讲座三：电磁兼容性分析.ppt

讲座三 电磁兼容性分析 电磁兼容性分析 讲座三 电磁兼容性分析 3.1 电磁兼容性概述 3.1.1 电磁兼容性的定义 电磁兼容（electromagnetic compatibility，emc） 电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下， 各种用电设备可以共存，并不致引起降级的一门学科。 包括以下3方面的含义： （1）电磁环境应该是给定的或可预期的； （2）设备、分系统或系统不应该产生超过标准或规范所规 定的电磁扰发射限； （3）设备、分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁 敏感性（ems）或抗扰度（immunity）限值的要求。 讲座三 电磁兼容性分析 3.1.2 电磁兼容的相关概念 设计者必须从板极设计就开始考虑抑制电磁干扰。 1、电磁骚扰 指任何可能引起装置、设备或系统性能降低，或者对 有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。 2、电磁噪声 是一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可与有用信 号叠加或组合，有时也叫做电磁环境。 3、电磁辐射 是以电磁波形式由波源发射到空间的现象或以电磁波的 形式存在于空间的现象。 讲座三 电磁兼容性分析 三个基本要素： 电磁干扰源耦合途径敏感设备 传导干扰 指通过导体传输的干扰，也称传导发射（ce） 。 辐射干扰 指通过介质以电磁场的形式传输的干扰，也称辐 射发射（re）。 （1）电磁干扰源 指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现 象。分为两类： 4、电磁干扰 指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。 讲座三 电磁兼容性分析 （3）敏感设备 指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时， 会受到伤害的人或其他生物，以及会发生电磁危害从而 导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。 （2）耦合途径 或称耦合通道，指将电磁干扰能量传输到受干扰设备 的通路或媒介。 讲座三 电磁兼容性分析 3.1.3 共模干扰和差模干扰 当今人类社会的3大污染源： 电磁污染 水污染 空气污染 其干扰以辐射和传导 两种方式传播 讲座三 电磁兼容性分析 想一想 辐射干扰和传导干扰 是怎样定义的？ 传 导 干 扰 分 为 差模 干扰 共模 干扰 讲座三 电磁兼容性分析 差模干扰 在系统两电源线（相线与中线）间产生干扰 电压，而与地线无关，差模电流从一电源线流出，由另一 电源线返回。在两导线之间传输，属于对称性干扰。 共模干扰 在每一电源线与地之间产生干扰电压，共模 电流从干扰源通过分布电容入地，沿地线传播，再经过每 一电源线返回。共模干扰在导线与地（机壳）之间传输， 属于非对称性干扰。 判断方法 ：采用电流探头。 讲座三 电磁兼容性分析 干扰电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方 式。如图。但共模电流只有转化成为差模电流后，才能对 有用信号造成干扰。 相线 零线 回线 地线 差模电流 相线 零线 回线 地线 相线 零线 回线 地线 共模电流 讲座三 电磁兼容性分析 ? ? ? 思考回答：控制差模辐射的措施有哪些？ 差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射。 计算方法：当选用小环天线产生的辐射来模拟差模辐射 时，设环电流为i，环面积为s，距离r处的电场强度可 按下式计算： e=131.6 10-16 （f2 si）（1/r）sin :测量距离与辐射平面的夹角 讲座三 电磁兼容性分析 3.1.4 电磁兼容的费用 总设计师做总体设计时把电磁兼容指标合 理分配，电路设计者合理选择元器件、设计 电路和pcb布线，就能够大大降低电磁兼容 的花费。 祝大家中午吃好玩好 哈！ 讲座三 电磁兼容性分析 3.2 电磁兼容控制技术 电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整天 规划和对抗与疏导相结合的方针。 电磁兼容控制是一项系统工程，应该在设备和系统设计、 研制、生产、使用与维护的每个阶段都给予充分的考虑和实施才 可能有效。 通常，电磁兼容控制策略与控制技术方案可分为如下几类 ： 1、传输通道抑制：具体方法有屏蔽、滤波、接地、搭线、布线 。 2、空间分离：地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电 场矢量方向控制。 3、时间分隔：时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、 被动时间分隔。 讲座三 电磁兼容性分析 4、频率管理：频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光 电传输。 5、电气隔离：变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、 dc/dc变换。 1、屏蔽技术 分为两类： 静电屏蔽 主要用于防治静电场和恒定磁场的影响。两个基 本要点：完善的屏蔽体和良好的接地。 电磁屏蔽 主要用于防治交变电场、交变磁场以及交变电磁 场的影响。 3.2 .1 传输通道抑制 讲座三 电磁兼容性分析 通常用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝 板、铝箔、钢板或导电涂层、金属镀层。 实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上取决于机箱的结 构。机箱上的接缝、开口等都会造成电磁波的泄漏。穿过机箱的 电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因之一。 2、滤波技术 基本用途：选择信号和抑制干扰。 分为两类： 信号选择滤波器 用来有效去除不需要的信号分量，同时也是 对被选择信号的幅度、相位影响最小的滤波器。 电磁干扰滤波器 能有效抑制电磁干扰。 干扰传入传出途径：电路板上的导线、电源线。 讲座三 电磁兼容性分析 3、接地技术 目的有3个方面： 1）接地使整个电路系统中的所有单元都有一个公共的参考零电 位，保证电路系统能稳定的工作。 2）防止外界电磁场的干扰。 3）保证安全工作。 分为四类： 1）单点接地 适用于工作频率低（30mhz)的电路系统。 3）混合接地 适用于工作频率介于1-30mhz的电路。 4）浮地 即地与大地无导体连接。优点：不受大地电性能影响 ； 缺点：易受到寄生电容的影响。 讲座三 电磁兼容性分析 4、搭接技术 指两个金属物体之间通过机械或化学方法实现结构 连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过 程。 5、布线技术 布线的方式有两种：自动布线和交互式布线。 在自动布线前，可以用交互式布线预先对要求比较严 格的线进行布线。输入端与输出端的边线应避免相邻 平行，以免产生反射干扰。两相邻层的布线要互相垂 直。 讲座三 电磁兼容性分析 3.2 .2 空间分离 是对空间辐射干扰和感应耦合干扰的有效控制方法 。 方法：通过加大干扰源和接收设备之间的空间距离 ，使干扰电磁场在到达接收设备时的强度衰减到最 小，从而能够抑制干扰。 典型应用：系统布局时把易互相干扰的设备安排的 远一些；限制布线时平行线的最小距离；pcb布线 规则中规定最小的线间距等。 讲座三 电磁兼容性分析 方法：让有用信号在干扰信号停止发射的时间内传输； 或当强干扰信号发射时，短时关闭易受干扰的敏感设备 ，以避免遭受伤害。 分类： 主动时间间隔 适用于能确定有用信号与干扰信号出现时 间先后的情况。 被动时间间隔 适用与有用信号与干扰信号出现时间都是 不确定的情况。 举例:飞机雷达。 3.2 .3 时间分离 讲座三 电磁兼容性分析 3.2 .4 频率管理 方法有: 频率管制 滤 波 光电传输 频率调制 数字传输 讲座三 电磁兼容性分析 3.2 .5 电气隔离 常见的电气隔离耦合原理有: 机械耦合 电磁耦合 光电耦合 dc/dc变换 讲座三 电磁兼容性分析 3.3 电磁兼容控制技术在ic封装中的应用 一般来说，系统级的emi（电磁骚扰发射）控制技术主要包 括以下3方面： 1、电路封闭在一个法拉第盒中来实现emi屏蔽； 2、电路板或系统的i/o端口上采取滤波和衰减技术来实现； 3、将电路的电场和磁场严格屏蔽，或者在电路板上采取适当 的设计技术严格控制pcb走线及电路板层的电容和电感，从 而改善emi性能。 讲座三 电磁兼容性分析 一般来说，控制技术越接近emi源，实现emi控制所 需的成本就越小。集成电路的某些特征，如封装类 型、芯片工艺都对电磁干扰有很大影响： 1、emi的来源 输出端产生的方波信号 电源总线中的瞬变电压 2、ic封装在电磁干扰控制中的作用 集成电路设计中，一个常用的ic封装通常是由硅基芯片、一 个小型的内部pcb和焊盘共同构成。 讲座三 电磁兼容性分析 3.4 印制电路板中的电磁兼容问题 从电磁兼容的角度出发，分析印制电路板通常要考虑 3个基本问题： 1、保证信号在板上可靠的传输，确保信号的完整性； 2、抑制电磁干扰（emi）的传播； 3、加强防护以防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障。 讲座三 电磁兼容性分析 3.4.1 信号完整性 指信号在信号线上的质量。 具有良好的信号完整性的信号，是指在需要的时刻，信号能 达到所必需的电压电平数值。 通常，pcb上的信号完整性问题主要包括以下几个方面： 1）时延 源于信号在pcb板的导线上以有限的速度传输，信 号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。 2）反射噪声 源于信号线网的阻抗失配、分岔、过孔弯曲及 其他阻抗不连续性。 讲座三 电磁兼容性分析 3）串扰噪声 源于信号线网之间、信号系统和电源分 布系统之间、过孔之间的电磁耦合。 4）瞬变电流噪声 源于由过孔、电源/地层的分割导 致的回流路径的不连续及瞬间电流，特别当多个驱动 同时翻转时在电源/地层上产生的电压波动。 讲座三 电磁兼容性分析 3.4.2 减小传导发射和辐射发射 电磁干扰 辐射干扰 传导干扰 差模干扰 共模干扰 :由闭合环路中的电 流引起。 :由寄生效应引起。 讲座三 电磁兼容性分析 3.5 印制电路板中的电磁兼容设计 印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它 提供电路元件和器件之间的电气连接，是所有电子设备最基 本的组成部分，其性能直接关系到电子设备质量的好坏。随 着信息化社会的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们 之间的干扰越来越严重，因此电磁兼容问题也就成为一个电 子系统能否正常工作的关键。 一般而言，要使印制电路板获得最佳性能，需要考虑 的方面如下:元器件选择、元器件布局、布线、地线设计、 模数混合电路板设计和pcb设计时的电路措施等。 讲座三 电磁兼容性分析 3.5.1 印制电路板的元器件选择 1、元件组 有引脚元件 无引脚元件 高频时会形成小电感，引脚末端有电容效应 。 表面贴装的元件，寄生效果小。 （1）电阻 对于有引脚电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是 绕线电阻。 （2）电容 电容形式一般是铝、钽（tan）电解电容和陶瓷电容。 讲座三 电磁兼容性分析 铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端； 陶瓷电容适合于中频范围； 特殊的低损耗陶瓷电容和云母电容适合于甚高频电路和微 波电路的应用。 （3）电感 两种类型 ： 开环电感磁场穿过空气，将引起辐射并带来电磁干扰问题。 闭环电感 磁场控制在磁心，能自行消除所以外来附带场的辐 射。 讲座三 电磁兼容性分析 （4）二极管 有助于解决并防止与emc相关的一些问题。如噪声抑制二极管、 瞬态电压抑制二极管。 2、集成电路 （1）ic的封装 应首选表贴元件。 （2）线路终端 对于高速电路来说，源和负载阻抗的匹配非常重要，因为阻抗失 配会导致信号的反射和振铃。 实际的设计过冲中，有很多种信号端接的方法。见下表。 讲座三 电磁兼容性分析 端接类 型 相对成 本 增加延 迟 功率需 求 特性 串联低是低好的dc噪声余量 并联低小高 功率消耗是一个问 题 rc中小中 阻碍带宽同时增加 容性 戴维南中小高 对cmos需要高功 率 二极管高小低 限制过冲：二极管 振铃 3、微控制电路 讲座三 电磁兼容性分析 3.5.2 印制电路板的元器件布局 布局的方式分两种：一种是交互式布局，另一种是自动布局。 布局时要综合考虑如下两方面： （1）考虑整体美观 （2）布局的检查 低速电路 中速电路 高速电路 印制电路板元器件布置如图所示： 讲座三 电磁兼容性分析 1、特殊元件的布局规则 1）应该尽可能的缩短高频元器件之间的连线，同时设法减少分 布参数和相互间的电磁干扰。 2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，因此应加大它 们之间的距离，避免放电时引起意外短路。 3）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。 4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调 元件的布局，应考虑整机的结构要求。 5）应留出pcb定位孔和固定支架所占用的位置。 讲座三 电磁兼容性分析 2、按照功能单元进行的布局规则 1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，应该使相应 的布局便于信号的传输，同时尽可能使信号保持方向一致。 2）布局应该以每个功能电路的核心元件为中心。 3）对于工作于高频的电路，应考虑元器件间的分布参数。 4）元器件离电路板边缘一般不小于2mm；电路板的最佳形状为 矩形，长宽比为3：2或4：3.电路板面尺寸大于200mmx150mm 时，布局应考虑电路板所受的机械强度。 讲座三 电磁兼容性分析 3、元件的通用布局规则 1）低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线 。 2）将低电平的模拟电路和数字电路分开。 3）高、中、低速逻辑电路在pcb上要用不同区域。 4）安排电路时要使得信号线长度最小。 5）电磁干扰滤波器要尽可能靠近emi源，并放在同一块线路板上 。 6）dc/dc变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置。 7）尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容。 8）pcb按频率和电流开关特性分区。 9）保证不能有过长的平行信号线。 10）对噪声敏感的布线不要与大电流，高速开关线平行。 讲座三 电磁兼容性分析 3.5.3 印制电路板的布线 1、印制电路板的基本特性 避免pcb布线分布参数影响而应该遵循的一般要求： 1）增大走线的间距以减少电容耦合的串扰。 2）平行地布电源层和地层以使pcb电容达到最大。 3）将敏感走线和高频走线布在远离高噪声电源线。 4）加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。 2、分割 3、布线分离 4、保护与分流线路 讲座三 电磁兼容性分析 5、射频电流和电源线 6、局部电源和ic间的去耦 7、布线技术 8、pcb布线的通用规则 1）尽量选用