電磁兼容性精品課件

1、電磁兼容性第1頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24110.1電磁兼容性的概念電磁兼容 （EMC，ElectroMagnetic Compatibility）一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作又不互相干擾，達到“兼容”狀態(tài)。第2頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24210.1電磁兼容性的概念換句話說，電磁兼容是指電子線路、設(shè)備、系統(tǒng)相互不影響，從電磁角度具有相容性的狀態(tài)。相容性包括設(shè)備內(nèi)電路模塊之間的兼容性、設(shè)備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容性。第

2、3頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24310.2 電磁兼容性學(xué)科常用技術(shù)及設(shè)計方法10.2.1 屏蔽技術(shù)10.2.2 濾波技術(shù)10.2.3 接地技術(shù)10.2.4 搭接技術(shù)10.2.5 表面安裝技術(shù)（SMT）10.2.6 電磁兼容設(shè)計方法第4頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24410.2.1 屏蔽技術(shù)抑制以場的形式造成干擾的有效方法是電磁屏蔽。所謂電磁屏蔽就是以某種材料（導(dǎo)電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw（實體的或非實體的）將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，即其內(nèi)的電磁場不能越出這一區(qū)域，而外來的輻射電磁場不能進入這一

3、區(qū)域（后者進出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。第5頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24510.2.1 屏蔽技術(shù)電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用。而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的。第6頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24610.2.1 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)的分類如下：第7頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24710.2.2 濾波技術(shù)濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)電磁干擾，提高電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度水平的主要手段

4、，也是保證設(shè)備整體或局部屏蔽效能的重要輔助措施。第8頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24810.2.2 濾波技術(shù)實踐表明，即使一個經(jīng)過很好設(shè)計并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會有傳導(dǎo)騷擾發(fā)射或傳導(dǎo)騷擾進入設(shè)備。濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法，當(dāng)騷擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波器將無用的騷擾慮除。濾波器的作用時允許工作信號通過，而對于非工作信號（電磁騷擾）有很大的衰減作用，使產(chǎn)生干擾的機會減為最小。 第9頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/24910.2.2 濾波技術(shù)電磁干擾（EMI）濾波器屬于

5、低通濾波器，包括電源線濾波器、信號線濾波器等。為了滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度極限值要求，使用EMI濾波器是一種好方法，如圖所示： 第10頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241010.2.3 接地技術(shù)所謂“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點。直流電壓的零電位點或零電位面，它不一定為實際的大地平面，還可以是設(shè)備的外殼或其他金屬板線。第11頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241110.2.3 接地技術(shù)接地的目的如下：為使整個系統(tǒng)有一個公共的零電位基準(zhǔn)面，并給高頻干擾電壓提供低阻抗通路，達到系統(tǒng)穩(wěn)定工作的目的

6、。為使系統(tǒng)的屏蔽接地，取得良好的電磁屏蔽效果，達到抑制電磁干擾的目的。為了防止雷擊危及系統(tǒng)和人體，防止電荷積累引起火花放電，以及防止高電壓與外殼相接引起的危險。第12頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241210.2.3 接地技術(shù)接地的分類如下：第13頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2413 表面安裝技術(shù)（SMT） 表面安裝技術(shù)（SMT, Surface Mount Technology）是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的新型電子裝聯(lián)技術(shù)。SMT是包括表面安裝器件（SMD）、表面安裝元件（SMC）、表面安裝印刷電路板（SMB

7、）表面安裝設(shè)備以及在線測試等的總稱。第14頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2414 表面安裝技術(shù)（SMT） 采用SMT使得組裝密度更高，電子產(chǎn)品體積更小，重量更輕，可靠性更高，抗震能力增強，高頻特性好，電磁和射頻干擾減小了，電磁兼容性好，而且易于實現(xiàn)自動化，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。一般來講，采用SMT的產(chǎn)品體積縮小4060，重量減輕6080。 第15頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241510.2.5 電磁兼容設(shè)計方法 在設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，同時進行電磁兼容設(shè)計，把電磁兼容的大部分問題解決在設(shè)計定型之前，

8、可得到最好的費效比。如果等到生產(chǎn)階段再去解決，非但在技術(shù)上帶來很大的難度，而且會造成人力、財力和時間的極大浪費，其費效比如圖所示。 第16頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2416第17頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241710.2.5 電磁兼容設(shè)計方法 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計程序如下：第18頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2418設(shè)備電磁兼容設(shè)計流程第19頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/241910.3 PCB的電磁兼容設(shè)計 10.3.1 PCB中

9、的電磁干擾 10.3.2 PCB設(shè)計的一般原則 10.3.3 旁路和去耦 10.3.4 PCB的接地方法第20頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242010.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.1 干擾的本質(zhì)要設(shè)計出滿足電磁兼容的PCB板，首先必須深入了解PCB中存在的各種電磁干擾及其產(chǎn)生的原因。電子線路干擾可以被分為兩類：內(nèi)部干擾和外部干擾。內(nèi)部干擾主要是因為受鄰近電路之間的寄生耦合以及內(nèi)部組件之間的場耦合的影響，信號沿著傳輸路徑有衰減。詳細說來，這些問題可以描述為信號丟失、信號沿路徑反射以及與鄰近信號線路的串話。第21頁，共56頁，2022年，5月

10、20日，6點29分，星期五2022/9/242110.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.1 干擾的本質(zhì)外部問題分為輻射問題和敏感度問題。輻射問題主要來源于時鐘或其他周期性信號的諧波。補償?shù)姆椒ㄊ菍⒅芷谛盘柧窒拊谝粋€盡量小的區(qū)域內(nèi)并阻隔與外界寄生耦合的路徑。第22頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242210.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.1 干擾的本質(zhì)對于EMC的分析主要考慮5點：頻率：問題在頻譜的哪部分出現(xiàn)？振幅：能量級別有多強，它導(dǎo)致有害影響的潛力有多大？時間：出現(xiàn)的問題是連續(xù)的（周期信號），還是只在確定的操作循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)？第23頁，共

11、56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242310.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.1 干擾的本質(zhì)對于EMC的分析主要考慮5點：阻抗：源和接收機單元的阻抗是什么?二者間傳輸媒介的阻抗是什么?尺寸：導(dǎo)致輻射出現(xiàn)的發(fā)射設(shè)備的物理尺寸是多少?RF電流將產(chǎn)生電磁場，電磁場可以通過地盤的裂縫透出外殼。PCB上線路的長度與RF電流的傳輸路徑有直接關(guān)系。第24頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242410.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.1 干擾的本質(zhì)理解這5條有助于大大消徐EMI是如何存在于PCB內(nèi)的神秘性。要注意一項設(shè)計技

12、術(shù)在確定的條件和環(huán)境中是有效的，但在其他的條件和環(huán)境中可能就無效了。例如，零點接地在低頻應(yīng)用時，是極好的，而對于無線電頻率，則完全不適用。大部分的EMI問題存在于這一頻率范圍，許多工程師盲目地在所有的產(chǎn)品設(shè)計中使用單點接地，而沒有意識到使用這種接地方法會產(chǎn)生另外的和更加復(fù)雜的問題。 第25頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242510.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.2 噪聲耦合一個產(chǎn)品設(shè)計必須考慮兩種性能水平：一是減小泄漏出外殼的RF能量（輻射），另一個是減小進入外殼的RF能量（敏感性或抗擾性）。輻射和抗擾性都要通過輻射的或者傳導(dǎo)的途徑傳播。第2

13、6頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242610.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.2 噪聲耦合為了進一步研究耦合途徑，必須認識到傳播路徑包括了多種傳播機制。如圖所示，它主要包括以下4種：從源到接收器的直接輻射；RF能量從源直接輻射到接收器的AC電纜和信號控制電纜上；第27頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242710.3.1 PCB中的電磁干擾 通過交流干線、信號電纜或控制電纜，RF能量到達接收器；通過普通電力線或普通信號控制電纜的RF能量傳播。第28頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五202

14、2/9/242810.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.2 噪聲耦合下圖說明了噪聲的耦合機制：第29頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/242910.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.3 PCB和天線 PCB可以通過自由空間像天線一樣發(fā)射RF能量或通過電纜耦合RF能量。天線是射頻通信中有效的、必不可少的部分。我們需要用天線完成有意的輻射。而大部分PCB是無意的輻射器，并且由國際EMC標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范，除非是設(shè)計上要求其作為一個發(fā)射機。發(fā)射機也受到管理要求的約束。如果PCB是一個高效的無意輻射器，且抑制技術(shù)也無效的話，就必須采用密封措施。第30頁，共5

15、6頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243010.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.3 PCB和天線當(dāng)能確定出哪里存在天線輻射時，就像在共模式電線中的輻射一樣，減小驅(qū)動電壓是能應(yīng)用的最簡單的抑制技術(shù)。RF電壓的存在是由于以下原因：第31頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243110.3.1 PCB中的電磁干擾 阻抗（來自引線電感）接地點（均勻電勢的點）用以降低無意天線驅(qū)動電壓的接地旁路和屏蔽;第32頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243210.3.1 PCB中的電磁干擾 10.3.1.4

16、 系統(tǒng)級電磁干擾產(chǎn)生原因?qū)е孪到y(tǒng)級電磁干擾原因主要有以下幾個方面：封裝措施的不當(dāng)使用（金屬與塑料封裝）；設(shè)計不佳，完成質(zhì)量不高，電纜與接頭的接地不良；時鐘和周期信號走線設(shè)定不當(dāng)；PCB的分層排列及信號布線層的設(shè)置不當(dāng)；第33頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243310.3.1 PCB中的電磁干擾 PCB的分層排列及信號布線層的設(shè)置個當(dāng)；對于帶有高頻RF能量分布成分的選擇不當(dāng)；共模與差模濾波設(shè)計不當(dāng)；接地環(huán)路處置不當(dāng)；旁路和去耦不足。第34頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2434第35頁，共56頁，2022年，5月20日

17、，6點29分，星期五2022/9/243510.3.2 PCB設(shè)計的一般原則 印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件。它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設(shè)計時，必須遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。第36頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243610.3.2 PCB設(shè)計的一般原則 10.3.2.1 布局在PCB設(shè)計中，布局是一個重要的環(huán)節(jié)。布局結(jié)果好壞將直接影響布線的效果。因此，可以這樣認為，合理的布局是PCB設(shè)計成功的第

18、步。首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局。 第37頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243710.3.2 PCB設(shè)計的一般原則 10.3.2.2 布線在PCB設(shè)計中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設(shè)計過程限定最高、技巧最細、工作量最大。但如果布線不當(dāng)，則會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。因此，為了合理地進行PCB布線，使設(shè)計

19、出的產(chǎn)品具有更好的電磁兼容性，應(yīng)遵循一些基本原則。 第38頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2438第39頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/243910.3.3 旁路和去耦 旁路和去耦可防止能量從一個電路傳到另一個電路，進而提高配電系統(tǒng)的質(zhì)量。它主要涉及到3個電路區(qū)域：電源和接地層、器件、內(nèi)部電源連接。第40頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244010.3.3 旁路和去耦 去耦合是克服由數(shù)字電路切換邏輯狀態(tài)引起的物理上和時間上限制的手段。數(shù)字邏輯通常涉及兩個可能的狀態(tài)“0”和“1”。但

20、某些器件可能不是二進制而是三進制。設(shè)置和檢測這兩個狀態(tài)通過元器件內(nèi)部的開關(guān)來實現(xiàn)，它確定了該器件在邏輯“低”或在邏輯“高”。第41頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244110.3.3 旁路和去耦 這些器件確定某一狀態(tài)需要一定的時間間隔。在這種情形下，為了防止誤觸發(fā)，規(guī)定要有一段保護時間。在觸發(fā)水平附近改變邏輯狀態(tài)將產(chǎn)生一定程度的不確定性。如果我們增加高頻干擾，這種不確定度就會增加從而產(chǎn)生可能的誤觸發(fā)。第42頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244210.3.3 旁路和去耦 在最大電容負載情形下，當(dāng)全部器件的信號管腳同步轉(zhuǎn)

21、換時，為了在時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化之間完成適當(dāng)?shù)牟僮鳎残枰ヱ詈蟻硖峁┏渥愕膭討B(tài)電壓和電流。通過在電路走線和電源層上確保一個低阻抗電壓源來實現(xiàn)去耦合。第43頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244310.3.3 旁路和去耦 因為去耦合電容器在高頻時（直到自諧振點）有一不斷增加的低阻抗，高頻干擾能從信號路徑有效地轉(zhuǎn)移出來，此時低頻RF能量保持相對不受影響。通過使用體電容、旁路電容和去耦電容可以獲得最佳的實現(xiàn)方案。所有電容值必須經(jīng)過計算滿足特定的性能。另外還必須正確地選擇電容器介質(zhì)材料。第44頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244

22、410.3.3 旁路和去耦 以下是電容器的3個通常用途。(當(dāng)然，電容器還可以被用作其他用途，例如：計時、波成形、積分和濾波。)去耦：去除在器件切換時從高頻器件進入到配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量。去耦電容還可以為器件提供局部化的DC電壓源，它在減少跨板浪涌電流方面特別有用。第45頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244510.3.3 旁路和去耦 旁路：從元件或電纜中轉(zhuǎn)移出不想要的共模RF能量。這主要是通過產(chǎn)生AC旁路消除無意的能量進入敏感的部分，另外還可以提供基帶濾波功能（帶寬受限）。第46頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/2446

23、10.3.3 旁路和去耦 體電容：信號管腳在最大電容負載狀態(tài)下同步切換時，用于保持器件DC電壓和電流恒定。它還可以防止由器件產(chǎn)生的沖擊電流dIdt引起的電壓擊穿。第47頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244710.3.4 PCB的接地方法 接地方法和術(shù)語有很多，包括數(shù)字地、模擬地、安全地、信號地、噪聲地、純凈地、大地、單點接地和多點接地。在設(shè)計產(chǎn)品時，必須明確接地方法，而不能隨意使用。從長遠觀點來看，設(shè)計一個好的接地系統(tǒng)是值得的。第48頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244810.3.4 PCB的接地方法 在印刷電路板中，必須在單點和多點接地技術(shù)這兩種基本接地方法中任選一種，如果預(yù)先計劃好了的話，這兩種方法中的任何一種都可以和其他接地方法結(jié)合使用。接地方法的選擇取決于產(chǎn)品的應(yīng)用。第49頁，共56頁，2022年，5月20日，6點29分，星期五2022/9/244910.3.4 PCB的接地方法 必須牢記一點，如果采用單點接地技術(shù)，那么在應(yīng)用中必須保持一致性。這個法則同樣適用于多點接地技術(shù)。除非設(shè)計允許在層面和功能子塊之間具有隔離和分塊，否則多點接地技術(shù)不能和單點接地技術(shù)混合使用。 第50頁，共56頁，2