電磁兼容性原理與設(shè)計(jì)

1、電磁兼容性原理與設(shè)計(jì)電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本原理1 .接地接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要問(wèn)題。接地目的有三個(gè)：(1)接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè) 公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。(2)防止外界電磁場(chǎng)的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于 靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過(guò)大地泄放，否則這 些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干 擾。另外，對(duì)于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲 得良好的屏蔽效果。(3)保證安全工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)， 可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣 不良或其它原因直接與機(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電 事故發(fā)生。止匕外，

2、很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連， 當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V電壓時(shí)，將發(fā)生致命危險(xiǎn)。因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以 理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電 位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和 工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超 過(guò)規(guī)定值。電路的接地方式基本上有三類，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地 和混合接地。單點(diǎn)接地是指在一個(gè)線路中，只有一個(gè)物理點(diǎn) 被定義為接地參考點(diǎn)。其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這 一點(diǎn)上。多點(diǎn)接地是指莫一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到 距它最近的接地平面上，以使接

3、地引線的長(zhǎng)度最短。接地平 面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的地導(dǎo)線， 在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等?；旌辖拥厥菍⒛切┲恍韪哳l接地點(diǎn)，利用旁路電容和接 地平面連接起來(lái)。但應(yīng)盡量防止由現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu) 成的諧振現(xiàn)象。2 .屏面屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制 電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻 射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜 或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散； 用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來(lái)，防止它們受到 外界電磁場(chǎng)的影響。因?yàn)槠帘误w對(duì)來(lái)自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等 外部的干擾電磁

4、波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損 耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能 量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，可抵消部分干擾 電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。屏蔽體材料選擇的原則是：（1）當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流 （P=I2R,電阻率越低（電 導(dǎo)率越高），消耗的功率越大），形成對(duì)外來(lái)電磁波的抵消作 用，從而達(dá)到屏蔽的效果。（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的 材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的 空間去。（3）在莫些場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都 具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用不

5、同的金屬材料組成多層 屏蔽體。3.其它抑制干擾方法（1）濾波濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平，因?yàn)楦蓴_頻譜 成份不等于有用信號(hào)的頻率，濾波器對(duì)于這些與有用信號(hào)頻 率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難 以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是抑制干擾源和消 除干擾耦合，或是增強(qiáng)接收設(shè)備的抗干擾能力，都是有力措 施。用阻容和感容去耦網(wǎng)絡(luò)能把電路與電源隔離開(kāi)，消除電 路之間的耦合，并避免干擾信號(hào)進(jìn)入電路。對(duì)高頻電路可采用兩個(gè)電容器和一個(gè)電感器(高頻扼流圈)組成的CLCM型濾波器。濾波器的種類很多，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器能消除不 希望的耦合。(2)正確選用

6、無(wú)源元件實(shí)用的無(wú)源元件并不是 理想”的，其特性與理想的特性 是有差異的。實(shí)用的元件本身可能就是一個(gè)干擾源，因此正 確選用無(wú)源元件非常重要。有時(shí)也可以利用元件具有的特性 進(jìn)行抑制和防止干擾。(3)電路技術(shù)有時(shí)候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求， 可以結(jié)合屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)。平衡電路是指雙 線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對(duì)地 或?qū)ζ渌鼘?dǎo)線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導(dǎo)線所 檢拾到的干擾信號(hào)相等。這時(shí)的干擾噪聲是一個(gè)共態(tài)信號(hào)， 可在負(fù)載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術(shù)， 例如接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，整形電路，積分電路和選通電路等等。 總之, 采用電路技術(shù)也是抑制

7、和防止干擾的重要措施。電磁兼容在電路設(shè)計(jì)中的原則和方法1、電磁兼容的分層設(shè)計(jì)原則這主要是按照電磁兼容設(shè)計(jì)的先后順序來(lái)考慮的，從先到后可分為以下幾層：(1)元器件的選擇和 PCB設(shè)計(jì)，這是關(guān)鍵的；(2)接地設(shè)計(jì)，這是主要的手段。以上兩層如果設(shè)計(jì)的好，可完成電磁兼容的 80%以上的工作。(3)屏蔽設(shè)計(jì)；(4)濾波設(shè)計(jì)和瞬態(tài)騷擾抑制。以上兩層是輔助手段， 多為事后補(bǔ)救措施，也是我們最不提倡的。(5)可根據(jù)實(shí)際電路需要，結(jié)合以上幾層來(lái)綜合設(shè)計(jì)。2、保證電磁兼容的方法主要根據(jù)構(gòu)成干擾的三要素從下幾方面來(lái)保證電磁兼容。2.1 在不同等級(jí)上保證電磁兼容1)從元器件級(jí)上來(lái)說(shuō)，當(dāng)是無(wú)源元件時(shí)，考慮(1)工作頻帶

8、以外的元件參數(shù)與工作頻帶上的有很大的區(qū)別；（2）插件元件的末端引線有電感存在，當(dāng)高頻時(shí)這個(gè)電感易發(fā)生 電磁兼容問(wèn)題；（3）元件有寄生電容，寄生電感，在電路上 表現(xiàn)為分布參數(shù)，在分析電路時(shí)也要考慮由它帶來(lái)的等效電 路。當(dāng)是有源元件時(shí)，工作中產(chǎn)生的電磁輻射也會(huì)以傳導(dǎo)電 流的方式成為干擾源，當(dāng)是非線性元件時(shí)還可能發(fā)生頻譜成 分的變化，這種變化也會(huì)引起干擾。2）從設(shè)備級(jí)上來(lái)說(shuō)，主要是保證減少對(duì)敏感設(shè)備的耦合，可考慮（1）增加脈沖前沿時(shí)間以減少干擾的頻寬； （2） 消除電路中震蕩器產(chǎn)生的諧波及信號(hào)的諧波； （3）限制干擾 輻射或消除干擾的傳播途徑。3）從系統(tǒng)級(jí)上來(lái)說(shuō)，主要是靠組織或系統(tǒng)工程的方法 來(lái)保證

9、，因?yàn)橛锌赡茉趩蝹€(gè)設(shè)備上的電磁兼容得到了改善， 但同時(shí)卻影響了其它設(shè)備的工作條件，使得其它設(shè)備的性能 指標(biāo)變壞，此時(shí)需要從系統(tǒng)上折中考慮，另外，重要的一點(diǎn) 是電磁兼容設(shè)計(jì)必須得到系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的高度重視。2.2 減小導(dǎo)線之間的耦合主要是從增大導(dǎo)線之間的距離，使用屏蔽，使用雙絞線 或使用屏蔽加雙絞這幾個(gè)方面來(lái)考慮。2.3 接地主要應(yīng)考慮（1）接地導(dǎo)線及公共線的阻抗應(yīng)最小，最好小于產(chǎn)品最高工作頻率的人/2”內(nèi)；（2）接地導(dǎo)線應(yīng)采用 橫截面為管形的接地線；（3）可靠接地，并防止連接點(diǎn)形成 氧化層；（D）使用一點(diǎn)并聯(lián)接地（低頻用）或者多點(diǎn)接地（高 頻用）。2.4 屏蔽當(dāng)是低頻磁場(chǎng)時(shí)，主要考慮磁屏蔽，當(dāng)屏

10、蔽層越厚，材 料導(dǎo)電率越高，屏蔽效能越好；當(dāng)是高頻磁場(chǎng)、電場(chǎng)或電磁 場(chǎng)時(shí)，主要考慮用薄金屬屏蔽并良好接地。另一個(gè)值得注意 的是在線纜制作時(shí)，要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外 克要有？360度的完整搭接，不能由現(xiàn) 豬尾巴”現(xiàn)象，否則效果 大大打折扣。2.5 濾波主要考慮（1）抑制工作頻帶以外的干擾；（2）在信號(hào)電路中用吸收濾波器消除無(wú)用的頻譜成分；（3）在電源電路（尤其是開(kāi)關(guān)電源中），操縱電路，控制電路，以及轉(zhuǎn)換電 路中消除產(chǎn)生的干擾。在工程實(shí)際中，一個(gè)最值得注意的地 方是電源濾波器的安裝，常見(jiàn)的濾波器的錯(cuò)誤安裝如圖2所示。2.6 電子設(shè)備的空間位置由于各種電子設(shè)備的接收特性以及干擾源設(shè)備的輻

11、射 特性都具有一定的方向性和一定的作用距離，可以利用這些 特性適當(dāng)安排電子設(shè)備在設(shè)備空間中的位置以避免干擾和 被干擾，即注意確定電子設(shè)備之間的空間距離和位置的格 局。3、PCB設(shè)計(jì)技術(shù)除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)外，良好的印制板（PCB）布線在電磁兼容設(shè)計(jì)中也是一個(gè)非常重要的因素。既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會(huì)給產(chǎn) 品的最終完成帶來(lái)附加費(fèi)用，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)也是非常經(jīng)濟(jì) 的。3.1 注意電磁兼容設(shè)計(jì)的帶寬在EMC中，除了基本頻率外，還需考慮諧波因素，通常取十倍頻，但在數(shù)字 電路中卻有些不同，比如在時(shí)鐘電路和邏輯門電路中，輻射帶寬與數(shù)字信號(hào)的上升沿或下降沿有關(guān)系，而不是數(shù)

12、字信號(hào)的重復(fù)周期，其關(guān)系為：rtF?/1max?,其中rt是脈沖的上升 沿時(shí)間。例如，典型時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的邊沿速率是2ns,此時(shí)，maxF= 160MHz,再考慮十倍頻，則此時(shí)鐘電路可能產(chǎn)生直到 1.6GHz的輻射帶寬。所以在選擇器件時(shí)要選擇慢速的邏輯器 件系列，因?yàn)槠骷?duì)電磁輻射貢獻(xiàn)的大小與工作頻率無(wú)直接 關(guān)系而只取決于邊沿速率（這和從電路功能設(shè)計(jì)上選擇快速 器件是矛盾的，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要折中考慮）。還有從器件的抗擾能力上來(lái)說(shuō)，CMOS器件是最好的，因?yàn)樗脑肼暼?限高。從封裝上來(lái)說(shuō)，BGA是最好的，因?yàn)樗囊€很短。 脈沖信號(hào)的頻譜如圖3所示。3.2 注意用于PCB電磁兼容設(shè)計(jì)的電路與電路原理圖

13、不主要是由于 PCB的電路原理圖沒(méi)有考慮電路中元件及PCB線條的分布參數(shù)，如分布電感，分布電容，分布互感， 分布互電容以及傳輸延遲等項(xiàng)。例如導(dǎo)線在高頻時(shí)等效于電 感和電阻的串聯(lián)。開(kāi)關(guān)速度越高，對(duì)負(fù)載阻抗的要求就越高， 要求時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的輸由阻抗必須等于時(shí)鐘線條的波阻抗，通 常時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器都要加串聯(lián)電阻，經(jīng)驗(yàn)值一般為1030Q。3.3 注意PCB布線原則（1） 20-H原則，決定印制線條間的距離，表述如下： 所有的具有一定電壓的 PCB都會(huì)向空間輻射電磁能量（如圖 4a）,為減小這個(gè)效應(yīng)，PCB的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的 接地板的物理尺寸小 20H （其中H是兩層PCB的間距），即 3mm左右，這樣

14、可使輻射強(qiáng)度下降70% （如圖4b）。20-H原則示意圖如圖4所示：圖4 20H原則根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用 20-H規(guī)則后會(huì)大大提高 PCB 的自激頻率。（2） 3-W原則，它決定 PCB的電源層與邊沿的距離， 表述如下：當(dāng)兩條印制線的間距較小時(shí)，兩線之間會(huì)發(fā)生電 磁串?dāng)_，從而使電路功能失常。為避免這種影響，應(yīng)保持任 何線條間距不小于三倍的印制線條寬度，即3W, W為印制線條寬度。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求。(3)保證信號(hào)在PCB上可靠的傳輸，確保信號(hào)的完整 性。這里面主要的問(wèn)題一般包括時(shí)延、阻抗不匹配、地彈跳、串音等。這不但影響到電子器件的穩(wěn)定工作，還會(huì)產(chǎn)生電磁 干擾。一般在高速邏輯

15、設(shè)計(jì)中最容易碰到時(shí)延問(wèn)題，處理不 好會(huì)產(chǎn)生不希望的脈沖干擾。傳輸時(shí)延對(duì)信號(hào)的影響如圖5所示。A 1 www.diangon. comB _l I£ I I75U 圖5傳輸時(shí)延對(duì)信號(hào)的影響3.4 注意確定PCB布線層數(shù)首先在設(shè)計(jì)中要有一個(gè)重要的概念，就是每個(gè)布線層最好與實(shí)平面(電源或接地) 相鄰。原則：(1)電源平面應(yīng)靠近接地平面并且安排在接地平面之 下。這樣可以利用兩金屬平板之間的電容作電源的平滑電容，同時(shí)地平面還可以對(duì)電源面的輻射電流起到屏蔽的作用。（2）數(shù)字電路和模擬電路分開(kāi)。數(shù)字地和模擬地之間 可以不開(kāi)糟，但須有一個(gè)完整的統(tǒng)一的地平面，且嚴(yán)格按數(shù) 字部分和模擬部分分區(qū)。（3）中

16、間層的印制線條形成平面波導(dǎo)，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。（4）電路尤其高頻電路是主要 的干擾和輻射源，一定要單獨(dú)安排，遠(yuǎn)離敏感電路。（5）信號(hào)面應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰，這樣是為了產(chǎn)生通量對(duì)消 作用。（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布 線時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。對(duì)于雜散電流可以用去耦電容，對(duì)于高頻 輻射電流可以通過(guò)減小回路面積。以下是常見(jiàn)的PCB層設(shè)計(jì)，供參考（S表示信號(hào)層，G 表示地層，P表示電源層）。四層板：S1, G, P, S2六層板：S1, G, S2, P, G, S3八層板：S1, G, S2, G, P, S3, G, S4十層板：S1, G, S2, S3, G

17、, P, S4, S5, G, S6 （但 S4對(duì)電源噪聲敏感）3.5 注意PCB接地設(shè)計(jì)1）首先，要建立分布參數(shù)的概念。高于一定頻率時(shí), 任何金屬導(dǎo)線都可看成是由電阻和電感構(gòu)成的器件，所以,接地引線具有一定阻抗并且構(gòu)成電氣回路，不管是單點(diǎn)接地 還是多點(diǎn)接地都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正地或機(jī)架。2)接地方法(1)單點(diǎn)接地。如果元件，電路的工作頻率小于1MHz時(shí)，單點(diǎn)接地是很好的方式，但當(dāng)頻率升高時(shí)，連接線電感 作用突生，此時(shí)接地阻抗將升高，當(dāng)接地線的長(zhǎng)度為周期信 號(hào)四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，不但阻抗高，還會(huì)成為輻射電 磁能量的天線。(2)多點(diǎn)接地。高頻電路均采用多點(diǎn)接地，此時(shí)可使 接地阻抗達(dá)到最

18、小，可將射頻電流由接地平面分流到金屬地 板上去，因?yàn)閷?shí)體金屬板有較低的電感分量會(huì)形成低阻抗回 路。(3)數(shù)字電路應(yīng)當(dāng)作為高頻模擬電路處理，也應(yīng)該保持低電感接地，并使用高質(zhì)量退耦電容(0.1uF并聯(lián)0.001uF相差兩個(gè)數(shù)量級(jí))接地。(4)接地與信號(hào)回路，射頻電流總要找一條道路回饋 到起始點(diǎn)去，在電磁兼容設(shè)計(jì)中，通?？偸鞘垢咚龠壿嬰娐?盡可能靠近底版，接地板安裝，以便更好減少高頻輻射環(huán)路。 接參考地的地線長(zhǎng)度一定要很短，短到產(chǎn)品最高工作頻率的 入/20Z內(nèi)。(5)接地次序，由于一般是電源地騷擾(或噪聲)最 大，故它應(yīng)先接到參考地(這樣做的目的是讓參考地先把騷擾吸收掉），然后再送到模擬地和數(shù)字地上去。3.6 注意PCB中電容的設(shè)計(jì)EMC中的電容可分為退耦電容， 旁路電容，和容納電容。 退耦電容主要是用來(lái)濾除高頻器件在電源板上引起的輻射 電流，為器件提供一個(gè)局域化的直流，還能