嵌入式系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)40年代為了解決飛機(jī)通信系統(tǒng)受到電磁干擾造成飛機(jī)事故的問題，開始較為系統(tǒng)地進(jìn)行電磁兼容技術(shù)研究美國自1945年開始，頒布了一系列電磁兼容方面的軍用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，電磁兼容技術(shù)進(jìn)入全面發(fā)展階段20世紀(jì)60年代以來，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是信息網(wǎng)絡(luò)和高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)電磁兼容提出了更高的要求，促進(jìn)電磁兼容技術(shù)研究向更深、更廣的領(lǐng)域發(fā)展第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容電磁兼容是以電磁場理論為基礎(chǔ)，涉及信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科的邊緣科學(xué)，研究如何在有限的空間、時(shí)間和頻率資源條件下，使各種電子設(shè)備或系統(tǒng)在同一電磁環(huán)境中相互兼容，而不致引起功能喪失或性能降低

第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容問題電磁干擾：處在一定環(huán)境中設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的電磁能量。電磁敏感度：處在一定環(huán)境中設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，能承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾，或者說對(duì)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾不敏感，仍能按照設(shè)計(jì)性能正常地運(yùn)行。電磁環(huán)境：即使相同種類的設(shè)備也可能工作在不同的電磁環(huán)境中，不同的電磁環(huán)境對(duì)設(shè)備的電磁兼容要求不一樣，離開了具體的電磁環(huán)境，談電磁兼容沒有什么實(shí)際意義。第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容技術(shù)相關(guān)術(shù)語術(shù)語意義電磁兼容性系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橹苓叺碾姶怒h(huán)境而導(dǎo)致性能降低、功能喪失或損壞，也不會(huì)在周邊環(huán)境中產(chǎn)生過量的電磁能量，而影響周邊設(shè)備的正常工作。電磁干擾破壞性電磁能量從一個(gè)電子設(shè)備傳導(dǎo)到另一個(gè)電子設(shè)備的過程。射頻用于通信目的的連續(xù)電磁輻射的頻率范圍(10kHz到100GHz)敏感度設(shè)備或系統(tǒng)受電磁干擾而被中斷或破壞的趨勢的估量?？箶_性設(shè)備或系統(tǒng)在保持預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行等級(jí)時(shí)抵抗電磁干擾能力的估量。靜電放電有著不同靜電電壓的物體在靠近或直接接觸時(shí)引發(fā)的靜電荷轉(zhuǎn)移?？馆椛涓蓴_性產(chǎn)品抵抗來自自由空間電磁干擾能量的相對(duì)能力。抗傳導(dǎo)干擾性產(chǎn)品抵抗來自外部電纜、輸電線和I/O連接器的電磁干擾能量的能力。密封將電子產(chǎn)品用金屬外殼或者用涂有射頻導(dǎo)電漆的塑料外殼屏蔽，從而阻止射頻能量從內(nèi)部泄露出去、或從外部進(jìn)入電子設(shè)備的處理方法。抑制通過濾波、搭接、屏蔽和接地或這些技術(shù)的任意組合，以減少或消除不希望有的射頻能量發(fā)射。第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日常見電磁兼容問題射頻干擾：射頻范圍里的電磁能量干擾靜電放電電力線干擾：電壓跌落、頻率波動(dòng)、尖峰、浪涌、諧波自兼容性：設(shè)備內(nèi)部各組成部分之間的相互干擾第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日發(fā)生電磁干擾三要素干擾源：產(chǎn)生電磁干擾的元器件、設(shè)備和自然現(xiàn)象。耦合途徑：電磁干擾能量從干擾源傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通路或媒介。敏感設(shè)備：對(duì)電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容設(shè)計(jì)的重要性電磁兼容設(shè)計(jì)可提高電子設(shè)備工作的可靠性電磁兼容設(shè)計(jì)是電子設(shè)備與國際接軌的需要控制電磁能量輻射，保障人身和易燃易爆物質(zhì)的安全電磁兼容設(shè)計(jì)是應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)爭的需要第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日不同階段電磁兼容設(shè)計(jì)費(fèi)用對(duì)比第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日電磁兼容測試單位以1mW作為基準(zhǔn)，得到功率dBm計(jì)算公式：

以1uV作為基準(zhǔn)，得到電壓dBuV計(jì)算公式：以1uA作為基準(zhǔn)，得到電流dBuA計(jì)算公式：在電磁兼容測試中，通過選擇適當(dāng)?shù)膮⒖贾担胐B的對(duì)數(shù)方式表示物理量如果用1V、1mV、1uV為參考，則對(duì)應(yīng)的單位為dBV、dBmV、dBuV第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日電子元件的高頻特性第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日導(dǎo)線的高頻特性通過高頻信號(hào)時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致電阻增加高頻時(shí)導(dǎo)線的電感量不能忽視，一段1cm長，直徑0.5mm的圓截面導(dǎo)線只有7nH左右的電感量，但在100MHz時(shí)，可造成4.4Ω左右的感抗高頻電路中要重視導(dǎo)線（包括PCB連線）或元器件引線的阻抗，盡可能縮短長度或增加截面積平行導(dǎo)線間的互感一般都很小，但在高頻時(shí)由它造成的線間耦合不可低估平行導(dǎo)線間還存在分布電容，在高頻時(shí)即使很小的分布電容也會(huì)產(chǎn)生明顯的電容性耦合干擾第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日電阻的高頻特性包括引腳在內(nèi)的等效電感值在10~30nH；分布電容為0.2uF~0.5uF在一定頻率時(shí)，電阻值小的電阻以電感成分影響為主，電阻值高的電阻以分布電容影響為主，因此阻值小的電阻應(yīng)選擇電感量小的電阻對(duì)于阻值高的電阻，由于分布電容的旁路作用，使電阻的阻抗值大幅度降低，頻率越高，阻抗降低越嚴(yán)重，甚至喪失電阻的作用第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日電容的高頻特性在高頻電路中要重視包括引線電感在內(nèi)的電容器的等效電感等效電感與電容組成的回路在特定頻率上會(huì)產(chǎn)生共振，在共振頻率上，電容器的阻抗最小。在此頻率以上的電容器呈現(xiàn)電感性，其感抗隨頻率增加而增加，在某種意義上相當(dāng)于一只電感第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日電感的高頻特性電感線圈因高頻電流流過會(huì)向周圍散發(fā)出高頻磁通，成為其它電路的干擾源電感本身也十分容易耦合外界的噪聲工作在高頻頻帶時(shí)，電感隨工作頻率的變高，其特性可能從電感性變?yōu)殡娙菪缘谑?，共五十二頁?022年，8月28日電磁能量的耦合途徑耦合可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類傳導(dǎo)耦合是指通過線路本身的電路形成的耦合，以及通過導(dǎo)體間的分布電容、互感而形成的干擾耦合，傳導(dǎo)耦合包括直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗傳導(dǎo)耦合、電容耦合、電感耦合等輻射耦合是指電磁能量以電磁場的形式從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日直接傳導(dǎo)耦合電磁干擾信號(hào)通過導(dǎo)線直接侵入被干擾對(duì)象信號(hào)線、電源線第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日直接傳導(dǎo)耦合的抑制方式

濾波：濾除干擾信號(hào)，而保留特定頻帶的有用信號(hào)，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等幾種隔離：利用變壓器、光隔離器件等來減少電磁干擾的傳播衰減：從源頭抑制電磁干擾信號(hào)的強(qiáng)度第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日差模信號(hào)傳輸差模信號(hào)VDIFF=V1－V2。對(duì)于純差模信號(hào)，V1=－V2，即大小相等、相位差180°，此時(shí)因?yàn)閂1和V2對(duì)地是對(duì)稱的，所以地線上沒有電流流過，所有的差模電流（IDIFF）全流過負(fù)載第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日共模信號(hào)傳輸

對(duì)于純共模信號(hào)，VCOM=V1=V2，V3=0。共模干擾信號(hào)侵入線路和地之間，因?yàn)樵谪?fù)載兩端沒有電位差，所以沒有電流流過負(fù)載。干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日交流電源濾波器基本電路共模電感線圈L1、L2，差模電感L3、L4，以及共模電容CY1、CY2和差模電容器CX第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日公共阻抗傳導(dǎo)耦合噪聲源回路和受干擾回路之間存在著一個(gè)公共阻抗，噪聲電流通過這個(gè)公共阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓，傳導(dǎo)給受干擾的回路第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日抑制公共阻抗傳導(dǎo)的方法減少電源內(nèi)阻減少電源供電電路的阻抗減少公共地的阻抗第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日電路板布線中降低電源公共阻抗第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日電子系統(tǒng)中的接點(diǎn)方法第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日電容耦合(電場耦合)電容耦合引起的感應(yīng)電壓正比于干擾頻率和耦合電容CF，即頻率越高、分布電容越大，電容耦合越明顯電容耦合引起的感應(yīng)電壓與導(dǎo)線對(duì)地的分布電容成反比第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日抑制電容耦合的方法降低導(dǎo)線間的分布電容，具體辦法有：加大導(dǎo)線間的距離；盡可能縮短導(dǎo)線的長度；在導(dǎo)線下增加接地平面，增加導(dǎo)線對(duì)地分布電容采用隔離的方法，在兩個(gè)導(dǎo)線之間增加一根地線降低導(dǎo)線上信號(hào)頻率，如使用邊沿時(shí)間較長的器件增加旁路電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行屏蔽第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日電感耦合(磁場耦合)通過分布電感使一個(gè)電路中的信號(hào)輻射到另一個(gè)電路中的耦合方式干擾源的電流流過電感時(shí)產(chǎn)生磁場，時(shí)變的電流則產(chǎn)生時(shí)變的磁場，變化的磁場在鄰近回路中引起變化的磁通，從而在該電路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日抑制電感耦合的基本方法減少回路所涵蓋的面積使回路和干擾源的距離盡可能遠(yuǎn)使回路方向與磁場方向平行降低磁場干擾源的干擾強(qiáng)度減小回路間的互感，包括加大兩導(dǎo)線的間距；縮短導(dǎo)線的長度；使導(dǎo)線盡可能接近地平面；使各自磁場方向相互垂直第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日PCB中的信號(hào)完整性信號(hào)完整性(SignalIntegrity)是指信號(hào)未受到損傷的一種狀態(tài)，用于表示信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)傳輸后仍保持正確功能的特性良好的信號(hào)完整性是指在需要時(shí)信號(hào)仍保持正確的時(shí)序和電平值信號(hào)完整性問題可以導(dǎo)致信號(hào)失真、定時(shí)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)/地址錯(cuò)誤、控制線狀態(tài)錯(cuò)誤、系統(tǒng)誤操作、直至系統(tǒng)崩潰第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日傳輸線概念傳輸線是兩個(gè)或多個(gè)終端間有效傳輸電功率或電信號(hào)的傳輸系統(tǒng)，如金屬導(dǎo)線、波導(dǎo)、同軸線和PCB連線傳輸線的特性阻抗第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日傳輸線效應(yīng)的影響當(dāng)信號(hào)延遲時(shí)間大于信號(hào)跳變時(shí)間時(shí)，分析時(shí)必須把信號(hào)線當(dāng)作傳輸線傳輸線的信號(hào)以光速或接近光速在兩個(gè)設(shè)備間傳送，由于分布電容、分布電感和有源器件，速度會(huì)有所降低傳輸線內(nèi)部和周圍存在電磁場，能量通過電磁場傳輸傳輸線阻抗匹配不好，就會(huì)出現(xiàn)功能性問題和EMI問題線路阻抗是影響傳輸特性的重要因素，如果阻抗匹配不當(dāng)，信號(hào)會(huì)被反射，當(dāng)發(fā)生多重反射時(shí)就會(huì)引起振蕩第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日影響信號(hào)完整性問題傳輸延遲反射串?dāng)_過沖和下沖同步切換噪聲接地反彈噪聲第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日信號(hào)傳輸延遲信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出直到接收端收到，中間存在時(shí)間間隔，這就是傳輸延遲傳輸延遲對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響信號(hào)延遲時(shí)間主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日信號(hào)反射反射信號(hào)就是傳輸線上的回波當(dāng)傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)功率的一部分傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處，另一部分則被反射若負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射為負(fù)；反之，反射為正布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日信號(hào)串?dāng)_信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，因電磁耦合對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的電壓噪聲干擾串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合，由信號(hào)線之間的互感和互容引起串?dāng)_對(duì)鄰近信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響，有可能引起假時(shí)鐘，偶然性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤應(yīng)用中，不可能、也沒必要完全消除串?dāng)_，只要將其控制在系統(tǒng)所能承受的范圍之內(nèi)就不至于影響系統(tǒng)的工作PCB板層的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性、信號(hào)線的端接方式等對(duì)串?dāng)_都有一定的影響第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日過沖和下沖過沖是信號(hào)跳變沿第一個(gè)超過設(shè)定電壓的峰值或谷值，過度的過沖可能因超出器件的耐壓范圍而造成器件損壞下沖是指第二個(gè)超過設(shè)定電壓的谷值或峰值，過度的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日同步切換噪聲同步切換噪聲：當(dāng)PCB板上大量輸出管腳在同一時(shí)刻從高電平向低電平切換、或者從低電平向高電平切換，會(huì)在相鄰管腳引入噪聲大量管腳從低向高切換，在鄰近被干擾信號(hào)上可以觀察到一個(gè)負(fù)電壓噪聲；大量管腳從高電平向低電平切換，在鄰近被干擾信號(hào)上可以觀察到一個(gè)正電壓噪聲第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日接地反彈噪聲接地反彈噪聲：由于器件內(nèi)部的接地引腳與地平面之間存在引線電感，當(dāng)信號(hào)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)所帶來的電流變化會(huì)通過器件的寄生電感影響到地線，集成電路內(nèi)部多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)就會(huì)在地線中產(chǎn)生較大的噪聲第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日降低接地反彈噪聲器件的引線電感與地線反彈成正比，應(yīng)盡量減少引線分布電感負(fù)載電容與地線反彈成正比，因此應(yīng)盡量采用輸入電容較小的信號(hào)接口形式信號(hào)的上升時(shí)間與地線反彈成反比，在滿足系統(tǒng)性能的情況下，盡量延長信號(hào)的上升時(shí)間同時(shí)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)的輸出引腳個(gè)數(shù)與地線反彈成反比，因此在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免地址/數(shù)據(jù)等總線從全“0”變成全“1”、或從全“1”變成全“0”的情況第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日改善信號(hào)完整性—抑制串?dāng)_盡量選擇慢速(邊沿變化慢)的器件。容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的串?dāng)_隨受干擾線路負(fù)載的增大而增大，所以減小負(fù)載可以減小耦合干擾的影響在布線條件許可的情況下，盡量減小相鄰傳輸線間的平行長度或者增大可能發(fā)生容性耦合導(dǎo)線之間的距離在相鄰的信號(hào)線間插入一根地線可以有效減小容性串?dāng)_感性耦合較難抑制，要盡量降低回路數(shù)量，減小回路面積，信號(hào)回路避免共用同一段導(dǎo)線相鄰兩層的信號(hào)層走線應(yīng)盡量垂直，避免平行走線，減少層間的串?dāng)_在有專門電源層、地層的多層PCB板中，把對(duì)串?dāng)_比較敏感的信號(hào)盡量安排在內(nèi)層中通過端接，使傳輸線遠(yuǎn)端和近端的終端阻抗與傳輸線匹配，可大大減少串?dāng)_和反射干擾第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日改善信號(hào)完整性—抑制反射高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸線上阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)反射，減少和消除反射的方法是根據(jù)傳輸線的特性阻抗在發(fā)送端或接收端進(jìn)行終端阻抗匹配，盡量使源反射系數(shù)或負(fù)載反射系數(shù)為0傳輸線的端接通常采用兩種策略：使負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配，即并行端接；使源阻抗與傳輸線阻抗匹配，即串行端接

第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日發(fā)送端串行端接在盡量靠近發(fā)送端的位置串連一個(gè)電阻到傳輸線中，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的阻抗匹配串行電阻阻值加上驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗應(yīng)大于等于傳輸線阻抗減小源端反射系數(shù)，防止從負(fù)載反射回來的信號(hào)再從源端反射回負(fù)載端第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日第