EMC設計浪涌靜電EFT防護

EMC設計浪涌、靜電、EFT防護倪松華北京和利時2010.05.23目錄TOC\o"1-5"\h\z\u1 電路（系統(tǒng)）設計概述 31.1 電路設計 31.1.1 電路設計之1：功能設計 31.1.2 電路設計之2：性能設計 31.1.3 電路設計之3：可靠性設計 31.1.3.1 可靠性設計之1：降額設計 31.1.3.2 可靠性設計之2：熱設計 31.1.3.3 可靠性設計之3：信號完整性設計 31.1.3.3.1 信號完整性設計之1：信號傳輸線效應 31.1.3.3.2 信號完整性設計之2：信號串擾 31.1.3.3.3 信號完整性設計之3：電源完整性 31.1.3.4 可靠性設計之4：EMC設計 31.1.3.5 可靠性設計之5：軟件可靠性 31.1.3.6 可靠性設計之6：生產工藝可靠性 32 EMC設計--浪涌、靜電、EFT防護 32.1 EMC概念 32.2 EMC分類 42.3 EMC三要素 42.4 EMC對策 52.5 EMC測試設備參數(shù) 62.5.1 浪涌發(fā)生器 62.5.2 靜電放電發(fā)生器 72.5.3 EFT脈沖群發(fā)生器 82.6 EMC器件常識 92.6.1 ESD器件、TVS器件 92.6.2 壓敏電阻 122.7 EMC設計中的防護器件選擇 142.7.1 假設 142.7.2 浪涌防護 142.7.3 靜電防護 152.7.4 EFT防護 172.7.5 綜合防護 182.8 EMC防護電路PCB設計 183 參考文件 19電路（系統(tǒng)）設計概述以下分類主要介紹了電路（系統(tǒng)）設計過程中要面臨的幾大過程，較清晰的反映了設計過程要遇到的幾個環(huán)節(jié)。電路設計電路設計之1：功能設計電路設計之2：性能設計電路設計之3：可靠性設計可靠性設計之1：降額設計可靠性設計之2：熱設計可靠性設計之3：信號完整性設計信號完整性設計之1：信號傳輸線效應信號完整性設計之2：信號串擾信號完整性設計之3：電源完整性可靠性設計之4：EMC設計可靠性設計之5：軟件可靠性可靠性設計之6：生產工藝可靠性EMC設計--浪涌、靜電、EFT防護EMC概念EMC（ElectroMagneticCompatibility）：設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。以下是與電磁兼容有關的常見術語：EMC：(Electromagneticcompatibility)電磁兼容性EMI：(Electromagneticinterference)電磁干擾EMS：(ElectromagneticSusceptibility)電磁敏感度RE：（Radiatedemission）輻射騷擾CE：（Conductedemission）傳導騷擾CS：（ConductedSusceptibility）傳導騷擾抗擾度RS：（RadiatedSusceptibility）射頻電磁場輻射抗擾度ESD：(Electrostaticdischarge)靜電放電EFT/B：(Electricalfasttransientburst)電快速瞬變脈沖群Surge：浪涌EMC分類EMC可分為電磁干擾EMI、電磁敏感度EMS兩部分。EMI：電磁干擾，即處在一定環(huán)境中設備或系統(tǒng)，在正常運行時，不應產生超過相應標準所要求的電磁能量。EMS：電磁敏感度，即處在一定環(huán)境中的設備或系統(tǒng)，在正常運行時，設備或系統(tǒng)能承受相應標準規(guī)定范圍內的電磁能量干擾，或者說設備或系統(tǒng)對于一定范圍內的電磁能量不敏感，能按照設計的性能保持正常的運行。圖1EMC三要素基本的EMC模型包括以下三個要素：1、干擾源；2、耦合途徑；3、敏感裝置；圖2在單板的范圍內，我們可以找到如下幾個與輻射相關的項：干擾源：時鐘電路（包括晶振、時鐘驅動電路）；開關電源；高速總線（通常為低位地址總線如A0、A1、A2）；感性器件，如繼電器等；耦合路徑：傳播RF能量的各種媒質，例如自由空間或互連電纜。按耦合路徑（傳播的方式），電磁干擾分成兩種類型：傳導型干擾傳導型干擾是系統(tǒng)產生并返回到直流輸入線或信號線的噪聲，這個噪聲的頻率范圍為10KHz-30MHz，它既有共模方式，又有差模方式。LC網(wǎng)絡常常是抑制傳導干擾的主要方式。輻射型干擾輻射型干擾以電磁波的方式直接發(fā)射，線路中一個普通的例子是電源線扮演發(fā)射天線的作用，頻率覆蓋范圍30MHz-1GHz，這個范圍的EMI可通過金屬屏蔽的方式抑制。敏感裝置：PCB上的各種敏感器件，它們易于接收來自I/O線纜的輻射干擾并把這些有害能量傳播到其他敏感電路或器件上。單板中的敏感器件或者信號主要有：鎖相環(huán)；光模塊；模擬信號；復位信號；小弱信號；對于EMC的產生，這三個要素缺一不可。如果任一要素不存在，EMI也就不存在了。那么工程師所要做的事情就是找到最容易解決的那一項。EMC對策任何EMC問題的處理都是圍繞三要素進行的：1、降低干擾源；2、切斷或削弱傳播途徑；2、提高設備的抗擾能力；通常來講，合理的PCB設計是消除多數(shù)RF干擾的最經(jīng)濟有效的途徑。有源器件是所有輻射的源頭。PCB設計所要做的是將電磁場能量限制在需要它們的地方。可以利用時鐘擴頻技術或適當?shù)臏p緩信號的上升沿來降低時鐘信號的干擾強度，也可以在器件選型方面以及減少天線效應方面（如嚴格控制線頭長度、控制信號回路面積）來控制EMI的強度；通過必要的布局、布線以及采取屏蔽、接地措施來提高設備的抗擾能力；從產品EMC設計的對策、手段來分，通常采用的不外乎接地、屏蔽、濾波三種。在三要素的對策中切斷干擾的傳播途徑是最重要的一環(huán)。在單板上可采取以下措施來切斷耦合路徑或者減少耦合：對應傳導耦合：加濾波電容、濾波器、共模線圈、使用隔離變壓器等；對應輻射耦合：相鄰層垂直走線、加屏蔽地線、磁性器件合理布局、3W規(guī)則、正確層分布、輻射能力強或者敏感信號布內層、使用I/O雙絞線、輻射能力強的信號遠離拉手條、板邊縫隙等。EMC測試設備參數(shù)浪涌發(fā)生器圖8浪涌組合波發(fā)生器電路原理圖（1.2/50us-8/20us）圖9浪涌組合波發(fā)生器產生的電壓波形（1.2/50us）圖10試驗配置示例，線地耦合，輸出阻抗10Ω根據(jù)《GB/T17626.5-2008電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》中描述，浪涌組合波發(fā)生器的輸出阻抗有2Ω、10Ω、40Ω等3種，我們一般使用2Ω的輸出阻抗方式。注：對于鐵路應用來說，在《TB/T3073-2003鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》中規(guī)定，浪涌試驗推薦使用40Ω輸出阻抗和0.5uF耦合電容，詳見《TB/T3073-2003》中表4、表5。對于浪涌試驗的試驗等級、試驗過程、試驗結果的評估請詳見《GB/T17626.5-2008》。靜電放電發(fā)生器圖11靜電放電發(fā)生器原理圖圖12靜電放電發(fā)生器輸出電流的典型波形根據(jù)《GB/T17626.2-2006電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》中的描述，靜電放電發(fā)生器的輸出阻抗是330Ω。輸出波形如圖9。靜電放電試驗主要分接觸放電、空氣放電，具體的試驗等級、試驗過程、試驗結果的評估請詳見《GB/T17626.2-2006》。EFT脈沖群發(fā)生器圖13脈沖群發(fā)生器電路原理圖圖14快速瞬變脈沖群概略圖根據(jù)《GB/T17626.4-2008電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》中的描述，脈沖群發(fā)生器的有效輸出阻抗是50Ω。其輸出波形如圖11。EMC器件常識ESD器件、TVS器件符號中文名稱解釋VRWM反向關斷電壓應大于或等于被保護線路的操作電壓。VBR擊穿電壓ESD器件在此時阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。VC箝位電壓脈沖電壓通過ESD器件后，所達到的最大電壓值。IR@VRWM反向漏電流應小于電路允許的最大漏電流。Ipp最大電流防護器件能承受的最大電流。PPP峰值脈沖功率保護器件能吸收瞬時脈沖的能量，典型值取自300W8/20μs脈沖。CD結電容是保護器件的寄生電容，數(shù)據(jù)率或操作頻率越高的線路上使用的ESD保護器件的結電容要越低，否則將破壞數(shù)據(jù)信號。圖3TVS特性曲線圖4TVS特性及參數(shù)如果用圖示儀觀察TVS的特性，就可得到圖3中左圖所示的波形。如果單就這個曲線來看，TVS管和普通穩(wěn)壓管的擊穿特性沒有什么區(qū)別，為典型的PN結雪崩器件。但這條曲線只反映了TVS特性的一個部分，還必須補充右圖所示的特性曲線，才能反映TVS的全部特性。這是在雙蹤示波器上觀察到的TVS管承受大電流沖擊時的電流及電壓波形。圖中曲線1是TVS管中的電流波形，它表示流過TVS管的電流由1mA突然上升到峰值，然后按指數(shù)規(guī)律下降，造成這種電流沖擊的原因可能是雷擊、過壓等。曲線2是TVS管兩端電壓的波形，它表示TVS中的電流突然上升時，TVS兩端電壓也隨之上升，但最大只上升到VC值，這個值比擊穿電壓VBR略大，從而對后面的電路元件起到保護作用。1、VRWM反向關斷電壓ESD保護器件的反向關斷電壓應大于被保護線路工作電壓，如下圖所示。圖5ESD保護器件的反向關斷電壓2、VC箝位電壓VC箝位電壓指脈沖電壓通過ESD保護器件后，所被箝位的電壓。如12V的脈沖信號，經(jīng)過PESD5V0L2BT箝位后，電壓降為5V。圖6VC箝位電壓示意圖3、PPP峰值脈沖功率PPP峰值脈沖功率為ESD器件上瞬間通過的功率值，如300W@8/20us，在此功率范圍內，ESD保護器件能夠正常工作。圖7PPP峰值脈沖功率選用TVS步驟如下：1．確定待保護電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。2．TVS的反向變位電壓即工作電壓（VRWM）--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計，如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM，TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。3．最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況，根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間，確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。4．所選TVS的最大箝位電壓（VC）應低于被保護電路所允許的最大承受電壓。5．單極性還是雙極性—常常會出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖，其實并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負雙向脈沖的場合。TVS有時也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號，那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時，TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài)；反向浪涌時，TVS類似正向偏置二極管一樣導通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應選用雙向TVS以保護電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。6．如果知道比較準確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率，如果無法確定功率的大概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。壓敏電阻符號中文名稱解釋VRWM工作電壓應大于或等于被保護線路的操作電壓。V1mA(V)[DC1mA]壓敏電壓（擊穿電壓）在此時阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。VC箝位電壓脈沖電壓通過器件后，所達到的最大電壓值。IR@VRWM反向漏電流應小于電路允許的最大漏電流。Ip(A)通流容量通流容量也稱通流量，是指在規(guī)定的條件（以規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，施加標準的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。PPP峰值脈沖功率保護器件能吸收瞬時脈沖的能量，典型值取自300W8/20μs脈沖。CD結電容是保護器件的寄生電容，數(shù)據(jù)率或操作頻率越高的線路上使用的保護器件的結電容要越低，否則將破壞數(shù)據(jù)信號。壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。1.壓敏電壓的選取壓敏電壓（min(U1mA））、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(U1mA)≥(1.6～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應當有：min(U1mA)≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應用時，有適當?shù)陌踩６?。在信號回路中時，應當有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據(jù)防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。一般地說，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對應的標稱電壓值即為選用值。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實際電路的電壓值，一般應使用下式進行選擇：VmA＝av／bc式中：a為電路電壓波動系數(shù)，一般取1．2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0．85；c為元件的老化系數(shù)，一般取0．9；這樣計算得到的VmA實際數(shù)值是直流工作電壓的1．5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1．414倍。另外，選用時還必須注意：（1）必須保證在電壓波動最大時，連續(xù)工作電壓也不會超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；（2）在電源線與大地間使用壓敏電阻時，有時由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場合更高標稱電壓的壓敏電阻器。2．通流量的選取通常產品給出的通流量是按產品標準給定的波形、沖擊次數(shù)和間隙時間進行脈沖試驗時產品所能承受的最大電流值。而產品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時間的函數(shù)，當電流波形幅值降低50％時沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實際應用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產品的最大通流量。瞬態(tài)抑制器件的比較器件名稱氣體放電管壓敏電阻TVS管TVS晶閘管泄露電流無小小小續(xù)流有無無無箝位電壓點火電壓高中等低低通流容量大（103~105大（102~105?。?01~102大（102~105極間電容小大小小響應時間慢（10-6s）中等（10-9s）快（10-12s）快（10-12s）失效形式開路短路短路短路價格低低高中等老化現(xiàn)象有有無無產品范圍中等大電壓可選范圍大電壓可選范圍小使用場合電源線和通信線的初級保護多級保護組件中的第一級保護電源和汽車電氣系統(tǒng)的保護多級保護組件中的第一或第二級保護PCB級保護的有限應用PCB級保護的廣泛應用次級保護的有限應用靜電放電等快速過電壓波的防護多級保護中的最后以及保護通信線路中的初次級保護EMC設計中的防護器件選擇設計一定要從需求考慮，需要防護多大的電壓、多大的電流？假設由于對于EMC干擾的具體試驗方法已經(jīng)制定成相關標準，標準中產生具體干擾波形的設備就可以當做實際的干擾發(fā)生源。所以我們在做EMC方面的防護時可以根據(jù)試驗設備的具體參數(shù)，來設計、選擇防護器件的參數(shù)指標。浪涌防護由于浪涌的波形持續(xù)時間較長（us級別），攜帶的能量很大（甚至可以達到10、20KA），所以我們在做具體防護是必須使用防護器件，例如：氣體放電管、壓敏電阻、TVS管。浪涌防護也可以使用變壓器+壓敏電阻的方法。變壓器來防共模，壓敏電阻來防差模。在這里不贅述。已知：設備線線工作電壓Vwork1，設備線地工作電壓Vwork2、Vwork3設備線線最大承受電壓Vmax1，設備線地最大承受電壓Vmax2、Vmax3.，線線浪涌電壓Vsurge1，線地浪涌電壓Vsurge2、Vsurge3，輸出電阻Zout。未知：防護器件U1工作電壓Vwm1，防護器件U1擊穿電壓Vbr1，防護器件鉗位電壓Vc1，防護器件最大電流Ipp1；防護器件U2工作電壓Vwm2，防護器件U2擊穿電壓Vbr2，防護器件鉗位電壓Vc2，防護器件最大電流Ipp2；防護器件U3工作電壓Vwm3，防護器件U1擊穿電壓Vbr3，防護器件鉗位電壓Vc3，防護器件最大電流Ipp3。求防護器件參數(shù)：Vwm1≥Vwork1；Vwm2≥Vwork2；Vwm3≥Vwork3；Vc1≤Vmax1；Vc2≤Vmax2；Vc3≤Vmax3；Ipp1≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω)Ipp2≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω)Ipp3≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω)Vbr1約=Vwork1*(1.2~1.4).；Vbr2約=Vwork2*(1.2~1.4).；Vbr3約=Vwork3*(1.2~1.4).；靜電防護靜電放電波形持續(xù)時間較短（ns級別），攜帶的能量小，所以我們在做具體防護可以使用TVS管、ESD器件。靜電防護也可以使用變壓器+ESD器件（TVS器件）的方法。變壓器來防共模，ESD器件來防差模。在這里不贅述。已知：設備線線工作電壓Vwork1，設備線地工作電壓Vwork2、Vwork3設備線線最大承受電壓Vmax1，設備線地最大承受電壓Vmax2、Vmax3.，線線浪涌電壓Vsurge1，線地浪涌電壓Vsurge2、Vsurge3，輸出電阻Zout。未知：防護器件U1工作電壓Vwm1，防護器件U1擊穿電壓Vbr1，防護器件鉗位電壓Vc1，防護器件最大電流Ipp1；防護器件U2工作電壓Vwm2，防護器件U2擊穿電壓Vbr2，防護器件鉗位電壓Vc2，防護器件最大電流Ipp2；防護器件U3工作電壓Vwm3，防護器件U1擊穿電壓Vbr3，防護器件鉗位電壓Vc3，防護器件最大電流Ipp3。求防護器件參數(shù)：Vwm1≥Vwork1；Vwm2≥Vwork2；Vwm3≥Vwork3；Vc1≤Vmax1；Vc2≤Vmax2；Vc3≤Vmax3；Ipp1≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω)Ipp2≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω)Ipp3≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω)Vbr1約=Vwork1*(1.2~1.4).；Vbr2約=Vwork2*(1.2~1.4).；Vbr3約=Vwork3*(1.2~1.4).；EFT防護EFT波形持續(xù)時間較短（ns級別），攜帶的能量小，所以我們在做具體防護可以使用TVS管、ESD器件。已知：設備線線工作電壓Vwork1，設備線地工作電壓Vwork2、Vwork3設備線線最大承受電壓Vmax1，設備線地最大承受電壓Vmax2、Vmax3.，線線浪涌電壓Vsurge1，線地浪涌電壓Vsurge2、Vsurge3，輸出電阻Zout。未知：防護器件U1工作電壓Vwm1，防護器件U1擊穿電壓Vbr1，防護器件鉗位電壓Vc1，防護器件最大電流Ipp1；防護器件U2工作電壓Vwm2，防護器件U2擊穿電壓Vbr2，防護器件鉗位電壓Vc2，防護器件最大電流Ipp2；防護器件U3工作電壓Vwm3，防護器件U1擊穿電壓Vbr3，防護器件鉗位電壓Vc3，防護器件最大電流Ipp3。求防護器件參數(shù)：Vwm1≥Vwork1；Vwm2≥Vwork2；Vwm3≥Vwork3；Vc1≤Vmax1；Vc2≤Vmax2；Vc3≤Vmax3；Ipp1≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω)Ipp2≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω)Ipp3≥(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge=0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω)Vbr1約=Vwork1*(1.2~1.4).；Vbr2約=Vwork2*(1.2~1.4).；Vbr3約=Vwork3*(1.2~1.4).；綜合防護綜合防護時，最好在前級加上壓敏電阻、在后級增加TVS或ESD器件。當進行綜合防護時，如果浪涌電壓的能量很大，可以考慮通過在線路上的兩種防護器件之間串接一個電阻來完成。EMC防護電路PCB設計快速ESD脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導線間產生感應電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會得到保護，因此感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC的路徑。因此，被保護的輸入線不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線旁邊。推薦的