電磁兼容設(shè)計(jì)的一些方法

電磁兼容設(shè)計(jì)的一些方法

0環(huán)境電磁學(xué)的概念電力行業(yè)通常指電氣和電子設(shè)備在公共電腦環(huán)境中能夠執(zhí)行各自的職能的共存狀態(tài)。這意味著上述設(shè)備在同一電磁環(huán)境中通常不會(huì)受到干擾，并達(dá)到“兼容”狀態(tài)。現(xiàn)在電磁兼容科技工作者又進(jìn)一步探討電磁環(huán)境對人類及生物的危害影響。學(xué)科范圍已不限定于設(shè)備與設(shè)備間的問題,而進(jìn)一步涉及到人類本身,因此一些國內(nèi)外學(xué)者也把電磁兼容學(xué)科稱作“環(huán)境電磁學(xué)”。但由于知識(shí)面所限,本文討論不涉及生物學(xué)范疇。1電容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為對于電磁兼容的定義,比較常見的有以下2種:①IEC6050(161)《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容所下的定義為:“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力;”②“電磁兼容是研究在有限的空間、有限的時(shí)間和有限的頻譜資源條件下,各種用電設(shè)備(分系統(tǒng)、系統(tǒng)、廣義的還包括生物體)可以共存并不致引起降級的一門科學(xué)?！币陨系亩x中,都涉及電磁環(huán)境這一概念。實(shí)際上,電磁環(huán)境是由空間、時(shí)間和頻譜3個(gè)要素組成,所有需要解決的電磁兼容問題都脫離不開這3個(gè)要素。因此,控制電磁干擾源的輻射能量、切斷電磁干擾的耦合通道、提高被干擾設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力是電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)的目的是,使設(shè)計(jì)研制出的多個(gè)樣本(設(shè)備、電路或系統(tǒng))能在一定的電磁環(huán)境中兼容工作,保證各自的技術(shù)性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)/分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果一個(gè)系統(tǒng)跳過這個(gè)設(shè)計(jì)步驟,不考慮EMC設(shè)計(jì)直接生產(chǎn),那么設(shè)備將很可能在現(xiàn)場遇到磁干擾問題而不能正常工作。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)從系統(tǒng)工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)幾方面考慮,針對干擾源及其特性的不同采取多種設(shè)計(jì)手段。對于具體工程而言,電磁兼容設(shè)計(jì)通常包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)/分系統(tǒng)和分機(jī)設(shè)計(jì),從工程實(shí)施上考慮,需要在結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)綜合采取措施。系統(tǒng)/分系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮系統(tǒng)內(nèi)部能兼容工作,更要在EMC設(shè)計(jì)前,對系統(tǒng)/分系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括:環(huán)境中存在的干擾頻率(頻譜)和功率(空間);產(chǎn)生干擾頻譜的設(shè)備與本系統(tǒng)的工作(時(shí)間)是否沖突;在一定時(shí)間內(nèi)是否還會(huì)增加新的干擾源等?？梢允褂脠鰪?qiáng)儀等設(shè)備實(shí)地測量,也可以走訪相關(guān)人員,查閱有關(guān)歷史記錄?？傊龃罅考?xì)致的調(diào)查工作,才能盡量去掉對設(shè)備工作用處不大的潛在騷擾源,減少騷擾源的個(gè)數(shù);才能正確選擇系統(tǒng)工作頻率,盡量增加系統(tǒng)的有效工作時(shí)間;減小系統(tǒng)的發(fā)射功率以減小對工作環(huán)境的干擾與破壞。對于分機(jī)設(shè)計(jì),內(nèi)容和方法很多,要細(xì)致考慮,精心設(shè)計(jì)。在這里僅介紹一些有效而較易采用的方法及注意事項(xiàng),其中一些項(xiàng)目也會(huì)在系統(tǒng)/分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到。2.1能量的傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是利用屏蔽體(具有特定性能的材料)阻止或衰減電磁騷擾能量的傳輸,是抑制電磁干擾的重要手段。屏蔽有2個(gè)目的:限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏;防止外來的輻射干擾進(jìn)入。根據(jù)屏蔽工作原理可將屏蔽分為電屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁屏蔽設(shè)計(jì)3大類。2.1.1外齒彈性墊圈的安裝電屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須做到屏蔽板良好接地:地線兩端最好采用焊接,當(dāng)采用螺釘連接時(shí),應(yīng)加裝減小接觸阻抗的內(nèi)齒彈性墊圈(GB/T861)或外齒彈性墊圈(GB/T862);合理設(shè)置接地點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將屏蔽體的接地點(diǎn)靠近被屏蔽的地電平電路的接地點(diǎn)。2.1.2工藝漏洞,屏蔽效能下降根據(jù)電子產(chǎn)品性能要求需要在屏蔽盒上開設(shè)通過散熱、觀察和調(diào)測用的孔洞,同時(shí)在制作時(shí)會(huì)出現(xiàn)工藝縫隙。由于孔洞和縫隙的影響,屏蔽體磁阻增加,致使屏蔽效能下降。為減小這些影響,進(jìn)行屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:正確布置通風(fēng)孔、合理設(shè)置屏蔽盒接隙方向以及合理安排縫隙連接工藝。2.1.3蔽體材料對材料的要求電子設(shè)備或系統(tǒng)中電磁屏蔽是利用屏蔽體阻止射頻電磁場在空間傳播的一種有效措施。屏蔽體常用材料:金屬板材(包括鋁板、銅板或鍍銀銅板等電導(dǎo)率高的良導(dǎo)體材料)、塑料復(fù)合金屬板、導(dǎo)電布和導(dǎo)電紙。為加裝屏蔽材料而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)凹槽一定注意要保證屏蔽材料能夠牢固裝配,保證與結(jié)構(gòu)體良好接觸。圖1所示為工程中加裝導(dǎo)電橡膠條的結(jié)構(gòu)圖。2.2電路設(shè)計(jì)2.2.1高速器件在設(shè)計(jì)中盡量少用低電平器件,也不盲目選擇高速器件。在工作中存在著追求高速器件的現(xiàn)象,但印制板設(shè)計(jì)沒有采取相應(yīng)的手段,在調(diào)試中出現(xiàn)一些莫名其妙的問題。2.2.2重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的選擇在高速數(shù)字電路中,電源與地層應(yīng)盡量靠在一起,中間不安排布線。所有布線層都盡量靠近一平面,優(yōu)先選擇地平面作為隔離層。盡量為時(shí)鐘信號、高頻信號和敏感信號等關(guān)鍵信號提供專門的布線層,并保證其最小的回路面積。應(yīng)采取手工優(yōu)先布線、屏蔽和加大安全間距等方法,保證信號質(zhì)量。電源層和地層之間的EMC環(huán)境較差,應(yīng)避免布置對干擾敏感的信號。2.2.3電源腳及旁路電容的布置元件布局時(shí),使用同一種電源的元件應(yīng)考慮盡量放在一起,以便于將來的電源分割。集成電路的去偶電容應(yīng)盡量靠近芯片的電源腳,高頻最靠近為原則,使之與電源和地之間形成回路最短。旁路電容應(yīng)均勻分布在集成電路周圍。用于阻抗匹配目的阻容器件的放置,應(yīng)根據(jù)其屬性合理布局。匹配電容電阻的布局要分清楚其用法,對于多負(fù)載的終端匹配一定要放在信號的最遠(yuǎn)端進(jìn)行匹配。匹配電阻布局時(shí)候要靠近該信號的驅(qū)動(dòng)端,距離一般不超過500Mil。2.2.4電容接地方式的選擇每塊印制板的輸入電源在其輸入端使用一個(gè)大容量電解電容進(jìn)行容性濾波,根據(jù)頻率選10～100μF,與0.1μF電容緊靠并聯(lián)。印制板中的集成元件濾波應(yīng)通過在每片集成電路的VCC/GND引腳,接0.01μF電容實(shí)現(xiàn),VCC/GND引腳與電容的間隔應(yīng)靠近,電容引線應(yīng)盡可能短,使寄生電容最小。最少每3個(gè)元件應(yīng)有一個(gè)最小為0.001μF的電容。VCC/GND引腳與電容之間的最大空間距離不應(yīng)超過1.5in。計(jì)算機(jī)應(yīng)采用浮空接地,這樣安全可靠。所謂浮空是將機(jī)殼接地,而其余部分浮空,這種方法抗干擾性強(qiáng),只是制造工藝復(fù)雜。系統(tǒng)中有多個(gè)分機(jī)時(shí)其機(jī)殼接地按頻率區(qū)別對待,低頻可選擇單點(diǎn)接地為好,單點(diǎn)接地使地線成散射狀以避免串聯(lián)后接地因公阻產(chǎn)生串?dāng)_。高頻時(shí)為減少分布參數(shù)的影響可選擇多點(diǎn)就近接地較好。用AC電源線供電的系統(tǒng),在電源輸入端應(yīng)包括一個(gè)EMI濾波器,以阻止不需要能量的輸入和輸出,使用開關(guān)電源時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。諧振回路和濾波電路的接地是最容易被忽略的問題,受接地方式的誤導(dǎo),許多設(shè)計(jì)人員將諧振回路的電容電感就近接地,如圖2所示。在并聯(lián)諧振回路中,電感和電容應(yīng)取一點(diǎn)接地,使諧振回路本身形成一個(gè)閉合回路,此時(shí)高頻大電流將不通過接地面,而抑制產(chǎn)生地回路干擾。正確的諧振回路和濾波電路原理圖和印制板圖和圖3所示。3固有器監(jiān)控方案的確定在某工程論證階段,對設(shè)備將來的工作環(huán)境的電磁干擾情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,精心選擇了工作頻率,設(shè)備交付后沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾與被干擾問題。在方案設(shè)計(jì)階段,確定了3級屏蔽的方案:印制板信號線引腳加裝濾波器;屏蔽盒按照圖1的方法加裝屏蔽膠條;機(jī)箱加裝屏蔽膠條。經(jīng)電磁兼容試驗(yàn),屏蔽效果良好,順利通過所有試驗(yàn)項(xiàng)目。在另外一個(gè)項(xiàng)目中,不僅完全按照上述設(shè)計(jì)方法進(jìn)行,而且在通風(fēng)冷卻孔加裝截至波導(dǎo)通風(fēng)孔陣,有效解決了高頻泄露問題。4比較低的費(fèi)用效果好綜上所述,在設(shè)計(jì)開始時(shí)就進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)與系