嵌入式系統(tǒng)電磁兼容設計

嵌入式系統(tǒng)電磁兼容設計第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容技術的發(fā)展20世紀40年代為了解決飛機通信系統(tǒng)受到電磁干擾造成飛機事故的問題，開始較為系統(tǒng)地進行電磁兼容技術研究美國自1945年開始，頒布了一系列電磁兼容方面的軍用標準和設計規(guī)范，電磁兼容技術進入全面發(fā)展階段20世紀60年代以來，現(xiàn)代科學技術，尤其是信息網(wǎng)絡和高速計算機技術的應用對電磁兼容提出了更高的要求，促進電磁兼容技術研究向更深、更廣的領域發(fā)展第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容電磁兼容是以電磁場理論為基礎，涉及信息、電工、電子、通信、材料、結構等學科的邊緣科學，研究如何在有限的空間、時間和頻率資源條件下，使各種電子設備或系統(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3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容問題電磁干擾：處在一定環(huán)境中設備或系統(tǒng)，在正常運行時，不應產(chǎn)生超過相應標準所規(guī)定的電磁能量。電磁敏感度：處在一定環(huán)境中設備或系統(tǒng)，在正常運行時，能承受相應標準規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾，或者說對規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾不敏感，仍能按照設計性能正常地運行。電磁環(huán)境：即使相同種類的設備也可能工作在不同的電磁環(huán)境中，不同的電磁環(huán)境對設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際意義。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容技術相關術語術語意義電磁兼容性系統(tǒng)不會因為周邊的電磁環(huán)境而導致性能降低、功能喪失或損壞，也不會在周邊環(huán)境中產(chǎn)生過量的電磁能量，而影響周邊設備的正常工作。電磁干擾破壞性電磁能量從一個電子設備傳導到另一個電子設備的過程。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_性設備或系統(tǒng)在保持預先設定的運行等級時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引發(fā)的靜電荷轉移?？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能力?？箓鲗Ц蓴_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、或從外部進入電子設備的處理方法。抑制通過濾波、搭接、屏蔽和接地或這些技術的任意組合，以減少或消除不希望有的射頻能量發(fā)射。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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、尖峰、浪涌、諧波自兼容性：設備內(nèi)部各組成部分之間的相互干擾第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容標準第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一發(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_設備的通路或媒介。敏感設備：對電磁干擾發(fā)生響應的設備第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容設計的重要性電磁兼容設計可提高電子設備工作的可靠性電磁兼容設計是電子設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的安全電磁兼容設計是應對未來戰(zhàn)爭的需要第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一不同階段電磁兼容設計費用對比第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁兼容測試單位以1mW作為基準，得到功率dBm計算公式：

以1uV作為基準，得到電壓dBuV計算公式：以1uA作為基準，得到電流dBuA計算公式：在電磁兼容測試中，通過選擇適當?shù)膮⒖贾?，用dB的對數(shù)方式表示物理量如果用1V、1mV、1uV為參考，則對應的單位為dBV、dBmV、dBuV第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電子元件的高頻特性第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一導線的高頻特性通過高頻信號時，由于趨膚效應，導致電阻增加高頻時導線的電感量不能忽視，一段1cm長，直徑0.5mm的圓截面導線只有7nH左右的電感量，但在100MHz時，可造成4.4Ω左右的感抗高頻電路中要重視導線（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線間的互感一般都很小，但在高頻時由它造成的線間耦合不可低估平行導線間還存在分布電容，在高頻時即使很小的分布電容也會產(chǎn)生明顯的電容性耦合干擾第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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，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選擇電感量小的電阻對于阻值高的電阻，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，阻抗降低越嚴重，甚至喪失電阻的作用第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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，在某種意義上相當于一只電感第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電感的高頻特性電感線圈因高頻電流流過會向周圍散發(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，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?6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電磁能量的耦合途徑耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩類傳導耦合是指通過線路本身的電路形成的耦合，以及通過導體間的分布電容、互感而形成的干擾耦合，傳導耦合包括直接傳導耦合、公共阻抗傳導耦合、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電路傳輸?shù)搅硪粋€電路第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一直接傳導耦合電磁干擾信號通過導線直接侵入被干擾對象信號線、電源線第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一直接傳導耦合的抑制方式

濾波：濾除干擾信號，而保留特定頻帶的有用信號，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的強度第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一差模信號傳輸差模信號VDIFF=V1－V2。對于純差模信號，V1=－V2，即大小相等、相位差180°，此時因為V1和V2對地是對稱的，所以地線上沒有電流流過，所有的差模電流（IDIFF）全流過負載第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一共模信號傳輸

對于純共模信號，VCOM=V1=V2，V3=0。共模干擾信號侵入線路和地之間，因為在負載兩端沒有電位差，所以沒有電流流過負載。干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一公共阻抗傳導耦合噪聲源回路和受干擾回路之間存在著一個公共阻抗，噪聲電流通過這個公共阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓，傳導給受干擾的回路第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一抑制公共阻抗傳導的方法減少電源內(nèi)阻減少電源供電電路的阻抗減少公共地的阻抗第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電路板布線中降低電源公共阻抗第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電子系統(tǒng)中的接點方法第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電容耦合(電場耦合)電容耦合引起的感應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電壓與導線對地的分布電容成反比第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一抑制電容耦合的方法降低導線間的分布電容，具體辦法有：加大導線間的距離；盡可能縮短導線的長度；在導線下增加接地平面，增加導線對地分布電容采用隔離的方法，在兩個導線之間增加一根地線降低導線上信號頻率，如使用邊沿時間較長的器件增加旁路電容對信號進行屏蔽第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一電感耦合(磁場耦合)通過分布電感使一個電路中的信號輻射到另一個電路中的耦合方式干擾源的電流流過電感時產(chǎn)生磁場，時變的電流則產(chǎn)生時變的磁場，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)生感應電壓第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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使回路方向與磁場方向平行降低磁場干擾源的干擾強度減小回路間的互感，包括加大兩導線的間距；縮短導線的長度；使導線盡可能接近地平面；使各自磁場方向相互垂直第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一PCB中的信號完整性信號完整性(SignalIntegrity)是指信號未受到損傷的一種狀態(tài)，用于表示信號質量和信號傳輸后仍保持正確功能的特性良好的信號完整性是指在需要時信號仍保持正確的時序和電平值信號完整性問題可以導致信號失真、定時錯誤、數(shù)據(jù)/地址錯誤、控制線狀態(tài)錯誤、系統(tǒng)誤操作、直至系統(tǒng)崩潰第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一傳輸線概念傳輸線是兩個或多個終端間有效傳輸電功率或電信號的傳輸系統(tǒng)，如金屬導線、波導、同軸線和PCB連線傳輸線的特性阻抗第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一傳輸線效應的影響當信號延遲時間大于信號跳變時間時，分析時必須把信號線當作傳輸線傳輸線的信號以光速或接近光速在兩個設備間傳送，由于分布電容、分布電感和有源器件，速度會有所降低傳輸線內(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，信號會被反射，當發(fā)生多重反射時就會引起振蕩第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一影響信號完整性問題傳輸延遲反射串擾過沖和下沖同步切換噪聲接地反彈噪聲第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一信號傳輸延遲信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端發(fā)出直到接收端收到，中間存在時間間隔，這就是傳輸延遲傳輸延遲對系統(tǒng)的時序產(chǎn)生影響信號延遲時間主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數(shù)第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一信號反射反射信號就是傳輸線上的回波當傳輸線的特性阻抗與負載阻抗不匹配時，信號功率的一部分傳輸?shù)骄€上并到達負載處，另一部分則被反射若負載阻抗小于源阻抗，反射為負；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)等因素的變化均會導致此類反射第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一信號串擾信號在傳輸線上傳播時，因電磁耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的電壓噪聲干擾串擾是兩條信號線之間的耦合，由信號線之間的互感和互容引起串擾對鄰近信號的傳輸質量造成影響，有可能引起假時鐘，偶然性數(shù)據(jù)錯誤應用中，不可能、也沒必要完全消除串擾，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板層的材質和結構、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性、信號線的端接方式等對串擾都有一定的影響第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一過沖和下沖過沖是信號跳變沿第一個超過設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超過設定電壓的谷值或峰值，過度的下沖能夠引起假的時鐘或數(shù)據(jù)錯誤第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一同步切換噪聲同步切換噪聲：當PCB板上大量輸出管腳在同一時刻從高電平向低電平切換、或者從低電平向高電平切換，會在相鄰管腳引入噪聲大量管腳從低向高切換，在鄰近被干擾信號上可以觀察到一個負電壓噪聲；大量管腳從高電平向低電平切換，在鄰近被干擾信號上可以觀察到一個正電壓噪聲第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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，當信號狀態(tài)翻轉時所帶來的電流變化會通過器件的寄生電感影響到地線，集成電路內(nèi)部多個驅動器同時轉換時就會在地線中產(chǎn)生較大的噪聲第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一降低接地反彈噪聲器件的引線電感與地線反彈成正比，應盡量減少引線分布電感負載電容與地線反彈成正比，因此應盡量采用輸入電容較小的信號接口形式信號的上升時間與地線反彈成反比，在滿足系統(tǒng)性能的情況下，盡量延長信號的上升時間同時轉換邏輯狀態(tài)的輸出引腳個數(shù)與地線反彈成反比，因此在邏輯設計時，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41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一改善信號完整性—抑制串擾盡量選擇慢速(邊沿變化慢)的器件。容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的串擾隨受干擾線路負載的增大而增大，所以減小負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)生容性耦合導線之間的距離在相鄰的信號線間插入一根地線可以有效減小容性串擾感性耦合較難抑制，要盡量降低回路數(shù)量，減小回路面積，信號回路避免共用同一段導線相鄰兩層的信號層走線應盡量垂直，避免平行走線，減少層間的串擾在有專門電源層、地層的多層PCB板中，把對串擾比較敏感的信號盡量安排在內(nèi)層中通過端接，使傳輸線遠端和近端的終端阻抗與傳輸線匹配，可大大減少串擾和反射干擾第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一改善信號完整性—抑制反射高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸線上阻抗不匹配會引起信號反射，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)送端或接收端進行終端阻抗匹配，盡量使源反射系數(shù)或負載反射系數(shù)為0傳輸線的端接通常采用兩種策略：使負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43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)送端串行端接在盡量靠近發(fā)送端的位置串連一個電阻到傳輸線中，來實現(xiàn)信號源的阻抗匹配串行電阻阻值加上驅動源的輸出阻抗應大于等于傳輸線阻抗減小源端反射系數(shù)，防止從負載反射回來的信號再從源端反射回負載端第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一第45頁，