什么是電磁兼容EMC設計評審

大多數硬件工程師習慣于在他們的電路板和系統(tǒng)上進行功能設計評審，然后再按下制造的“開始”按鈕。在我工作過的工程團隊中，這種類型的設計評審通常采取的形式是站在一張會議室桌子旁，用一支紅色的鋼筆和我們能拿到的最大的圖紙打印出來。這也可以由一個人在個人電腦與交叉探測之間的原理圖和布局(如果你的老板很好地獲得許可證！)。我們篩選了設計，一針，由連接器，決定找到一個意外倒置界面或錯誤地釘出符號。你知道，你面前的原理圖很有可能包含一個隱藏的錯誤，它可能會把你的高端電路板變成昂貴的啤酒杯墊，或者至少會花費你大量的返工時間！你知道EMCFastPass作為一項服務提供EMC設計評審嗎？這些公司已經將這種審查過程標準化為基于清單的程序，并在每一項設計上進行并進行驗證。通過這樣做，它們增加了審查的穩(wěn)健性，并將重大問題從裂縫中滑落的可能性降到最低。令人驚訝的是，我多年來參與的公司很少將這一重要過程遷移到EMC世界。就像功能設計評審可以捕獲許多設計錯誤一樣，可靠的EMC設計評審可以捕捉到許多已知的針對排放和抗干擾性能的不良設計實踐。這可能意味著您的產品通過或失敗在EMC測試實驗室之間的區(qū)別。一個良好的EMC設計評審應該涵蓋整個產品設計的許多方面。在最高一級，設計審查應包括以下主題：我喜歡把EMC測試看作一個完全獨立的功能規(guī)范。有一套特定的合格/失敗標準，您的產品必須滿足，否則您不能出售它。就這么簡單。如果您的產品在EMC實驗室中沒有明確的測試規(guī)范，那么您就缺少一個功能規(guī)范，在項目的設計階段就應該加以考慮。你不會夢想在沒有向最終客戶提供功能集的情況下設計一個產品，對嗎？EMC測試只是一個不同的特性集，您的設計需要包括。如果沒有EMC功能規(guī)范，您就會在EMC實驗室留下通行證或失敗。那么，根據英特克(世界上最大的實驗室集團之一)，全球EMC首次通過率僅為50%？在這篇文章中，我將概述EMC設計評審是什么，以及如何對您的下一個產品進行評估。EMC故障很容易使您的公司花費數千美元的有形費用，如聘請顧問、租用調試設備、重新設計/制造設計以及支付重新測試費用。對許多公司來說，一個更大的問題是EMC故障可能導致的市場延遲。由于EMC批準才能合法銷售您的產品，故障可能導致延遲數天至數周的市場。由于EMC故障，我在市場上遇到的最長的延遲是大約4個月，因為公司真的很難通過幾次設計迭代來解決這些問題，但如果存在更長的延遲，我也不會感到驚訝。會計師們普遍認為，延遲上市將使任何特定產品的最高銷售量減少幾個百分點，并且取決于產品的性質，可能會縮短整個銷售窗口的長度。對于許多中型到大型硬件公司來說，一個月的延遲很容易導致某一特定產品在超過100萬美元的生命周期內的總收入下降。突然間，在設計周期的早期考慮EMC看起來一點也不壞。最后，進行健壯的EMC設計評審可以提高產品的性能，從而減少客戶回報的數量。例如，一家產品的免疫保護相對較差的公司，可能會因為最終用戶在產品上按鈕而產生的靜電放電造成的損害而獲得很多回報?；蛘撸摦a品將在相對噪聲的電磁環(huán)境中使用，并且該設備的功能在某些方面受到影響，例如rf性能的降低或測量精度的降低。良好的電磁兼容設計可以減少這些問題?；贓MCFASTPASS的EMC設計評審幸運地擁有一位EMC專家的公司可能還沒有實施強有力的EMC設計評審(目前為止)，但是專家頭腦中隱藏的知識可能已經引入了某種類型的臨時審查。我注意到的是，在EMC測試方面有豐富經驗的設計工程師傾向于使用他們對EMC失效模式的記憶來避免將來再次遇到相同的問題。例如，當他們在布置電路板(或指導繪圖員)時，他們可能還記得以前設計的一種產品由于外部電纜上的過度噪音而導致的輻射排放失敗的時候。工程師然后采取任何設計改進，以減少電纜的噪音，并將該方法應用于所有的設計在未來。實際上，他們所做的就是為每一個后續(xù)的設計建立一套他們所遵循的設計規(guī)則。隨著他們經歷更多的EMC問題并解決這些問題，他們將這些規(guī)則添加到他們現(xiàn)有的心理列表中?！癊MC設計評審專業(yè)”軟件是一種從許多EMC專家那里借用知識并將其集成到您的團隊中的簡單方法。它包括150多條設計規(guī)則，摘自許多EMC設計教科書，包括“第一次獲得電磁兼容“它還包含了對在我的EMC實驗室3年期間遇到的每一個故障模式的檢查，這樣您就不會犯與許多其他公司相同的錯誤。每個規(guī)則都有相應的視頻培訓課程，因此您可以了解每條規(guī)則背后的理論和思想背景。通過檢查每個設計規(guī)則的設計，您可以在工作中真正了解EMC，并第一次正確地獲得EMC。將這些規(guī)則標準化為正式的設計評審過程是重復執(zhí)行健壯EMC設計評審的關鍵。福特(Ford)和捷豹(Jaguar)等面臨一些最嚴峻的EMC挑戰(zhàn)(汽車)的公司實施了強有力的EMC設計評審。我相信每個人都可以從這種做法中獲益。形式化EMC設計評審的一個巨大好處是，它可以由一個相對初級的工程師承擔，而沒有足夠的EMC遵從設計經驗。這是因為，檢查特定的設計規(guī)則是否正確實現(xiàn)比進行全面的EMC培訓要容易得多，并從物理學的角度理解為什么規(guī)則是有意義的。對于沒有經驗豐富的EMC專業(yè)人員的公司來說，EMC設計評審是快速驗證您的設計通過EMC測試的最佳機會的一個很好的方法。不幸的是，大多數公司沒有熟練的EMC工程師的員工，也沒有內部知識來創(chuàng)建EMC設計評審過程。EMC培訓通常是非常昂貴的，一個為期2-3天的短期研討會的典型價格是>1500美元，外加費用。每位工程師。“EMC設計評審專業(yè)”軟件，再加上在線視頻培訓，解釋每個設計規(guī)則背后的方法和理論，是我所知道的最快捷的方法，為EMC測試準備您的設計，并在您進行EMC測試時了解EMC。我不能進入一個全面的EMC設計審查涵蓋的每一個項目，但在這篇文章中，我將詳細介紹幾個最重要的方面，檢查在您的設計和如何著手進行。請閱讀下面的文章，了解我是如何為客戶進行EMC設計評審的。如果沒有明確的PASS/FILE標準定義，就沒有一個好的規(guī)范可供使用。在某些情況下，您的產品可能只測試輻射和進行排放性能。在其他情況下，您的產品也可能受到免疫現(xiàn)象，如ESD，浪涌和EFT。第一項任務是詳細說明產品在EMC測試期間必須達到的排放限制和排放水平。首先，您應該定義產品的排放限制。這些可能會有所不同，取決于您的產品將使用的環(huán)境和世界上的地區(qū)，它將被出售。一個最重要的地方開始是確定您的產品是否屬于“A類”或“B類”的限制。下面是FCC如何區(qū)分：A類數字設備：一種在商業(yè)、工業(yè)或商業(yè)環(huán)境中銷售的數字設備，不包括供公眾使用或打算在家庭中使用的裝置。B類數字設備：一種盡管在商業(yè)、商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中使用但仍在住宅環(huán)境中銷售的數字設備。這類裝置的例子包括但不限于供公眾使用的個人電腦、計算器和類似的電子設備。需要注意的是，B類限值明顯低于A類限值。地理區(qū)域和產品類型之間的界限也不同。檢查適用于您的產品的標準(或要求測試實驗室)計算出你需要達到的極限。下面我給出了B類非故意發(fā)射裝置的一些限制的例子，這樣你就可以看到它是什么樣子的。限值所涵蓋的較低頻率和較高頻率取決于產品內的內部時鐘頻率，也取決于適用于您的產品的標準。雖然你可以在你的設計中感受到來自特定網絡的輻射排放，但是你可以使用一些免費的工具，比如最大排放計算器克萊姆森大學的工具，用這樣的工具來分析一個完整的設計是不太實際的。排放限制通常包括輻射和傳導排放以及以太網傳導排放(如果適用)。找出適用于你的特定產品的排放限制只會給你一個想法，讓你知道要讓你的產品的排放量低于限制是多么的困難。如果免疫測試適用于您的產品(CE標記和全球產品系列標準通常是強制性的)，那么就有必要了解EMC實驗室將要使用的測試級別，測試將在哪里應用，以及您的產品在測試期間和測試之后需要執(zhí)行多好(這稱為性能標準)。這將幫助您確定在哪里應用EMC抑制設備，選擇什么樣的評級，也將給您一個想法，你需要采取多少照顧。如果您有一個您使用的定期測試實驗室，他們應該樂意為您提供一個預先的測試計劃，以便您可以在產品開發(fā)周期的設計階段使用它。您可以在下面看到一個免疫測試計劃的示例，其中包括將應用于您的產品的級別以及您的產品需要滿足的標準。通行/不合格標準的定義可能因標準而略有不同，但以下是從住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境國際通用免疫標準(iec61000-6-1)中摘取的每項性能標準的說明：(A)性能標準A：該儀器應在試驗期間和之后繼續(xù)按預期操作。當設備按預期使用時，不允許性能下降或功能喪失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允許的性能損失所取代。如果制造商沒有指定最低性能水平或允許的性能損失，則其中任何一項可從產品描述和文檔中得出，以及如果按預期使用，用戶可以合理地期望從設備中得到什么。(B)性能標準B：測試后，儀器應繼續(xù)按預期操作。當設備按預期使用時，不允許性能下降或功能喪失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允許的性能損失所取代。然而，在測試期間，性能下降是允許的。不允許更改實際操作狀態(tài)或存儲的數據。如果制造商沒有指定最低性能水平或允許的性能損失，則其中任何一項可從產品描述和文檔中得出，以及如果按預期使用，用戶可以合理地期望從設備中得到什么。c)性能標準C：允許暫時喪失功能，條件是該功能可自我恢復或可通過控件的操作恢復。這是至關重要的，找出性能標準，您的產品將必須滿足在一個測試實驗室。配置正確的PCB堆棧是EMC性能的基礎。如果沒有足夠的層數來計算給定的復雜性，并且沒有正確的層序和使用，您將使控制輻射和傳導排放的工作變得相當困難。如果你的老板要求你減少層數以節(jié)省印刷電路板的成本，請記住，EMC的性能通常是一種權衡，這可能會對公司的錢包造成更大的傷害。良好的PCB堆棧(從EMC的角度來看)的可取特性是：信號層與平面層相鄰與回波功率/地面緊密耦合的信號層權力與理由緊密耦合埋地高速信號對稱為什么這些功能是可取的，超出了這篇博客文章的范圍，但我在視頻培訓中詳細介紹了它們?？紤]到這些特性，下面是4層和6層板的樣本層堆棧：‘在這個圖中，您可以看到實現(xiàn)4層堆棧的幾種不同方式?？纯茨欠窨梢愿鶕厦媪谐龅睦硐胩匦詠碛嬎悖總€堆棧的權衡是什么。您能計算出為什么不推薦左邊的堆棧嗎？我沒有時間在這里討論它，但堆棧幾何和PCB材料也會嚴重影響EMC性能。這是因為它將定義網絡和平面的阻抗，這些阻抗可以隨層的不同而變化。在不仔細考慮板阻抗的情況下，您可能會遇到嚴重的信號完整性和功率傳遞網絡(PDN)問題。這是一種無腦，但值得驗證和確認在EMC設計審查，每一個集成電路有足夠的去耦。當我為客戶做EMC設計評審時，我通常會發(fā)現(xiàn)至少有幾個集成電路或pwr/gnd引腳對，其中設計師忘記添加解耦合帽，或者已經以一種使它們非常無效的方式實現(xiàn)了。左上角圖在頻域上顯示了去耦合對電源噪聲的影響，右上圖顯示了時域上的影響。您可以看到，最優(yōu)的性能是當脫鉤帽放置在集成電路之下，并盡可能直接路由之間的PWR和GND引腳對。值得注意的是，去耦電容器的重要特性不僅包括電容值(NF、PF等)，還包括等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。這，這個EDN博客文章很好地解釋了這些特性對PDN阻抗的影響。如果您不熟悉返回路徑，這只意味著路由電流返回源。每當你有一個向另一個設備提供電流的集成電路時，就會有一個相等和相反的電流返回到源設備。上面的圖表說明了dc中的返回路徑通過最小電阻。交流(高頻信號)中的回波路徑最小電感，通常位于源信號正下方的參考平面上。當參考平面上的返回路徑有一個切口時，返回電流必須繞著該切線流動，才能找到最小電感的路徑。這形成了一個很好的電流環(huán)，有潛力成為一個有效的散熱器。下圖顯示了一個0.5千兆赫的信號，它穿過地面的一個切口。在右邊的圖片中，您可以看到返回路徑上的當前分布找到了繞過槽的方法，因此形成了一個循環(huán)。左邊的圖片顯示了一個場景，在返回路徑上的切割被電容器橋接，使得高頻回波電流“跳過”間隙。這個信號對遠場輻射發(fā)射的影響可能會讓你吃驚。對這一情況的模擬表明，僅在離這個網10米處測量的排放量就可高出30分貝以上，而返回平面上則有一個缺口。這肯定意味著在EMC實驗室通過或失敗之間的區(qū)別。在emc設計評審期間，您應該一次查看布局2層，并仔細驗證所有數字信號都有定義良好的返回路徑。不切如果由于任何原因必須在返回路徑上進行切割，則確保在感興趣的頻率上與具有低阻抗的電容器橋接。一旦您知道您的產品的哪些端口將被測試，您就可以將這些端口添加到EMC設計評審清單中。現(xiàn)在去驗證每個端口在電路板上有足夠的ESD保護，在正確的位置和正確的等級。這里是一個USB端口的例子，它具有良好的ESD保護(來自德克薩斯儀器公司)。注意，保護應該放在盡可能靠近端口連接器的物理位置。有許多不同類型的ESD保護裝置。請參閱“公共服務電子化計劃”中的“公共服務電子化”部分第一次正確設計電磁兼容“詳細信息，請參閱電子書。與此項目密切相關的是，驗證在ESD注入點附近的凈到凈間隙和凈到平面間隙不允許“弧”。這是為了確保靜電放電不能跳到另一個導體，并可能造成其他產品的損害。為確保在不同情況下在給定的電壓水平下不發(fā)生電弧所需的建議間隙包括在IPC-2221標準的。輻射免疫是一個非常常見的測試，適用于大多數運往歐洲的電子設備，或那些符合國際產品標準的電子設備。根據標準，你的產品的場強可以在1V/m到200V/m之間變化。該場也通常被掃過的頻率范圍為80兆赫-4千兆赫(一些標準可能會越來越高，低于此)。如果您的產品包含敏感電路，如模擬測量電路或RF電路，那么即使是低功率輻射電場也會帶