2006电磁兼容性设计.doc

电磁兼容性（EMC）设计需要考虑的问题0、引言 在前几年前，大多数设计者根本没必要担心电磁兼容性问题。而今天，每位要把产品推向全球市场的设计者都必须考虑这个问题。这主要有以下两个原因：l 电磁环境越来越差。 l 电子电路越来越敏感。 在设计者看来，电磁兼容性（EMC）现象必须从两个不同方面进行考虑： l 环境可能如何影响设计（免疫性）。 l 设计可能如何影响环境（发射）。 传统上，政府仅有的规定都是关于发射方面的：一台电子设备不能发出超过一定数量的无线电频率能量，以避免干扰其它电子设备的无线电通讯或工作。全世界大多数国家在这个问题上都有自己的规定。 1、处理电磁兼容性（EMC）现象 对于大部分工程师来说，电磁兼容设计还是一个比较崭新的课题。在欧洲引进电磁兼容性（EMC）指令以前，某个公司可能制造、销售自己的产品，而不用对电磁兼容性（EMC）问题过分关注。只要该产品与预想的要求一样起作用，而且不影响广播电台，那么一切基本上都很好。 从1992年这个指令生效开始到1995年其成为必要条件，这3年转变期间，这方面没有多大改变。许多公司是直到别无选择时，才有了实质性的工作。在那时候，唯一的选择就是艰难而昂贵的方法：拿某个现存的产品为例，它的设计也许根本就没有考虑电磁兼容性（EMC）；我们试图给它添加必要的过滤器、保护器、屏蔽或其它手段，使它符合电磁兼容性（EMC），这可能是最糟糕的方法，因为费用高且结果通常也很差。设计新产品时，从最开始就考虑电磁兼容性（EMC）是非常重要的。在那时候，所有的低花费解决方案都可以使用。好的印刷电路板（PCB）布局比差的布局在生产上并不会花费更多，但是要修理差的布局，费用可能会很高。设计者可能犯的最高代价错误是：相信可以在其它的一切事情完成后，再对电磁兼容性（EMC）进行处理。使用何种方法，始终决定于预计系统费用和生产数量。对于生产数量少的系统，最好的解决方法可能是使用昂贵的部件和系统解决减少设计时间。对于大生产量、低费用的应用，则可能最好在设计上花费更多时间和资源，来降低最终产品的总体费用。2、设计规则 2.1 确定噪音源 很重要的一条通用规则为，所有类型的噪音都尽可能靠近源而又尽可能远离电路敏感部分处进行解决。这当然意味着确定这些噪音源是非常重要的。2.2 发射的噪音 在许多微控制器系统中，微控制器是唯一的快速数字电路。在这样的系统中，最重要的内部噪音源是微控制顺本身，用于阻止产生和发射RF（发射）的资源最好靠近微控制器。这样将减少到达I/0电缆和系统其它可能作为发射天线的部分的RF能量。2.3 接收的噪音 接收的噪音的来源通常在系统外面，因此系统设计者对此力所不能及。环境客观存在，系统设计者对付噪音的第一可能性在于系统输入和电源线。对于自带专用电缆的系统，甚至可能从电缆本身开始。这方面很好的一个例子就是计算机的监视器，在监视器上你经常可以看到在连接到计算机的视频图形阵列（VGA）插头附近放置了一个过滤器。对于其它系统，第一可能性在于I/O接头。对于手持的、电池供电的没有任何电缆的应用，这就不适用，但这个问题同样也更小。如果能够根本阻止外部噪音进入系统，将不会存在免疫问题。2.4 接的路线 避免噪音问题的最好方法是首先不产生噪音，但这通常并不可行。大多数类型的噪音是系统的其它部分预期行为的副作用，因此不能避免。所有电流，不管是交流还是直流、高功率还是低功率、信号还是噪音，总是试图找到最容易接地的路线。在许多电磁兼容性（EMC）设计技术背后的基本思想是控制所有信号接地的路线，并保证这条路线远离可能受到干扰的信号和电路。对于发射的噪音，这意味着保证在噪音离开系统以前，将找到接地路线。对于接收的噪音这意味着保证在噪音到达系统的敏感部分以前，将找到接地路线。2.5 系统区 一次处理所有EMC问题是一项非常复杂的任务。因此把系统分成更小的分系统或区，分别进行处理，这是一个好主意。在某些情况中，区可以仅仅是印刷电路板（PCB）的不同区域。重要的是控制某个区内发生的事情，以及这些区如何相互影响。对于每个区，设计者应该知道这个区可能发出什么样的噪音。进出一个区的所有线可能需要某种过滤器。知道噪音可能如何从一个区辐射到另一个区也很重要。对于发出很大噪音的和（或）非常敏感电路的本地屏蔽可能是必要的。切分系统可以以下面两种方法或联合使用它们来进行：这些区可以彼此远离来放置，把产生噪音的电路与敏感的电路分开。 这些区可以放在彼此的内部。进出最内部区的噪音必须通过若干层的过滤器和（或）屏蔽。总的噪音降低将比用一层所接收的更有效。 2.6 RF抗扰性 长的I/O和电源电缆通常可以充当很好的天线，把外部世界的噪音收集起来，传入系统。对于没有屏蔽的系统，长的印刷电路板（PCB）电路路径也可以充当天线。一旦进入系统内，这个噪音就可以耦合到其它更敏感的信号线中。因此允许进入系统的RF能量保持尽可能很低是非常重要的，即便是输入线路本身没有连接到任何敏感电路也是如此。这可以通过增加下列的一个或者多个元件来进行： 串接电感和铁氧体小珠将降低到达微控制器引脚的高频（HF）噪音量。它们将使高频（HF）具有高阻抗，而使低频率信号具有低阻抗。 输临线路中的去耦合电容器将把HF（等价串联电阻）。这比高电容值更重要。电容器与电阻器或电感器结合，将形成低通过滤器。如果系统被屏蔽，电容器应该直接连接到屏蔽上。这将根本阻止噪音进入系统。也有专门设计用于此目的的馈通电容器，但可能会很昂贵。 现在许多厂家都提供在同一封装内结合电感器和电容器的专用电磁兼容性(EMC)过滤器，它们形状多样，部件值也多样。 2.7 ESD和瞬变 处理ESD通常都相当简单：确保用户不能触及到系统的敏感部分。在大多数情况下，这由设备外壳负责，只有离开系统的I/O引脚才需要特殊注意。然而，ESD放电可能在附近的线路上引发电流，在这些部件上引起信号的不正确值。 记住，ESD脉冲和其它类型的瞬变都是非常高频的现象，杂散电容和电感对它们的表现有着很重要的影响。一条线中的瞬变可能会影响到附近其它信号的表现。重要的是确保最有效的接地路线不会影响系统。例如，如果ESD脉冲最有效的接地路线是沿着I/O线路，到达微控制器引脚，通过ESD保护二极管，然后接地，那么逻辑高输入可能被读作低输入。如果系统软件对此不能处理（通常会是这样的），那么系统要求能创建受控接地线的某种硬件。当然，上面列出的RF过滤器也对ESD和瞬变起作用，在某些情况下，这可能也就足够了。但是把4KV的峰值降低到4V，需要一个非常强大的过滤器。这可以通过大型串联电阻器进行，但这并不总是个好的选择。输入线路上的大型串联电阻器将增加上述连接地线的阻抗。过压保护器是一种更好的解决方案。这样的保护器有许多类型，它们大部分都充当快速齐纳二极管。只要I/O线路电压在指定的限制内，它们将有很高的接地阻抗，但是当电压太高时，将转换到很低的阻抗值。这样，瞬变就被很有效地短接到地。 3、电源、电源布线和去耦电容器 微控制器产品的EMC问题最普通的原因之一就是电源不够好。电源的正确和足够的去耦对于稳定的微控制器表现，以及对于最大程度减少设备发出的噪音都是非常关键的。看到AVR微控制器的数据表，人们可能被愚弄，以至于相信电源不重要。设备具有很宽的电压范围，并且只吸收几毫安电源电流。但是，就像所有的数字电路，电源电流是一个平均值。该电流在时钟边缘上以很短的峰值被拉制，而且如果I/O端口线路转换，峰值甚至会更高。如果一个I/O端口的所有8条I/O线路同时变化，电源线上的电流脉冲可能有几百mA。如果I/O线中没有加载，脉冲将只有几毫微秒(ns)。这种电流峰值不可能是通过长的电源线产生的，主要的来源是（或应该是）去耦电容器。 图1显示了去耦不足一个例子。电容器离微控制器太远，产生了很大的高电流环路。这里的电源和接地平面是高电流环路的一部分。因此，噪音更容易传递到板上其它设备上，并且板上的辐射散发甚至进一步增加。整个的接地平面，而不仅仅是高电流环路，将充平面（一般为安装孔中的部件），而且去耦合电容器同样连接，那么将会是这样。如果集成电路放在板的一边，电容器在另一边，那么带有表面安装部件的板同样也可以看到。 图2显示了电容器的更好放置。作为高流环路一部分的线路不是电源或接地平面一部分。这非常重要，因为不这样，电源和接地平面将会散发很多噪音。 图3显示池去耦的另一种改进。它插入了一个串联电感器，来减少电源平面上的开关噪音。当然，电感器的电阻值必须足够低，以保证将没有显著DC电压下降。 通常，电源和接地平面靠得很近的AVR设备（如AT90S8515）具有更好的去耦能力，这些设备的电源和接地引脚位于DIP封装的对角。这个缺点可以通过使用TQFP封装来克服，它允许把去耦电容器放置到离管芯很近的地方。对于具有多对电源和接地引脚的设备，有必要使每一对引脚都具有自己的去耦电容器。 4、印刷电路板（PCB）布局和接地 4.1 电流环路和信号接地 电流只能在环路中流动。电源电流如此，信号电流同样如此。不幸的是，电流环路将发出噪音，而且环路越大，噪音越大。噪音还随着电流和频率的增加而增加。大的环路更可能接收噪音。因此，环路应该尽可能保持得很小。这意味着每一条可能发出或接收噪音的线路都应该有一可能靠近它的回路来接地。确保每一条噪音路径有这样的一条回路的最好方法是在板上加上一个完全的接地平面。这样，环路区域的长度将只是该路径的长度乘以该路径和接地平面之间的距离。这个区域通常比通过对接地路线得到的区域小，因此，来自带有接地平面的电路板的噪音比来自没有接地平面的电路板的噪音要少得多。 4.2 接地平面 在许多设计中，看起来接地平面被定义为”所有铜栅格不作他用，而只在某处接地”。这不会是一个有效的接地平面。注意，对于高频信号，接地平面的回路将恰好在轨道下面即便是这条路线比直接布线长。这是因为回路将总是最少阻抗的路线，对于高频信号，这是具有最小环路线，而不是具有最低DC电阻的路线。对于既包含数字电路又包含模拟电路的电路，接地平面可以划分为模拟接地平面和数字接地平面。这将降低系统的模拟部分和数字部分之间的干扰。 4.3 电路板分区 如图2所描述的那样，系统分区也可以应用于单个印刷电路板（PCB）。系统的噪音部分，像开关模式电源上的数字电路一样，应该尽可能小，以减少充当接收天线的电流环路的大小。同样，系统的噪音部分应该尽可能远离敏感部件。记住，在这两种情况下，重要的是降低电流环路的大小，而不是物理板的面积因此，应该避免在接地平面中布线以节省空间，除非彻底的分析表明，其它信号的接地回路将不会受到影响。 4.4 单层板 由于其低廉的价格，单层板广泛用于许多商业应用。然而，从电磁兼容性(EMC)观点来看，它们是用起来条件最苛刻的板，因为板上不能包含接地层。这可能增加对外部部件或屏蔽的需要，以得到EMC兼容性，特别是对于高时钟速度，更是如此。单层板的布局将要求设计者具有非常好的电磁兼容性（EMC）设计技巧，因为其布局很容易最终具有大型的充当天线的环路使用电线和条带来克服最糟糕的布线问题一直是个好主意，但这项任务仍然要求苛刻。 4.5 双层板 如果可能，其中的一层应该作为专用的接地平面，而且只用于本作用。如果信号在接地平面中进行布线，这也许会干扰另一面的路径的回路。因此，这种布线将要求对板上的每个路径进行详细分析，否则整个接地平面可能会浪费。在两层板上设计接地平面而且仍然允许在两层上进行布线的一种方法是，设计一个如图4所示的接地栅格。 这里每条路线在附近有一个接地回路，产生一个较小的环路。格子应该多大以及轨道应该多宽，都取决于应用。较高电流和较高频率将要求较宽的轨道和较小的格子。首先把路径放置后，就很难为它提供空间。如果要求，接地格栅的一部分可以移到板的另一面，使布线更容易或为部件让出容易或为部件让出空间。但是删除片断是“不合法”的。如果一个通路或路径必须移动，那么在格栅中放额外的，保证所有格子一样大。接地格栅不象完全的、未破损的接地平面那样好，但是就像任何其它信号一样，它比布线接地更好。设计类似接地平面的另一种方法是在板的双面上有闲置的空格，并在需要处用通路连接接地平面。保证至少一个层被板上各部分的接地平面盖住且使用足够的通路，这非常重要；这样，总体接地区域变得尽可能完整。这种创建接地平面的方法也可以与前面描述的接地格栅结合使用。以一个接地格栅开始，然后布的其余部分，并用接地平面填满所有闲置区域。在这种情况下，接地格栅中的一些通路可以在以后删除。对于既有模拟又有数字电路的混合信号板，我们推荐对电路板的模拟部分使用未破损接地平面，因为这将为敏感模拟电路提供更好的噪音免疫。 4.6 多层板 当使用三层或更多层时，就有必要用一个平面作为接地平面。如果使用四层或以上，我们还推荐使用一层作为电源层。这两个平面应该彼此靠近，放在板的中间，以减少电源阻抗和环路区域。把电源和接地平面放在最外层来充当屏蔽并不是个好主意。它并不会像预期的那样工作，因为高电流在接地平面中流动。屏蔽层将必须是接地层的第二个对。5、屏蔽 在某些情况下，不添加屏蔽而使得某个系统的噪音水平降得足够低，是不可能的。在其它应用中，可以使用屏蔽，因为使用屏蔽要比通过其他手段降低噪音更容易。取决于应用。屏蔽可以盖住整个系统或者只是最需要它的系统部分。如果在设计中使用分区系统，那么决定哪个区需要屏蔽就很容易。在任何一种情况下，屏蔽必须完全闭合。屏蔽像一只密封的容器一样：好的就好像根本没有任何东西一样。正如前面所描述的那样，进入或离开某个区的所有线路都需要进行过滤。没被过