汽車電子EMC設計整改

EMC設計整改2023/10/41ContentsEMC基礎知識EMC整改常用器件介紹EMC整改對策與PCB設計原則簡介2023/10/42EMC基礎知識EMC常用術(shù)語EMC標準分類與制定機構(gòu)前裝車機EMC標準EMC測試技術(shù)簡介2023/10/43EMC常用術(shù)語（1）EMC～ElcetroMagneticCompatibility(電磁兼容性)電子產(chǎn)品在電磁環(huán)境中干擾其它產(chǎn)品或遭受其它產(chǎn)品干擾的特性。指設備或系統(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(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC包括以下兩大項：EMI–ElectroMagneticInterference(電磁干擾)EMS–ElectroMagneticSusceptibility(電磁耐受)電磁環(huán)境（ElectromagneticEnvironment）電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。電磁騷擾（ElectromagneticDisturbance）電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能降低，對有生命或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁干擾（ElectromagneticInterference）電磁干擾是指電磁騷擾引起的裝置、設備或系統(tǒng)性能降低。2023/10/4EMC常用術(shù)語（2）輻射發(fā)射（RadiatedEmission）通過空間傳播的、有用的或不希望有的電磁能量。傳導發(fā)射（ConductedEmission）沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶虐l(fā)射。輻射敏感度（RadiatedSusceptibility）對造成設備性能降低的輻射騷擾場的度量。傳導敏感度（ConductedSusceptibility）當引起設備性能降低時，對從傳導方式引入的騷擾信號電流或電壓的度量。發(fā)射限值（EmissionLimit）容許最大的發(fā)射電平，是人為制定的一個電平。2023/10/4EMC標準分類與制定機構(gòu)（1）EMC標準主要分為：基礎標準、通用標準、產(chǎn)品類標準、專用標準。基礎標準：是制定其他EMC標準的基礎，它描述了EMC現(xiàn)象，規(guī)定了電磁騷擾發(fā)射和抗擾度的測試方法、測試設備和布置，同時定義了試驗等級和性能判別，但不涉及具體產(chǎn)品。例如：IEC61000-4-2。通用標準：是按照產(chǎn)品使用的環(huán)境來分類的。例如：EN50082-1居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和輕工業(yè)區(qū)環(huán)境抗擾度通用標準；EN50082-2工業(yè)區(qū)環(huán)境抗擾度通用標準。產(chǎn)品類標準：針對某系列產(chǎn)品而制定的。比如：CISPR22ITE信息技術(shù)設備的發(fā)射要求。2023/10/4EMC標準分類與制定機構(gòu)（2）2023/10/4國家或組織制訂單位標準名稱IEC（國際電工委員會）CISPR（國際無線電干擾特別委員會）CISRPPub.xxTC77（第77技術(shù)委員會）IECxxxxx歐共體GENELEC（歐洲電工標準化委員會）ENxxxxx美國FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）FCCPart.xx（15&18）MIL（美國軍標）MILSTD.xx德國VDE（電氣工程師協(xié)會）VDExxx日本VCCI（干擾自愿控制委員會）VCCI（標準與CISRP/IEC一致）前裝車機EMC標準（1）2023/10/4前裝車機EMC標準（2）典型汽車廠商標準全球性標準國標（GB）FORDEMC-CD-2009CISPR25GB18655GMW3097ISO7637-2GB/T21437-2CHRYSLERDC11224ISO7637-3GB/T21437-2BWM-95002ISO11452-2GB/T17619VolkswagenTL82066、TL82166ISO11452-4GB/T17619CITROENB217110ISO10605GB/T199512023/10/4典型汽車廠商標準是以全球性標準為基礎，根據(jù)自身對EMC規(guī)格的要求制定的，各廠商要求基本上是大同小異。國標標準與全球性標準一致。EMC測試簡介（1）EMC測試主要分兩大類：EMI與EMS。針對前裝車載信息娛樂系統(tǒng)主要測試項如下表：2023/10/4測試分類測試方法執(zhí)行標準EMICE:電磁傳導騷擾（電壓法）--電源線CISPR25CE:電磁傳導騷擾（電流法）--信號線RE:電磁輻射騷擾（ALSE法）EMS電磁輻射抗干擾（BCI法）ISO11452-4電磁輻射抗干擾（ALSE法）ISO11452-2瞬態(tài)傳導抗干擾ISO7637-2瞬態(tài)耦合抗干擾ISO7637-3靜電放電抗干擾ISO10605EMC測試簡介（2）--檢波方式平均值(AV)檢波，其最大的特點是檢波器的充放電時間常數(shù)相同，特別適用于對連續(xù)波的測量。峰值(Peak)檢波，它的充電時間常數(shù)很小，即使是很窄的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值。當頻信號消失后，由于電路的放電時間常數(shù)很大，檢波的輸出可在很長一段時間內(nèi)保持在峰值上。峰值檢波所需的測試時間短，測量周期為20ms。準峰值(QP)檢波，這種檢波器的充放電時間常數(shù)介于平均值與峰值之間，在測量周期內(nèi)的檢波器輸出既與脈沖幅度有關(guān)，又與脈沖重復頻率有關(guān)。準峰值檢波所需的測試時間長，測量周期為1s。2023/10/4EMC測試簡介（3）--檢波方式2023/10/4峰值準峰值平均值準峰值平均值峰值準峰值平均值峰值準峰值平均值峰值峰值檢波無法區(qū)別平均值檢波無法區(qū)別EMC測試簡介（4）--度量單位EMC測試中輻射騷擾通常用電磁場的大小來度量，其單位為dBuV/m。dBuV表示電壓的大小，dBuV即是電壓相對于1uV的值。dB=20*Log(V1/V2)，V2默認為1uV。針對CE商規(guī)產(chǎn)品常用限值標準，40dBuV和47dBuV，對應輻射騷擾的電壓值為100uV和220uV。2023/10/4EMC整改常用器件介紹電容電感磁珠共模電感磁環(huán)壓敏電阻&TVS管2023/10/4電容----非理想特性理想電容器其阻抗為Z=1/jωC=-j/ωc=1/ωc(-90o)，其阻抗的幅度隨頻率增加線性減小，斜率為-20dB/10倍頻，而且相位角恒定為-90o。實際0603封裝陶瓷電容寄生電感為1nH左右（不同生產(chǎn)廠家略有不同，可根據(jù)可計算出其諧振頻率。實際電容器的等效線路及阻抗幅頻特性如圖所示。2023/10/4電容----實際應用有效性分析Zload>>Zcap則電容可有抑制導線上的噪聲電流，反之，電容基本不起作用。通過并聯(lián)電容來抑制噪聲電流時，一定需預測在要求頻率上的元件以及并聯(lián)路徑阻抗級別。小容量陶瓷電容在EMC整改中經(jīng)常使用。電源EMC整改中常用X、Y電容。2023/10/4zIcZcapZloadZ=Zcap||Zload電容----并聯(lián)反諧振問題兩個電容并聯(lián)時，因ESL和ESR的存在，會產(chǎn)生反諧振問題。并聯(lián)諧振點阻抗Z=（R2+L/C）/2R。可見，從減小并聯(lián)諧振峰的角度來說，ESR并非越小越好，對于電容值較小的陶瓷電容，ESR可選范圍小，基本都在幾十毫歐到一兩百毫歐。2023/10/4電感----非理想特性理想電感其阻抗為Z=jωL=ωL(90o)，其阻抗的幅度隨頻率增加線性增加，斜率為20dB/10倍頻，而且相位角恒定為90o。實際電感的等效線路及阻抗幅頻特性如圖所示。2023/10/4zf阻性感性容性2πLCpar12πLRpar電感----實際應用有效性分析電容用來轉(zhuǎn)移噪聲電流，而電感與導線或帶狀線串聯(lián)可以阻塞噪聲電流。如果在噪聲電流頻率下電感的阻抗大于從導線或帶狀線看進去的原有串聯(lián)電阻Zload，那么這將是有效的。如果Z很大，為了增加電路的凈電感以及阻塞噪聲電流將需要電感值相當大！因此，串聯(lián)電感常用于低阻抗電路中。通常，EMC整改中一般只有構(gòu)建LC濾波器時使用電感。2023/10/4InoiseIloadZloadz磁珠等效線路：為幫助理解，將磁珠等效為電感L、電阻R和寄生電容C并聯(lián)?；驹恚篨=R+jX。R代表電阻阻抗，X代表電感感抗。因采用貼片封裝，寄生電容C基本可忽略。低頻段：磁珠的阻抗由電感的感抗構(gòu)成，R很小，鐵氧體的磁導率很高，L起主要作用。電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件類似一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因而在低頻段，有時可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現(xiàn)象。2023/10/4磁珠高頻段：阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小。但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。2023/10/4磁珠磁珠主要分為三種類型：標準型、高頻型、大電流型。2023/10/4共模電感共模電感是一個以鐵氧體為磁芯共模干擾抑制器，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，對共模信號呈現(xiàn)大電感具有抑制作用，而對差模信號具體很小的漏電感，幾乎不起作用。2023/10/4共模電感共模電感原理：流過共模電流時，磁環(huán)中的磁通互相疊加，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當線圈中流過差模電流時，磁環(huán)中的磁通互相抵消，幾乎沒有電感量，差模電流無衰減的通過。2023/10/4共模電感2023/10/4磁環(huán)要充分發(fā)揮鐵氧體磁環(huán)的性能，下述注意事項十分重要：A)鐵氧體磁環(huán)的效果與電路阻抗有關(guān)：電路的阻抗越低，則鐵氧體磁環(huán)的濾波效果越好。鐵氧體材料的阻抗越大，濾波效果越好。B)電流的影響：當穿過鐵氧體的導線中流過較大的電流時，濾波器的低頻插入損耗會變小，高頻插入損耗變化不大。要避免這種情況發(fā)生，在電源線上使用時，可以將電源線與電源回流線同時穿過鐵氧體。C)鐵氧體材料的選擇：根據(jù)要抑制干擾的頻率不同，選擇不同磁導率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導率越高，低頻的阻抗越大，高頻的阻抗越小。2023/10/4磁環(huán)D)鐵氧體磁環(huán)尺寸的確定：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導線。因此，要獲得大的衰減，在鐵氧體磁環(huán)內(nèi)徑包緊導線的前提下，盡量使用體積較大的磁環(huán)。E)共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)匝數(shù)可以增加低頻的阻抗，但是由于寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤。當需要抑制的干擾頻帶較寬時，可在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。F)電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)：增加電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)，可以增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是因為寄生電容增加的緣故。2023/10/4壓敏電阻壓敏電阻----當靜電產(chǎn)生并通過I/O或金屬端子進入電子產(chǎn)品時，將瞬間產(chǎn)生的高壓電流經(jīng)由Varistor從被保護線路引開到地(Ground)。Varistor在線路板上與被保護線路并聯(lián)，當瞬間電壓超過某一數(shù)值時，Varistor便產(chǎn)生雪崩，形成超低阻抗通路，電流則通過Varistor導到地(Ground)宣泄掉，并且回路一直保持箝位電壓。當瞬間脈沖結(jié)束以后，Varistor自動回復高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。2023/10/4壓敏電阻----主要參數(shù)與選用VRMW反向峰值電壓：指通過1mA直流電流時壓敏電阻器兩端的電壓值。壓敏電阻常與被保護器件并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻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，也不應高于額定值于選擇的最大連續(xù)工作電壓。選用：稍高于并聯(lián)的線路工作電壓即可。VBR反向擊穿電壓：指在直流電流It的條件下，測得到反向電壓值，表明從此點開始器件進入反向雪崩擊穿。Vc箝位電壓：指當被保護的線路出現(xiàn)高壓電流將壓敏電阻反向擊穿時，線路兩端的電壓會被箝位在某一數(shù)值。選用：依設計而定，箝位電壓越高，壓敏電阻自身消耗的靜電能量越多；箝位電壓越低，則經(jīng)壓敏電阻渲泄掉的靜電能量越多。結(jié)電容Cj：指壓敏電阻器本身固有的電容量。選用：依設計而定。2023/10/4TVS管TVS管的應用原理、主要參數(shù)及選用與壓敏電阻基本相同。TVS管的性能更好，主要表現(xiàn)為響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓小、無損壞極限、體積小，但價格較貴。需提醒注意，不同的廠商對TVS鉗位電壓的標注方式不同，有部分廠商不會給出鉗位電壓值，而是給出Ppp最大峰值功率和Ipp最大峰值電流，Ppp=Vc*Ipp。2023/10/4壓敏電阻與TVS比較2023/10/4關(guān)鍵參數(shù)與極限值TVS壓敏電阻反應速度10-12S5x10-8S是否老化現(xiàn)象否有最高使用溫度175oC125oC反向漏電流典型值5uA200uA箝位因子<1.5<7~8密封性質(zhì)密封不透氣透氣價格較貴便宜EMC整改對策與PCB設計原則簡介濾波屏蔽PCB設計原則簡介ESD設計整改2023/10/4濾波（L-C）2023/10/4濾波（L-C）LC濾波器簡單分為三種類型，T型、L型、π型。根據(jù)使用場合的原阻抗、負載阻抗的不同，選用不同的濾波器類型。2023/10/4濾波（FB）2023/10/4屏蔽電磁屏蔽設計要點：屏蔽板要靠近受保護的物體，而且屏蔽板的接地要良好。屏蔽板形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響。屏蔽板的材料以良導體為好，對厚度無甚要求。電場屏蔽利用的是反射機理，需用良導體。磁場屏蔽利用的機理是吸收而不是反射，需用高磁導材料。2023/10/4屏蔽--孔縫設計任一頻率的電磁波的波長為：波長=波速/頻率。如知道屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強度，就可以計算屏蔽罩最大允許的縫隙的大小，當縫隙長度為波長（截止頻率）的一半時，RF開始20dB/(1/10)波長或6dB/(1/2)波長的速率衰減，通常發(fā)射頻率越高越越嚴重。如對1GHZ（波長為300mm）的輻射衰減26dB，據(jù)上述理論，則150mm的縫隙開始產(chǎn)生衰減，因此當小于150mm的縫隙時，1GHZ的輻射就會有衰減，所以對1GHZ的頻率來講，如要衰減20dB，則縫隙應小于150/10=15mm，衰減26dB，則縫隙要小于15/2=7.5mm，衰減32dB，則縫隙小于7.5/2=3.75mm。2023/10/4屏蔽--導電漆導電性涂料一般用于涂裝塑料外殼，用以降低電子設備電磁輻射，目前的導電涂料有銀系、銅系、鎳系、碳系等。銀系涂料導電性能優(yōu)異、價格昂貴，一般不適用于民用產(chǎn)品。銅系涂料導電性能優(yōu)異，但銅粉易氧化，必須加防氧化處理，使用普及率不高。鎳系涂料導電性能優(yōu)異與銅系涂料，不易于氧化且穩(wěn)定性高，是目前使用最廣泛的屏蔽涂料。碳系涂料導電性差，無法提供良好的屏蔽效果，故不適用于電磁屏蔽防干擾。2023/10/4屏蔽--導電漆（鎳系）2023/10/4PCB設計原則簡介共模干擾電壓：所有的導體都具有一定的阻抗，電流流經(jīng)地時，同樣會產(chǎn)生壓降。流經(jīng)工作地中的電流主要來自兩個方面，一是信號的回流；另一個是電源的電流需要沿工作地返回。下圖表示了典型的信號和電源共地邏輯電路PCB上共模電壓的產(chǎn)生。其中，Vnoise是電流流經(jīng)工作地時產(chǎn)生的共模噪聲電壓。2023/10/4PCB設計原則簡介輻射與干擾：PCB上的快速變化的電流回路，其作用相當于小回路天線，它會向外進行電磁場幅射。圖（a），屬于差模輻射方式。幅射的電場強度與回路中電流的大小Io、回路的面積A、電流的頻率的二次方成正比。同理，PCB上的信號回路（小回路天線）也會接收周圍快速變化的電磁場，而產(chǎn)生干擾電流。如圖（b），當出入PCB的電纜上存在共模電流時，會產(chǎn)生共模幅射。幅射的電場強度與共模電流的大小、共模電流的頻率、線的長度成正比。同時，它也會對PCB上的電路產(chǎn)生共模干擾。2023/10/4PCB設計原則簡介最小化地電感和信號回路：信號線應該盡量短，信號回路面積盡量小。對速度較高的電路應用有地平面的多層板。關(guān)鍵電路包括器件和走線，應盡量遠離板的邊緣。板的邊緣存在較強的干擾場。地平臺不分割與分割的合理應用：對于混合電路，若數(shù)字地與模擬地分割，不會出現(xiàn)或能夠很好解決信號跨越和信號回路的問題，可以采用分割。否則，建議采用“分區(qū)但不分割”的方法。即：局部和布線時嚴格區(qū)分數(shù)字與模擬區(qū)域，避免數(shù)字信號與模擬信號出現(xiàn)公共回流路徑。但地層并不分割開。避免信號跨越而形成大的信號回路。接口地保持干凈，使噪聲無法通過耦合出入系統(tǒng)出入PCB板信號，特別是通過電纜連接的信號易將噪聲耦合出入系統(tǒng)，注意保持I/O地不受到共模干擾。接口部分的電源地盡量采用平面。2023/10/4PCB設計原則簡介串擾：PCB上相鄰的印制線之間存在互感和耦合電容，當信號電壓或電流隨時間快速變化時,會對周圍的信號產(chǎn)生不可忽視的串擾。圖（a）是串擾的等效電路。圖（b）是集總參數(shù)下串擾（Crosstalk）與線間距D和印制線離地平面（參考平面）高度H之間的關(guān)系。2023/10/4PCB設計原則簡介3W原則：僅針對EMI，3W原則為最佳。實際應用中差分對設計考慮到信號完整性與阻抗設計等，建議用2W。2023/10/4PCB設計原則簡介過孔設計forEMI&SI2023/10/4PCB設計原則簡介過孔設計forESD2023/10/4PCB設計原則簡介20H原則：電源層邊緣會有高頻電流，電源層與地