下午产品设计和整改医用电气设备电磁兼容沙.ppt

（三）滤波设计,滤波技术的基本概念,用于切断沿导线传播的传导骚扰。EMI滤波器多为低通滤波器插入损耗定义：信号源不接滤波器直接加在负载上的电压和信号源通过滤波器后加在负载上的电压之比。,滤波技术的分类,反射式滤波器-LC低通滤波器安装在电源线、信号线和控制线端口，滤除频率较高的共模骚扰（线地间骚扰）和差模骚扰（线线间的骚扰）。吸收式滤波器-铁氧体磁环在高频时呈现电阻性，套在整个连接线上能消耗高频共模骚扰的能量。,反射式滤波器,电容滤波器穿心电容电感滤波器共模扼流圈,电源滤波器,Ll和L2：几十毫亨，C1：0.0470.22微法X电容，L3和L4：几毫亨，C2和C3：几纳法Y电容。,滤波器的选择,功率配合设备的功率；插入损耗静态和动态，频率范围；漏电流-IEC435（CO）14规定：I类安全设备漏电流小于3.5mA，II类应小于0.25mA。阻抗,分布参数对插入损耗的影响,高频时电容器是电容C和分布电感的串联电路，电感器是电感L和分布电容的并联电路。,电源滤波器的使用,电源滤波器的正确安装,滤波器的安装直接影响到滤波性能。滤波器应该安装在机箱入口处。金属外壳和屏蔽机箱紧密搭接，搭接面积越大越好，以保证良好的低阻抗接地通道。滤波器的输入和输出线要最大限度地相互隔离，不能靠近和平行走线。滤波器的输入线贴近机箱边缘布设，远离其他信号线。,吸收式铁氧体滤波器及其等效电路,抑制原理和注意事项,铁氧体磁环在高频时呈电阻性，所以能消耗高频共模电流。铁氧体磁环不适合用于大电流的差模滤波。共模电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。磁环的内径要与导线的粗细相匹配。铁氧体磁环是否起作用取决于共模天线的阻抗。,带共模去耦器的插座,如有可能信号线最好直接采用带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器，但这种插座价格较贵。,四、屏蔽设计,屏蔽的基本概念,切断辐射电磁噪声沿着空间的传输途径。用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。主动屏蔽-屏蔽噪声源，防止噪声源向外辐射场。被动屏蔽-屏蔽敏感设备，防止敏感设备受噪声辐射场的干扰。,屏蔽的种类和屏蔽效能,近场/2，电磁场屏蔽。屏蔽效能：SEE=SEH=SE,近场的电场屏蔽,静电场的屏蔽,近场的电场屏蔽,交变电场的屏蔽电场屏蔽只要把任何很薄的金属体接地就能达到良好的效果。,近场的磁场屏蔽,高频磁场屏蔽-采用薄的金属良导体。,近场的磁场屏蔽,低频磁场屏蔽-采用高磁导率的铁磁性材料例如铁、硅钢片、坡莫合金等（100KHz)。,远场的电磁场屏蔽,电磁场屏蔽可同时屏蔽电场和磁场，采用薄的金属导体材料。空间电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减，从而起到屏蔽作用。吸收损耗,反射损耗总屏蔽效能=吸收损耗+反射损耗,屏蔽效能的决定性因素,机箱的屏蔽效能由孔缝直径决定，机箱孔缝等效于二次发射天线。孔缝长度等于半波长的整数倍时，漏泄能量最大。对于固定的孔缝长度，频率越高，泄漏越严重。,机箱屏蔽,设计中使缝隙尺寸满足要求:商用设备：d共模源不对称电场天线。,骚扰设备的等效电场天线的共模电流辐射,任何二点间有电位差就是共模源，如果二点有引线出去就是共模天线。当频率达到MHz级时nH的分布电感和pF级的分布电容都将对共模辐射产生重要影响。设备的共模天线的一极往往是印刷板的地和机箱，另一极是连接电缆中的地线；由于线间电容之间的耦合，整条电缆上都污染上了共模电流。连接电缆上的共模电流辐射往往是造成设备辐射超标的主要原因，机箱无法屏蔽。,2、电压驱动模式：信号电压架空金属对地的电位差（共模源）耦合电容C不对称电场天线。,PCB板的电磁兼容设计步骤,板和层的选择元器件的选取元器件的位置连接器引脚的安排布置地线布置电源线安排高速信号线安排低速信号线,板和层的选择,单面板和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路，多层板适用于高密度布线和集成度高的电路，从电磁兼容的角度看单面板和双面板不适宜高速数字电路，只能采用多层印制板。选用多层板时，确定层数和各层的用途。,确定层数和各层的用途：#电源平面和地平面尽量靠近，以增加层间电容，可作为电源的滤波电容的一部份，同时大大减小了电源的分布阻抗，从而减小了公电源线阻抗耦合干扰。#布线层应尽量安排与地层相邻，以使信号环路面积降至最小从而有效减小差模辐射。元器件的选取应有利于实现电磁兼容，例如：#选用表面贴装式芯片，以减小引线脚分布参数的影响，#选择芯片时在满足产品技术指标的前提下，尽量选用低速时钟。#选用高频电容、无感电阻。,元器件的位置,首先应对板上的元器件分组，目的是对板上的空间进行分割，同组的放在一起，以便在空间上保证各组的元器件不致于相互干扰。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。大致上以信号流的方向按组布置。不相容的器件要分开布置，例如敏感器件则应远离时钟发生器等等。,输入输出芯片要位于接近连接器出口处，以免I/O信号在板上长距离走线，耦合上干扰信号。高速数字器件（频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件）应安排在远离连接器。,连接器引脚的安排,引脚应根据元器件在板上的位置确定。不相容的引脚要分开布置。各类电源引脚和数字、模拟信号线引脚都应配置相应的地引脚。,布置地线,加粗回流地线，在采用多层板时可专门设置地线面，目的是减小回流线的阻抗，从而减小共地线阻抗耦合干扰。分设回流地，即根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路分别设置地线。在多层印制板的地线层上用“划沟架桥”的方法来分地。桥应该有足够的宽度。目的也是减小共地线阻抗耦合干扰。,多层板的信号层上的高速信号轨线不能横跨地线层上的沟，避免数字信号回流绕沟而行，扩大环路面积，增加差模辐射。A/D变换器芯片如只有一个地线引脚，则该芯片应安放在连接模拟地和数字地的桥上，避免数字信号回流绕沟而行。,连接器不要跨装在地线沟上，因为沟两边的地电位可能差别较大，从而通过外接电缆产生共模辐射骚扰。高频时，双面板的梳状地线结构应该为井字形网状结构。目的是减小信号环路面积，从而减小差模电流辐射。,专用EMC地供去耦电容接地,布置电源线,电源供电线由于给板上的数字逻辑器件供电，线路中存在着瞬态变化的供电电流，因此将向空间辐射电磁骚扰；供电线路电感又将引起共阻抗耦合干扰。双面板上采用轨线对供电，轨线对应尽可能粗，而且相互靠近。供电环路面积应减小到最低程度，不同电源的供电环路不要相互重叠。,多层板的供电有专用的电源层和地线层，面积大，间距小，特性阻抗可小于。二层之间的电容也参与去耦，主要针对频率较高的频段。供电线路应加滤波器和去耦电容。在板的电源引入端使用大容量的电解电容10F100F作低频滤波，再并联一只0.010.1F的陶瓷电容作高频滤波。板上集成片的电源引脚和地线引脚之间应加0.01F的陶瓷电容进行去耦，去耦电容应贴近集成片安装，连接线应尽量短，使去耦回路的面积尽可能减小。,去耦电容的作用和选择,提供高频通路，同时提高EMI和EMS性能。式中I为门电路开启时所需瞬时电流最大值；dv为电容器上允许的电压跌落；dt为门电路开启所需时间，一般为脉冲上升时间。,大小电容并联作去耦时，大的滤低频，小的滤高频。尽量减小去耦环路面积可减小分布电感。采用三脚电容、小型电源母线等新器件。,信号线的布置,先布高速线，后布低速线。减小信号环路面积，信号环路不应重叠。这对于高速度、大电流的信号环路尤为重要。在单层和双层板上，信号线及其回流线应该紧靠在一起布置，最好是每条信号线都有自己的回流线，否则容易产生信号环路的重叠。,高速信号线要尽可能的短，以免干扰其他信号线。在双面板上，必要时可在高速信号线两边加隔离地线。多层板上所有高速时钟线都应根据时钟线的长短，采用相应的屏蔽措施。,信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排。一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域。不相容的信号线（数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等）应相互远离，不要平行走线。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直。这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰。输入输出轨线在连接器端口处应加高频去耦电容，去除高频时钟频率及其谐波。,高速信号线应考虑阻抗匹配问题，即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等物理因素有关，是信号线的固有特性。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。通常信号线的负载是芯片，基本稳定。造成不匹配的原因主要是信号线走线过程中本身的特性阻抗的变化，例如走线的宽窄不一，走线拐弯，经过过孔等。所以布线时应采取措施，使得信号线全程走线的特性阻抗保持不变。,高速信号线布置在同一层上，不经过过孔。一般数字信号线应避免穿过二个以上的过孔。信号线拐90度直角会产生特性阻抗变化，所以拐角处应设计成弧形或轨线的外侧用两个45度角连接。信号线不要离印制板边缘太近，留有的宽度应至少大于轨线层和地线层的距离（约为0.15mm）否则会引起特性阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射。时钟发生器如有多个负载，则扇出不能用树型结构走线，而应用蜘蛛网型结构走线，即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。,（六）设备和系统的EMC综合设计,电磁兼容设计的目的,元器件,电路,设备,系统,降低骚扰发射水平、切断传输途径、提高抗扰度。四个阶段都必须实现互不干扰，正常工作，达到电磁兼容。系统的电磁兼容要求应逐层向下分解，提出各阶段的电磁兼容要求。电磁兼容标准是设计和认证的依据。,EMC设计的基本思想,干扰抑制要采取综合整治的方法，层层设防，才能达到预期效果。实际上在设计中采用正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。兼容的观点就是既要对噪声源进行抑制，又要提高敏感设备的抗干扰能力，不能单纯的强调一个侧面。如果无限制的对某个侧面提出过高要求，则可能导致人力、物力和时间上的浪费，有时甚至是难以实现的，应该站在整个系统的立场上在系统的组织设计初期就考虑电磁兼容问题，并在设备制造、现场施工及使用维护中加以实施，这样才能确保整个系统的正常运转。,设计前的必要准备,调查产品（设备和系统）周围的电磁环境；调查产品（设备和系统）内强骚扰源（例如强电部分，振荡源等）、易敏感设备（例如弱电部分、传感器等），作为设计中要注意的重点。根据标准和用户要求制订设备和系统的发射限值和抗扰度指标。,EMC设计方法,问题补救法：费时费力，不能从根本上解决问题；EMC设计：在产品（设备和系统）开发的最初阶段进行。EMC设计应从两方面着手考虑：1、产品（设备和系统）与外界的连接界面，包括机箱；电源线、控制线、信号线等连接线的端口；2、产品（设备和系统）结构的设计与布置，包括印制电路板设计，各部件的电磁兼容设计，以及相互连接线的布置等等。,设备和系统的EMC抑制措施,设备的抗干扰措施和抑制设备的电磁发射措施往往是互易的。正确的屏蔽、滤波、接地、平衡、隔离措施起到的作用是双向的。正确的电路设计和布线，使设备内的骚扰能量减少了向外的发射也减弱了设备对骚扰的接收。,共电源线阻抗耦合的解决办法1、去耦电容2、减少供电线路阻抗3、电源滤波器-设备供电端口加滤波器。4、不相容电路和设备各自供电。共地线阻抗耦合的解决办法1、分地（回流地）2、减小地线的阻抗,地环路干扰的解决办法1、采用平衡电路2、隔离变压器3、共模扼流圈4、光电耦合器5、光纤传输,磁场天线差模电流辐射的解决办法1、尽量减小环路面积。2、尽量减小有用信号(模拟、数字）的高次谐波成分,去除电磁噪声。3、采取屏蔽方法。电场天线共模电流辐射的解决办法1、使用铁氧体磁环2、共模去耦电容3、共模电源滤波器4、采用屏蔽电缆、屏敝连接器5、改进产品内部结构的设计与布置,1、端口设计,提高机箱的屏蔽效能，在连接线端口设置滤波器，采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰。雷电多发区和有强电设备的工业场所，应在连接线端口设置防雷器和浪涌抑制器，如果信号线传输的信号速率较高，串接滤波器可能把有用的信号的高频部分也滤掉，这时就只能采用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。,隔离技术在传输线上插入隔离变压器或光电耦合器，它们只能传输有用的差模信号，不能传输共模信号，用于切断地环路干扰光电耦合器重量轻、体积小，响应速度快，又可传输直流和低频信号，因此，已广泛应用于数字信号的传输中。,平衡传输技术-设备之间的信号传输从不平衡方式改变为平衡传输方式并与隔离技术结合，可进一步抑制地环路干扰。具体作法可以是传输线中的两条线都不接地，对地平衡，发送端和接收端都采用平衡差分电路，这样两条线上的共模电流对地是平衡的，因此在负载端不能转变成差模电压而干扰设备的正常工作。,地环路干扰的抑制,采用平衡电路隔离变压器共模扼流圈光电耦合器光纤传输RS-422100Mb/s100m,2、产品内部结构的设计与布置,印制电路板设计各部件和电路的安排相互连接线的布置电源接地,不相容的电路应远离。不相容的信号线不要平行走线。更不能绑扎在一起。,不相容电路和设备各自供电,例：开关电源的EMC设计,环路1和2差模辐射和传导；V5通过分布电容Ci和Cd产生的共模辐射；V5和V6上的反向浪涌；脉冲变压器漏磁。,开关电源的骚扰抑制方法,减小分布电容Ci和Cd；V5和V6上加吸收回路；,触发脉冲的防干扰输入电路,采用屏蔽措施：#脉冲变压器做磁屏蔽防止磁场漏泄。#整个开关电源可用多孔金属壳屏蔽起来，引线处使用穿心电容，接缝处焊接，或用螺丝固定，注意螺丝间距要短。,开关电源的输入输出端加共模和差模滤波器；合理布置元器件，（A是输入端整流器，B是辘入端滤波电容（电解电容器）,C是脉冲变压器，D是开关管。E是愉出端整流二极管，F是辙出端滤波电容器，G是交流输人端滤波器）。,布线时应注意：#尽量减小高频环路的面积，各个环路互不靠近或重迭，缩短高频信号线。#不要把开关电源的输入交流电源线和输出直流电源线靠在一起，更不能捆扎在一起。#输出直流电源线最好用双绞线，至少应紧靠在一起走线。#开关电源的输入输出电源线应尽可能远离电路中的信号线。,例：汽车控制盒的EMC设计,（七）测试不合格的诊断流程与整改措施,(七）1.测试不合格的诊断分析,辐射发射不合格的诊断,判断不合格的主要原因：磁场天线？电场天线？大致位置？插拔电源线或电缆线法电流钳法磁场探头法电场探头法电场扫描仪,传导发射不合格的诊断,电流判断法例如用电流钳套在单根电源线上，观测电源的电流波形。电压判断法例如用示波器的探头接在电源的高、低电位端，观测电源的电压波形。如电源电压较高，可用高压探头。,抗扰度不合格的诊断,查找：问题出现点到骚扰施加点的骚扰传输途径。应注意：1、有时问题出现点不一定是故障发生点，而是故障发生后出现的衍生问题。2、骚扰传输途径不等同于工作信号的途径。使用：模拟源、电压探头、电流探头、电场探头、磁场探头、电流钳、匹配网络、示波器、频谱仪。,（七）2、测试中常见测试频谱超标的定位,确定频谱上的超标频率：属于那种信号？由电路哪一部分发出？测量骚扰波形，与工作电路的波形比较。超标频率很可能不是工作信号的主频率，而是工作信号的谐波，或是其他的杂波。超标频率包含的能量不一定比其他频率强，但更满足发射条件，更容易发射。采取措施后原有的超标频率压下了，但别的频率可能冒出来超标了。,例：DC-AC逆变器的干扰,DC-AC逆变器，输入300V以上直流，输出三相10KHz的PWM调制波，功率100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。,逆变器的磁场辐射,（七）3、测试不合格的整改措施,辐射发射或抗扰度不合格的整改,1、磁场天线改善机箱屏蔽；非金属机箱则改善PCB板和电路的设计。（详见“减小磁场天线差模电流辐射的措施”)2、电场天线电缆上加铁氧体磁环；端口加滤波和去耦电路；采用屏蔽电缆和连接器；改进产品内部结构的设计与布置。(详见“电场天线共模电流辐射的抑制方法”),传导发射或抗扰度不合格的整改,1.电源端口加滤波器，注意选择合适的滤波器和正确的安装方法。(详见“电源滤波器”)2.改善开关电源的设计。(详见“开关电源的骚扰抑制方法”)3.信号线上传导骚扰的抑制方法同“电场天线”，但应选择频率较低的抑制器件。4.注意被测线是否和其他强干扰线贴近？,电快速瞬变脉冲群的抑制,采用地环路干扰的抑制方法：采用平衡电路隔离变压器共模扼流圈光电耦合器光纤传输,抑制浪涌和雷电干扰的原则,雷电具有很大的能量，首先应考虑避免雷击，或者使雷电的能量能以适当的方式安全泄放，以保障人身安全和设备不被烧毁。由于雷电脉冲包含高频成份，能量已被抑制在安全线以下的雷电波进入设备后，仍有可能对电路产生干扰，因此应对设备进行良好的电磁兼容设计。,浪涌抑制器件,系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲，对此我们必须采用适当的浪涌抑制器件。常用的浪涌抑制器件有气体放电管、硅雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻和固态瞬变电压抑制器SSTVS,气体放电管,响应时间约为100ns，有残留尖峰。优点是能承受很高的冲击电流，大于20kA，几十微秒。缺点是放电时呈短路状态，浪涌过后仍延续一段时间，直到电源下半周才恢复，这对内部电路的正常工作是不利的。只能用在交流电源上，如用在直流电源上则放电后可能无法恢复。使用时最好串联一个限制后续电流的电阻。,硅雪崩二极管,原理是电压钳位，响应时间小于1ns。优点：与放电短路方式相比，浪涌抑制过程中输人电源端不会短路，因此不会影响内部电路；同时响应速度快，残留尖峰很小，抑制效果好；浪涌过后即自行恢复，没有延迟时间；交直流电源都能运用。缺点：承受尖峰电流能力比放电管差。,金属氧化物压敏电阻,原理是电压钳位，响应时间小于50ns，稍慢于硅雪崩二极管，但峰值电流承受能力和能量级别比二极管高。,固体瞬变电压抑制器SSTVS,吸收了气体放电管和硅雪崩二极管的优点。浪涌侵入，超过规定电压时抑制器首先起钳位作用，象雪崩二极管一样，防止浪涌的快速上升边沿损坏内部电路，响应时间约几个纳秒。然后就象气体放电管一样短路，把浪涌中的能量泄放掉，直至泄放电流低于维持电流，抑制器恢复阻断状态。其体积很小，可以在印制电路板上表面安装，但承受电流能力还达不到气体放电管的水平,雷电保护电路的混合形式,气体放电管安排在最前面，硅雪崩二极管或金属氧化物压敏电阻安排在后面，中间用电阻或电感隔离。当浪涌侵人时，因为二极管响应速度快，可先对浪涌的快速上升沿进行钳位，大量的能量则通过放电管泄放为了防止放电管因为后级的钳位而达不到其放电起始电压，所以利用电阻或电感来隔离。,静电放电ESD,静电放电抗扰度试脸,接触放电：对EUT的导电表面放电；空气放电：对EUT的孔、缝和绝缘面放电；直接放电：直接对EUT放电；间接放电：对EUT周围的垂直和水平耦合板放电。,ESD的干扰方式,传导和辐射传导方式：人手触摸印制板上的轨线、管脚、设备的I/O接口端子、同轴插座的芯线等等，使静电放电电流直接流入设备内的电路，造成干扰。,传导干扰举例,人体电阻R=500人体电容C=300pF静电电压U=10KV静电能量WE=15mJIC输入电阻Ri=5K数字信号幅度3.5V宽度4ns数字信号能量Ws=9.8x10-9mJ显然静电能量WE数字信号能量Ws，集成片肯定会产生误动作，严重的还会损坏芯片。,辐射干扰举例,金属机壳内有PCB板，PCB与机壳有连接线1，分布电感为L1。机壳有接地线2，分布电感为L2。分以下情况讨论：,1、金属机壳无孔缝，无连接线1，有接