電路后面設(shè)置一級單穩(wěn)態(tài)電路，利用單 穩(wěn)態(tài)電路的延時作用躲過觸點的顫動時間，保證線路可靠工作。方案之二：也 是一個更為可靠的方案，采用R-S觸發(fā)器作緩沖，它可以萬無一失地避免按鈕 操作中所引起的誤動作（見圖3.1），而且可以有一互補(bǔ)的邏輯信號輸出。2 htt

5、p:/ 設(shè)計中的電磁兼容問題隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備的小型化和數(shù)字化成為技術(shù)發(fā)展的主 流，導(dǎo)致人們對電源部分小型化的呼聲日高，所以http:/ 關(guān)電源固有的高頻輻射及傳導(dǎo)的電磁騷擾發(fā)射已成為人們所關(guān)注的熱點。2.1 http:/ ndex.asp?boardid=10開關(guān)電源對電網(wǎng)的傳 導(dǎo)騷擾與抑制圖3.2是http:/ 主要部分。首先，整流電路的非線性給交流市電電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。其次，http:/ 模噪聲。該共模噪聲的傳播途徑始于有高dv/dt的功率晶體管外殼，經(jīng)過該晶體管外殼與散熱器之間的寄生電容耦合（晶體管外殼通常不和散熱器直接接觸，而用絕緣薄膜墊起，故在晶體管外殼與散熱器之間形成

6、一寄生電容)，再 經(jīng)過接電源外殼的散熱器和安全接地線返回電網(wǎng)。對經(jīng)過整流的初級電路來說，直流電壓為300V;而對MOS功率晶體管來 說，開關(guān)波形的上升和下降時間達(dá)到100 ns并不困難。因此，開關(guān)波形的電壓 變化率實際上要達(dá)到300V/100nS或3kV/1卩S。 另外，MOS功率晶體管與散熱器 之間的分布電容大約在50pF左右，故由電壓變化引起的瞬變電流要達(dá)到l=C(dv/dt)=50X1012X(3000/106)=150mA抑制傳導(dǎo)噪聲的途徑有：(1) 在交流電源的輸入回路加電源濾波器。濾 波器對高頻能量的傳遞呈現(xiàn)高阻抗，而對市電輸入 呈低阻抗。因此，濾波器不但封鎖了共模噪聲的傳 播途徑

7、，而且也衰減了輸入回路中的差模噪聲。(2) 如果要求機(jī)殼不通過上述瞬變電流時，可在晶體管外殼和散熱器之間安裝帶有屏蔽層的絕緣 墊片，并把屏蔽層接到開關(guān)電路低端，這樣由dv/dt開關(guān)電路，而不是機(jī)殼或安全地。(3) 晶體管的高速開通與關(guān)斷時間雖使http:/ 但也帶來了在高頻輻射和傳導(dǎo)發(fā)射方面的危害， 為此需要對晶體管的電壓 波形進(jìn)行“整修”，圖3.3給出了幾種常見的電路形式。在圖3.3(a)中，電 容的存在限制了晶體管截止瞬間的電壓增長率。在圖3.3(b)中，晶體管截止瞬間，在變壓器初級線圈上所感生的電壓將使二極管導(dǎo)通，線圈中貯存的能量 將通過二極管、電阻回路釋放，避免了原本要出現(xiàn)在晶體管兩端

8、的電壓尖峰。圖3.3(c)則是另一種常用的變壓器能量釋放電路，在晶體管截止瞬間通過二 極管將能量返回到初級直流高壓電源。2.2 http:/ 的輻射 騷擾與抑制(1)http:/ 的輻 射騷擾與電流通路中的電流大小、通路的環(huán)路面積、以及電流頻率的平方等三 者的乘積成正比，即輻射騷擾E*IAf2。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小 于頻率的波長。關(guān)系式表明減小通路面積是減少輻射騷擾的關(guān)鍵，這就是說http:/ 布線緊湊。次級回路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。所引起的容性電流將進(jìn)入在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印刷板的兩面，并設(shè)法使兩個載流 導(dǎo)體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負(fù)載

9、流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向 于相互抵消的。（2）次級回路中，在晶體管截止瞬間二極管的反向恢復(fù)過程使得出現(xiàn)短暫 的反向電流。二極管的這一過程用于消除少數(shù)載流子，并建立反向偏壓。對快 恢復(fù)二極管因有很高的di/dt，而產(chǎn)生輻射騷擾。為控制這種騷擾，可在變壓 器輸出端到整流二極管的連線上套磁 珠，并在二極管兩端跨接聚酯薄膜電容 器，或使用軟恢復(fù)二極管。（3）對晶體管開通關(guān)斷時的波形 “整修”，也抑制了di/dt，對輻射噪聲的減少也有好處。2.3輸出噪聲的減小次級回路中整流二極管在反向恢復(fù)過程中，流過二極管的電流發(fā)生劇烈變 化，它在有接線電感的回路中將感生出電動勢。另由于二極管具有結(jié)電容，所 以在整

10、個次級回路中要產(chǎn)生高頻衰減振蕩。但http:/ 尖峰也越大。為克服輸出電壓中的尖峰，可增加第二級濾波。在圖 小的電感值就足夠了（一般只需在磁芯上繞幾圈），電容 容。3設(shè)備內(nèi)部的布線在設(shè)備內(nèi)部，布線不當(dāng)，特別是線束捆扎與線束間的相互距離是造成干擾 的首要原因。3.1布線間的電磁耦合及抑制方法布線間的電磁耦合不外是通過磁場（互感）或電場（靜電容）進(jìn)行的，對 磁場耦合可采取的抑制辦法有：（1）減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，最好是使用雙絞線和屏蔽線，以 便使信號線與接地線、載流回線之間的距離為最近。（2）增大線間距離，使干擾源與受感應(yīng)線路間的互感盡可能地?。?）最好使干擾源與受感應(yīng)線路呈直角（或接近

11、直角）布線，以便大大降 低線路間耦合。對電場耦合，可采取的辦法有：（1）增大線間距離，使電容耦合為最小。3.4中的電感只（2）采用靜電屏蔽層，屏蔽層要接地。（3）降低敏感線路的輸入阻抗，如對CMO電路可在入口端對地并聯(lián)一個 電容或阻值較低的電阻，從而降低因靜電容引入的干擾。（4）如有可能，敏感線路可采用差動線路作輸入，利用差動線路固有的共 模抑制能力，可克服干擾源對敏感線路的干擾。3.2布線的一般方法布線間的干擾雖然是通過磁場和電場耦合進(jìn)行的，但制約的主要因素卻是 電流、電壓和頻率等。所以避免布線間干擾的較好辦法是事前將線路按功率、頻率來分類，以每30dB的功率電平分成若干組，不同分類的導(dǎo)線要

12、分開捆扎, 相鄰類的導(dǎo)線在采用屏蔽或扭絞之后也可歸在一起，分類敷設(shè)的線束間距為50mmr75mm表3.1為按功率電平的分類布線法。分級功率范圍（dBm主要導(dǎo)線類別A40高功率直流、交流和射頻線（電磁騷擾源） 低功率直流、交流和射頻線（電磁騷擾源）B1040脈沖和數(shù)字源、視頻輸出電路（音頻視頻源）C-2010音頻和傳感器敏感電路、視頻輸入電路（視頻D-50-20敏感電路）E-80-50射頻、中頻輸出電路、安全保護(hù)電路（射頻敏F-80感電路）天線和射頻電路4常用電纜和屏蔽層的接地問題為了使線路間的耦合減至最小，除了要使電纜線的長度為最短，系統(tǒng)工作 頻率盡可能低，電纜線通過電流盡可能小外，還可以通過

13、合理使用各種電纜來 達(dá)到較好效果。4.1常用電纜常用電纜有三種，即同軸電纜、雙絞線和扁平帶狀線（1）雙絞線雙絞線在較低頻率（如100kHz以下）使用有效, 特別是它的價格低廉，非常受歡迎。高頻下，因阻抗 不均勻造成波形反射等問題，使應(yīng)用受到限制。雙絞線有屏蔽和非屏蔽兩種。非屏蔽的雙絞線盡 管抵御靜電容耦合的能力弱些，但對防止磁場感應(yīng)依 然有效。除了非屏蔽雙絞線的屏蔽效果與單位長度內(nèi)的扭絞次數(shù)成正比外，雙絞線 的特性阻抗也與單位長度內(nèi)的扭絞次數(shù)有關(guān)。通常每cm扭絞2次的雙絞線的特性阻抗大約有120Q左右（扭絞緊的，阻抗低些；反之亦反）。（2）同軸電纜大多數(shù)的屏蔽電纜都是用金屬編織層來屏蔽的，特點

14、是柔軟和耐用。同軸 電纜因其具有較均勻的特性阻抗和較低的損耗，使它從直流到甚高頻都有較好 性能。（3）帶狀電纜無屏蔽的帶狀電纜是供電子計算機(jī)、儀器儀表和其他電控設(shè)備作連接信號 用的，特點是成本低、使用方便。帶狀電纜在使用中遇到的主要問題是信號與地線的分配。只有一根地線的 分配方式，可使用線數(shù)最少，但信號和接地回線之間形成的大環(huán)面積，會產(chǎn)生 輻射發(fā)射和敏感度方面的問題。另外，在公共阻抗上的耦合和導(dǎo)線間的串?dāng)_上 也存在問題。最好的接線方式是讓信號和地線相間排列（即一根信號配一根地線），這 樣每根信號都有一個單獨的接地回路，公共阻抗的耦合不存在；線間串?dāng)_也減 至最小，但占用導(dǎo)線數(shù)目比一捆線中只用一根

15、地線的情況幾乎增加一培。次一些的接線方式是按一根地線、兩根信號、再一根地線、再兩根信 號的方式排列。這種方式也能做到一根信號配一根地線，因此環(huán)路面積也 很小。但是兩根信號共用一根地線（因地線左右各有一根信號），仍存在一些 公共阻抗的耦合問題。另外，在并排的兩根信號線之間仍存在有一些串?dāng)_問 題，但在多數(shù)情況下已可滿足防護(hù)要求。此方法的用線數(shù)比上一方法可減少25%。還有一種方案，是緊靠帶狀電纜放置一塊接地平板，此方法也能取得較好 的防護(hù)效果，但由于電纜線端接比較困難，使用不多。4.2電纜線屏蔽層的接地問題除了帶狀電纜，對屏蔽電纜和雙絞線都有一個屏蔽層接地問題。使用者關(guān) 心的是電纜的屏蔽層應(yīng)該是始端

16、接地，還是終端接地，或者是多點接地。圖3.5給出了對100kHz磁場干擾相對敏感度的測試結(jié)果。100kHz是個轉(zhuǎn)折點， 低 于此頻率，一般用單點接地；反之，用多點接地。從圖3.5所提供的測試結(jié)果看，直接將負(fù)載接地的方式是不合適的，因為 兩端接地的屏蔽層為磁感應(yīng)的地環(huán)路電流 提供了分流，使得磁場屏蔽性能下降。此外，單點接地和多點接地還和電纜 線的長度有關(guān)，本文開關(guān)講到的接地概念 對電纜屏蔽層接地同樣適用。線長比入/4短時，一般用單點接地；當(dāng)線長達(dá)到入/4時，應(yīng)采用多點接地。在多點接地時，如 果做不到每隔0.05入0.1入有一個接地點時，至少也應(yīng)將電纜線屏蔽層的始 端和終端都接地。4.3電纜線的端

17、接電纜線的端接方式在一般情況下，可將其屏蔽層捏成小辮，焊在接地點 上。但在咼頻下(如頻率咼于1MHz的信號，或前沿達(dá)到0.2卩s以上的脈 沖)，為了確保屏蔽效能和確保端接點上的阻抗連續(xù)， 要求端接的屏蔽層能均 勻地包住信號線， 并用同軸接頭來完成360的電接觸，以保護(hù)電場屏蔽的完 整性和傳輸線阻抗的連續(xù)性。5對靜電放電的防護(hù)靜電放電可通過直接傳導(dǎo)、電容耦合和電感耦合等三種方式進(jìn)入電子線 路。靜電放電常會引起IC電路和其他半導(dǎo)體器件損壞。對鄰近物體的放電，通 過電容或電感耦合會影響到電路工作的穩(wěn)定性。消除靜電危害，首先要阻止放電電流直接進(jìn)入電子線路，最基本的辦法是 建立完善的屏蔽結(jié)構(gòu)，帶有接地的

18、金屬屏蔽殼體可將放電電流釋放到地。但是 接縫和開孔可造成屏蔽殼體的不連續(xù)，使靜電透過接縫和開孔處與內(nèi)部電路形 成電位差，弓I起與內(nèi)部電路之間的放電，影響電路的正常工作。因此要從結(jié)構(gòu) 上想辦法：(1) 機(jī)殼縫隙采用切口方式，增長放電路徑，使放電不易產(chǎn)生；(2) 減小開孔尺寸，并使電路板遠(yuǎn)離開孔點；(3) 電路板完全屏蔽；(4) 在外殼與電路間增加第二屏蔽層，屏蔽層接電路公共接地點。對某些設(shè)備外殼不接地，而內(nèi)部電路通過輸入/輸出線和電源線與外面的地 相連時，靜電放電會使殼體的對地電位升高，造成外殼與內(nèi)部電路間放電。由 于放電電流流通路徑很長，干擾情況顯著，在這種情況下，外殼必須接地。對內(nèi)部電路來說

19、，如果需要與金屬外殼 相連，必須采用單點接地，防止放電電流流 過電路，造成危害。對輸入/輸出電纜來說，為了避免由它引 入的靜電放電對內(nèi)部電路產(chǎn)生危害，有必要 在內(nèi)部電路的入口處增加響應(yīng)速度高的保護(hù) 器件(如TVS管列陣)使瞬態(tài)電流迅速旁路 到地。這個地應(yīng)該與外殼間有最近的連接 點，避免放電電流在內(nèi)部電路的地線上有過長的通路。在印制電路板設(shè)計時，要考慮到插拔電路板時人體放電對器件的損害。為 此在印制電路板外圍要增畫一條保護(hù)環(huán)，保護(hù)環(huán)與印制板的接地端相連。拔取 時，由于人手首先接觸到的是保護(hù)環(huán)，因此放電就在保護(hù)環(huán)與人手之間進(jìn)行， 并通過接地端子泄放到地，實現(xiàn)了印制板的保護(hù)。6設(shè)備內(nèi)部的開關(guān)觸點處理

20、開關(guān)斷開時所產(chǎn)生的電弧對電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的干擾是人們所熟悉的， 本節(jié)敘述干擾形成機(jī)理、危害性和抑制方法。6.1開關(guān)斷開過程中的瞬變干擾形成圖3.6是由供電線路、開關(guān)和繼電器等組成的小系統(tǒng)的等效電路。假定繼 電器的繞組電感L2為1H,存在于繞組匝間和層間的分布電容C2為500pF,繼 電器繞組的穩(wěn)態(tài)電流I=70mA當(dāng)開關(guān)S分?jǐn)鄷r，根據(jù)電感中電流不能突變的原 理，原先儲存在L2中的能量將釋放并對C2充電。若不計能量轉(zhuǎn)移中的損耗， 則下式成立：(1/2) L2I2=(1/2)C2U22因此，在開關(guān)斷開瞬間，出現(xiàn)在繼電器繞組上的峰值電壓可以求得能量交換的自諧振頻率與繼電器電路相比，供電線路側(cè)的分布參

21、數(shù)應(yīng)很小，因此，相對U2而言，在C1上出現(xiàn)的電壓峰值U1可以不計，而供電線路側(cè)的自諧振頻率則很高，說明 配電線路的瞬變過程將很快被衰減到零。由此可見，開關(guān)觸點斷開瞬間所產(chǎn)生的電弧，主要是由于繼電器繞組（電 感性負(fù)載）上出現(xiàn)的高壓，導(dǎo)致了觸點間氣隙的擊穿所致。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)開關(guān)觸點剛剛打開瞬間，動靜觸頭的距離還很近，只 須在繼電器繞組上建立較低電壓，就可以引起觸頭間的空氣絕緣擊穿，這就是 第一次電弧的產(chǎn)生過程。一旦觸頭間產(chǎn)生電弧，繼電器繞組分布電容C2便通過電源進(jìn)行放電，C2的放電很快就結(jié)束，本次電弧很快被阻斷。這樣整個電路又 恢復(fù)到繼電器繞組電感向分布電容轉(zhuǎn)移能量，于是C2再次充電。這一次

22、由于動靜觸頭距離比以前稍有拉開，故新一次觸頭間電弧的建立需要有比前一次更高 的電壓，出現(xiàn)電弧的間隔時間亦有所增長。這種情況將繼續(xù)下去，直到觸頭間 距離大到使分布電容C2上的電壓不能造成空氣擊穿為止。這就是開關(guān)分?jǐn)噙^程 中出現(xiàn)觸頭間放電的機(jī)理。從供電線路側(cè)考慮，當(dāng)繼電器繞組分布電容尚在充電階段，由于開關(guān)觸頭 間氣隙尚未擊穿，圖3.6中A點將是供電線路的開路電壓（假定供電線路在開 關(guān)分?jǐn)嗨查g的過渡過程已經(jīng)結(jié)束）。然而一旦繼電器繞組分布電容上的充電電 壓與供電電源的迭加達(dá)到可以使開關(guān)觸頭間隙擊穿時，A、B兩點便通過電弧貫通，由于弧壓降很小，因此A、B兩點的電位在放電瞬間變得幾乎相等。貫通的 電弧為繼

23、電器繞組分布電容提供了放電通路，而且亦由于供電線路的分布參數(shù) 很小，故放電十分迅速，只要繼電器繞組分布電容上的電壓低于維持電弧所必 須的電壓，這次放電便告結(jié)束。所以以A點看到的瞬變電壓波形將是一連串的 “毛刺”。在用高速示波器展開時，便可以看到一連串上升和下降邊沿都是ns級的瞬變電壓波形。根據(jù)大量試驗表明，脈沖串中單個脈沖的重復(fù)頻率大約是 幾kHz幾百kHz; 串脈沖的個數(shù)大約是幾個幾百個；脈沖的幅度大約是幾 百幾千伏。圖3.7給出了試驗中觀察到的瞬變電壓波形。上述由機(jī)械開關(guān)斷開電感性負(fù)載時產(chǎn)生的瞬變電源波形，其特點是重復(fù)頻 率高、上升時間短、脈沖幅度高，對電子設(shè)備會造成很強(qiáng)的干擾。6.2干擾

24、的抑制措施（1）對繼電器繞組（或泛指對電感性負(fù)載）的處理對直流繼電器來說，可 在繞組上并聯(lián)R、C、D元器件的支路來達(dá)到抑制干擾的目的。圖3.8是一些可 能的方案。對圖3.8（a），由于二極管的存在，阻止了開關(guān)斷開過程中對分布電容 的充電，也避免了自諧振。線路中的續(xù)流電流表達(dá)式可寫成i=I。其中，I為繼 電器繞組的穩(wěn)態(tài)工作電流；T為時間常數(shù)，T=L/R,L是繞組電感，R是繞組 電阻。當(dāng)L很大或R很小時，T將很大，這意味著線路中的電流衰減很慢。因 此，這一措施將使繼電器觸頭延遲釋放。這個電路的優(yōu)點是瞬變電壓最低。對圖3.8（b），與圖3.8（a）相比，不同點在于二極管回路中加進(jìn)了電阻R。當(dāng)開關(guān)S分?jǐn)嗪?，繞組電阻R與附加電阻R同處在一個續(xù)流回路，新的 續(xù)流回路時間常數(shù)T=L/（R+R次1）。顯然增大R可減小時間常數(shù)T,加速續(xù)流電流的衰減，加快繼電器觸頭的釋放過程。R的選擇要在實際使用中折衷，太大了，干擾抑制不明顯；太小了，繼電器延時釋放未改善。對圖3.8(c)，不計附