EMC設計思想講座（丁偉敏） 致眾

1、醫(yī)療器械EMC設計思想2015年10月武漢致眾科技股份有限公司W(wǎng)uhan Tacro Technology. Co.,Ltd 電磁波輻射模型 電源選型和設計 接地設計 結構設計 線纜設計 濾波和防護設計 PCB設計電磁波輻射干擾的兩種模型 差模輻射干擾模型 偶極子天線模型電場束縛在平行板電容內(nèi)將平行板電容兩極板展開就是對稱偶極子天線模型偶極子天線近場立體圖單極偶極子天線模型 差模干擾輻射模型E=131.6 ISf /D 偶極子天線模型（共模輻射模型）E=4 ILf/D 相同信號頻率和電流強度的共模輻射比差模輻射能量高出幾個數(shù)量級偶極子天線模型電磁波射產(chǎn)生的條件1.有高頻變化的電流2.有合適尺寸

2、的天線當外接電纜長度大于 時，就會產(chǎn)生天線效應，當外接電纜長度和 可以比擬時候，就是一個發(fā)射效率很好的天線。 電磁波輻射模型 接地設計 結構設計 線纜設計 濾波和防護設計 PCB設計電源的設計和選型優(yōu)點：EMI小，成本低,安全性能好缺點：EMS差，尤其是DIP，EFT，體積大工頻變壓器選購有認證電源，或者EMC測試報告，且裕量大外購開關電源自行設計開關電源詳見設計要點 開關電源設計要點：1.散熱器設計，開關管等 散熱片接地，優(yōu)先接初級地,不要接保護地（大地）。2.變壓器設計，初次級線圈加屏蔽層，并接初級地3. 主功率回路和PFC回路盡量小。（包括DCDC回路，如LM2956）。4.PWM控制信

3、號線離開關管距離盡量短。在不影響驅(qū)動能力的前提下，可以適當在觸發(fā)極上加一電阻。5.輸入輸出接口遠離，輸入必須加濾波器，輸出預留濾波器位置。6.濾波器預留屏蔽罩位置，并采用多點接地。7.開關管預留磁珠空間和吸收網(wǎng)絡位置，且開關管敷銅面積要小，滿足散熱即可。8.接地原則 。 初級地地電源IC地 原則。9.電源濾波器輸入輸出要分開，且輸入線盡量短，防止 濾波器被短路失效。 這個電源是否有EMC缺陷？ 電磁波輻射模型 電源選型和設計 結構設計 線纜設計 濾波和防護設計 PCB設計接地設計 安全接地(SafetyGrounding)防電擊，保護地 信號接地（SingleGrounding）參考等電位 安

4、全接地是指接大地，也就是將電氣設備的外殼以低阻抗導體連接大地，當人員意外觸及時不易遭受電擊。 信號接地除提供參考點之外，同時還可以大量消除雜訊的干擾。由于雜訊本身的特性，考慮接地時有不同的處理方法： 單點接地 多點接地 復合式接地單點接地是指系統(tǒng)或設備只有一點接地，適用于頻率低于10MHz的系統(tǒng)或設備，又分為： 串聯(lián)單點接地； 并聯(lián)單點接地； 串聯(lián)單點接地若系統(tǒng)各線路或設備所產(chǎn)生或需要的能量變化太大，則不適用串聯(lián)單點接地，因為高能量的線路或設備所產(chǎn)生大量的地電位會嚴重地影響低能量線路或設備的正常運作。 并聯(lián)單點接地并聯(lián)單點接地可以避免大電流電路的干擾，最大的缺點是耗時費料，且接地線太多太長，以

5、至增加各地阻抗，尤其在高頻范圍中更加嚴重。 多點接地在高頻(10MHz)情況下，由于接地線的長度以及接地阻抗的影響，故單點接地無法達到去除干擾的效果，此時就得使用多點接地。此時接地線的長度亦應盡量縮短。圖中各接地點可視為機殼或接地板。 復合式接地復合式單點接地將線路或裝備加以歸類，而同時使用串聯(lián)與并聯(lián)法，可同時兼顧降低雜訊以及減化施工與節(jié)省用料。 機架系統(tǒng)的接地樹（例）各種類型的地要分開，最后匯流 由于頻率的關系，無論何種接地方法均應盡量縮短接地線，否則其非但增加阻抗，同時更會產(chǎn)生輻射雜訊，因其作用有如天線，接地線的長度L 。 不論何種接地法，最大的困擾均起自于地電流的產(chǎn)生，因此去除地環(huán)路就成

6、了設計者的考驗。 接地環(huán)路的形成VOUTISVINMVOUTRSVIN = VOUT+ ISRSLSIS噪聲 打破接地環(huán)路的方法接地設計小結 低頻電路及模擬電路宜采用單點接地，高頻電路及數(shù)字電路宜采用多點接地，寬頻電路宜采用混合接地。 地線盡量短，不超過最高頻率的/20。屏蔽電纜屏蔽層接地應360環(huán)接，低頻單點接地，高頻多點接地（多地線系統(tǒng)屏蔽層一點接地，其它點通過電容接地）。 減少由共同導體所引入的雜訊電壓，控制地環(huán)路面積盡可能地小，如有可能，盡量避免產(chǎn)生接地環(huán)路。 采用隔離變壓器、光耦合、共模扼流圈、平衡電路等設計方法抑制地環(huán)路干擾。 線路板接地設計時，要將模擬地、數(shù)字地以及大功率驅(qū)動電路

7、的地分開。 電磁波輻射模型 電源選型和設計 接地設計 線纜設計 濾波和防護設計 PCB設計結構的設計一.顯示屏，按鍵，的靜電防護設計二.外殼開孔或縫隙的設計三.散熱孔的設計四.機架結構的設計 顯示屏，按鍵，的靜電防護設計簡單粗暴有效，大力推薦注意醫(yī)療器械9706.1不允許面板用手可以直接撕開，需要借助工具。 外殼縫隙的設計： 外殼縫隙或者開孔必須離電子元器件或PCB0.8cm以上的距離 上下殼縫隙咬合深度大于0.3cm，如空間足夠,PCB不要放置在外殼上下殼縫隙附近 散熱孔的設計： 散熱孔的設計：d ，20dB。= （ f最高指工作頻率，通常伴隨高次諧波） 推薦使用波導散熱窗，良好的通風和屏蔽

8、能力 機架設計：多點接地 ，接地阻抗小，電流環(huán)路小注意點：1.機架內(nèi)部不要噴漆或者陽極處理，必要時外部也不要噴漆或陽極處理2.機架各面和各支架接觸良好，必要時候使用金屬導電泡棉或者金屬彈片。3.螺釘螺帽盡量大且加墊片4.預留電源濾波器安裝孔和空間5.接地樁位置與電源線接口位置在同一面 電磁波輻射模型 電源選型和設計 接地設計 結構設計 濾波和防護設計 PCB設計線纜和端子的設計一.接口線纜和端子盡量設計在同側二.設備內(nèi)部走線盡量按雙絞線走線三.信號線盡量使用屏蔽線纜四.PCB互聯(lián)排線的設計 接口線纜和端子盡量設計在同側共模電流經(jīng)過PCB板共模電流不經(jīng)過PCB板共模電流經(jīng)過PCB板共模電流不經(jīng)過

9、PCB板 設備內(nèi)部線纜走線方式 信號線纜盡量使用屏蔽線注意屏蔽線的搭接方式，360環(huán)形搭接。正確接法 PCB互聯(lián)排線的設計單根信號線一般不容易引起EMI問題。多根信號共享回流地線。特別是高頻信號線signal普通信號線和地線建議比例：4：1含有時鐘線或者數(shù)據(jù)總線 與地線比例：1：1 電磁波輻射模型 電源選型和設計 接地設計 結構設計 線纜設計 PCB設計濾波和防護設計一.AC電源線的濾波二.電容去耦三.IO端口的濾波和防護一.AC電源線的濾波電源EMI濾波器網(wǎng)絡結構共模等效電路差摸等效電路電源濾波器的安裝 濾波器應盡量靠近設備交流電入口處安裝，應使未經(jīng)過濾波器的交流進線在設備內(nèi)盡量短 濾波器中

10、的電容器引線應盡可能短，以免引線感抗和容抗在較低頻率上產(chǎn)生諧振 濾波器接地線上有大的電流流過，會產(chǎn)生電磁輻射，應對濾波器進行良好的屏蔽和接地 濾波器的輸入線和輸出線不能捆扎在一起，布線時盡量增大其間距離，以減小它們之間的耦合，可加隔板或屏蔽層二 電容去耦噪聲源產(chǎn)生的原因 信號發(fā)生01的變化時，該門電路中的晶體管將發(fā)生導通和截止狀態(tài)的轉換，會有電流從所接電源流入門電路，或從門電路流入地線，這個變化的電流稱為I噪聲電流。 由于電源線和地線存在一定的阻抗，其電流的變化將通過阻抗引起尖峰電壓，并引發(fā)電流電壓的波動，這個電源電壓變化就是I噪聲電壓，會引起誤操作，并產(chǎn)生傳導騷擾和輻射騷擾。 在電路中，當器

11、件的眾多信號管腳同時發(fā)生01變換時，不論是否接有容性負載，都會產(chǎn)生很大的I噪聲電流，使得器件外部的工作電源電壓發(fā)生突變。電容去耦原理和作用 去耦作用：安裝去耦電容來提供一個電流源，補償邏輯器件工作時所產(chǎn)生的I噪聲電流。 在諧振頻率點附近，為電源提供一個接近O歐姆的阻抗，使電源在該頻率范圍內(nèi)成為理想電源（可以瞬間提供無窮大的電流） 可以減少電路回路面積常用電容諧振頻率表去耦電容擺放方式4.去耦電容的選取依經(jīng)驗一般選取0.1F和0.001F并聯(lián)，也可以根據(jù)上面諧振頻率表調(diào)整，通常2電容容值相差100倍以上。端口的防護和濾波對于EMC來說，所有的IO端口都要進行防護和濾波防護 主要是針對浪涌和靜電等

12、濾波主要針對傳導，輻射，EFT，CS等AC110230VEMC設計電路CAN接口設計RS232接口設計USB2.0接口設計 電磁波輻射模型 電源選型和設計 接地設計 結構設計 線纜設計 濾波和防護設計PCB設計 高速線的性質(zhì) PCB分層設計 關鍵信號線走線規(guī)則 跨分割平面走線規(guī)則高速線的性質(zhì) 高頻下電纜的阻抗，當頻率超過MHz時候，感抗就起主要作用了 高頻下能量的傳輸是以電磁場波動的方式傳輸 信號電流總是選擇最小的回路阻抗來滿足安培定律，當電纜的阻抗過高其在自由空間的阻抗時，對外輻射就產(chǎn)生了 高頻傳輸線阻抗模型與長度無關 高頻信號線為什么要3W原則PCB分層PCB分層一般原則（EMC角度）1.

13、元器件面下面（第2層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面2.所以的信號層盡可能與地平面相鄰3.盡量避免兩信號層直接相鄰4.主電源盡可能與其對應的地相鄰5.布線分層要領會層的排布原則，而非機械照搬 兩層板的處理從EMC角度來說2層板由于沒有完整的參考平面，電磁兼容性能比較差，一般加大敷銅面積且多加GND過孔，高速線 加保護線。 四層板推薦的層分布方式優(yōu)選方案1，可用方案3（主要器件在BOTTOM層）方案2的使用條件A整板無電源平面B整板走線簡單C 該板貼片元器件較少，多為插件 六層板層分布方案對于6層板，優(yōu)選方案3，優(yōu)選布線層S2，其次S3，S1，主電源及其對應的地布在4.5層，

14、層厚設置時，增大S2P之間的間距，縮小PG2之間的間距（相應縮小G1S2層之間的間距），以減少電源平面的阻抗，減少電源對S2的影響在成本要求較高的時候，可采用方案1，優(yōu)選布線層S1.S2，其次S3,S4，與方案1相比，方案2保證了電源，地平面相鄰，減少電源阻抗，但S1、S2、S3、S4、全部裸露在外，只要S2才有較好的參考平面。對應局部，少量信號要求較高的場合，方案4比方案3更合適，它能提供極佳的布線層S2。 20H原則延伸：振晶、高速線不宜布在板邊緣二.關鍵信號的走線原則1.高速信號線和敏感線的包地. 保護線兩端必須接地，當保護線長度比較長時，需要在其上面間隔放置 GNDVIA（地過孔）。

15、保護線和信號線間距盡量小，一般是PCB制造工藝 所能達到的水平。 不用共用保護線。 保護線在單層板和雙層板的效果最明顯，多層板上沒有太多必要。2.高速信號線的換層從EMC角度，高速信號盡量不要換層，因為每個過孔都是電感，換層就相當于增加了走線的阻抗。當換層不可避免時候，走線需要做如下處理3.高速線不容許跨越溝壑和端子插座的密集針孔4.高速信號線預留匹配阻抗位置和信號整形位置注意點：匹配電阻應盡量靠近驅(qū)動端設置，且匹配電阻值應滿足SI（信號完整性），有些振鈴和反射會引起嚴重的EMI問題 信號整形電容的選擇先確定電路阻抗 Z=其中t為信號上升或下降最短的時間比如一信號沿上升時間為5ns,電路阻抗為140，. 0.01nF4.晶振濾波設計和走線規(guī)則無源晶振EMC電路有源晶振EMC標準電路 晶振盡可能的靠近IC放置，外殼接地 晶振不要放置在PCB板邊緣，盡量放置在板中心 晶振下方和附近不要