EMC设计浪涌、静电、EFT防护.doc

EMC设计-浪涌、静电、EFT防护倪松华北京和利时系统工程有限公司轨道交通事业部2010.05.23目 录1电路（系统）设计概述31.1电路设计31.1.1电路设计之1：功能设计31.1.2电路设计之2：性能设计31.1.3电路设计之3：可靠性设计31.1.3.1可靠性设计之1：降额设计31.1.3.2可靠性设计之2：热设计31.1.3.3可靠性设计之3：信号完整性设计31.1.3.3.1信号完整性设计之1：EMC设计31.1.3.3.2信号完整性设计之2：信号传输线效应31.1.3.3.3信号完整性设计之3：信号串扰31.1.3.3.4信号完整性设计之4：电源完整性31.1.3.4可靠性设计之4：软件可靠性31.1.3.5可靠性设计之5：生产工艺可靠性32EMC设计-浪涌、静电、EFT防护32.1EMC概念32.2EMC分类42.3EMC三要素42.4EMC对策52.5EMC测试设备参数62.5.1浪涌发生器62.5.2静电放电发生器72.5.3EFT脉冲群发生器82.6EMC器件常识92.6.1ESD器件、TVS器件92.6.2压敏电阻122.7EMC设计中的防护器件选择142.7.1假设142.7.2浪涌防护142.7.3静电防护152.7.4EFT防护172.7.5综合防护182.8EMC防护电路PCB设计183参考文件191 电路（系统）设计概述以下分类主要介绍了电路（系统）设计过程中要面临的几大过程，较清晰的反映了设计过程要遇到的几个环节。1.1 电路设计1.1.1 电路设计之1：功能设计1.1.2 电路设计之2：性能设计1.1.3 电路设计之3：可靠性设计1.1.3.1 可靠性设计之1：降额设计1.1.3.2 可靠性设计之2：热设计1.1.3.3 可靠性设计之3：信号完整性设计1.1.3.3.1 信号完整性设计之1：EMC设计1.1.3.3.2 信号完整性设计之2：信号传输线效应1.1.3.3.3 信号完整性设计之3：信号串扰1.1.3.3.4 信号完整性设计之4：电源完整性1.1.3.4 可靠性设计之4：软件可靠性1.1.3.5 可靠性设计之5：生产工艺可靠性2 EMC设计-浪涌、静电、EFT防护2.1 EMC概念EMC（Electro Magnetic Compatibility）：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。以下是与电磁兼容有关的常见术语：EMC：(Electromagnetic compatibility)电磁兼容性EMI： (Electromagnetic interference) 电磁干扰EMS：(Electromagnetic Susceptibility) 电磁敏感度RE：（Radiated emission）辐射骚扰CE：（Conducted emission）传导骚扰CS：（Conducted Susceptibility）传导骚扰抗扰度RS：（Radiated Susceptibility）射频电磁场辐射抗扰度ESD： (Electrostatic discharge) 静电放电EFT/B： (Electrical fast transient burst) 电快速瞬变脉冲群Surge ：浪涌2.2 EMC分类EMC可分为电磁干扰EMI、电磁敏感度EMS两部分。EMI：电磁干扰，即处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所要求的电磁能量。EMS：电磁敏感度，即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或者说设备或系统对于一定范围内的电磁能量不敏感，能按照设计的性能保持正常的运行。图12.3 EMC三要素基本的EMC模型包括以下三个要素：1、干扰源；2、耦合途径；3、敏感装置；图2在单板的范围内，我们可以找到如下几个与辐射相关的项：干扰源：时钟电路（包括晶振、时钟驱动电路）；开关电源；高速总线（通常为低位地址总线如A0、A1、A2）；感性器件，如继电器等；耦合路径：传播RF能量的各种媒质，例如自由空间或互连电缆。按耦合路径（传播的方式），电磁干扰分成两种类型：1、 传导型干扰传导型干扰是系统产生并返回到直流输入线或信号线的噪声，这个噪声的频率范围为10KHz-30MHz，它既有共模方式，又有差模方式。LC网络常常是抑制传导干扰的主要方式。2、 辐射型干扰辐射型干扰以电磁波的方式直接发射，线路中一个普通的例子是电源线扮演发射天线的作用，频率覆盖范围30MHz-1GHz，这个范围的EMI可通过金属屏蔽的方式抑制。敏感装置：PCB上的各种敏感器件，它们易于接收来自I/O线缆的辐射干扰并把这些有害能量传播到其他敏感电路或器件上。单板中的敏感器件或者信号主要有：锁相环；光模块；模拟信号；复位信号；小弱信号；对于EMC的产生，这三个要素缺一不可。如果任一要素不存在，EMI也就不存在了。那么工程师所要做的事情就是找到最容易解决的那一项。2.4 EMC对策任何EMC问题的处理都是围绕三要素进行的：1、降低干扰源；2、切断或削弱传播途径；2、提高设备的抗扰能力；通常来讲，合理的PCB设计是消除多数RF干扰的最经济有效的途径。有源器件是所有辐射的源头。PCB设计所要做的是将电磁场能量限制在需要它们的地方。可以利用时钟扩频技术或适当的减缓信号的上升沿来降低时钟信号的干扰强度，也可以在器件选型方面以及减少天线效应方面（如严格控制线头长度、控制信号回路面积）来控制EMI的强度；通过必要的布局、布线以及采取屏蔽、接地措施来提高设备的抗扰能力；从产品EMC设计的对策、手段来分，通常采用的不外乎接地、屏蔽、滤波三种。在三要素的对策中切断干扰的传播途径是最重要的一环。在单板上可采取以下措施来切断耦合路径或者减少耦合：对应传导耦合：加滤波电容、滤波器、共模线圈、使用隔离变压器等；对应辐射耦合：相邻层垂直走线、加屏蔽地线、磁性器件合理布局、3W规则、正确层分布、辐射能力强或者敏感信号布内层、使用I/O双绞线、辐射能力强的信号远离拉手条、板边缝隙等。2.5 EMC测试设备参数2.5.1 浪涌发生器图 8 浪涌组合波发生器电路原理图（1.2/50us-8/20us）图 9 浪涌组合波发生器产生的电压波形（1.2/50us）图 10 试验配置示例，线地耦合，输出阻抗10根据GB/T17626.5-2008 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验中描述，浪涌组合波发生器的输出阻抗有2、10、40等3种，我们一般使用2的输出阻抗方式。注：对于铁路应用来说，在TB/T 3073-2003铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值中规定，浪涌试验推荐使用40输出阻抗和0.5uF耦合电容，详见TB/T 3073-2003中表4、表5。对于浪涌试验的试验等级、试验过程、试验结果的评估请详见GB/T17626.5-2008。2.5.2 静电放电发生器图11 静电放电发生器原理图图12 静电放电发生器输出电流的典型波形根据GB/T17626.2-2006电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验中的描述，静电放电发生器的输出阻抗是330。输出波形如图9。静电放电试验主要分接触放电、空气放电，具体的试验等级、试验过程、试验结果的评估请详见GB/T17626.2-2006。2.5.3 EFT脉冲群发生器图13 脉冲群发生器电路原理图图14 快速瞬变脉冲群概略图根据GB/T17626.4-2008 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验中的描述，脉冲群发生器的有效输出阻抗是50。其输出波形如图11。2.6 EMC器件常识2.6.1 ESD器件、TVS器件符号中文名称解释VRWM反向关断电压应大于或等于被保护线路的操作电压。VBR击穿电压ESD器件在此时阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。VC箝位电压脉冲电压通过ESD器件后，所达到的最大电压值。IRVRWM反向漏电流应小于电路允许的最大漏电流。Ipp最大电流防护器件能承受的最大电流。PPP峰值脉冲功率保护器件能吸收瞬时脉冲的能量，典型值取自300W 8/20s脉冲。CD结电容是保护器件的寄生电容，数据率或操作频率越高的线路上使用的ESD保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。图3 TVS特性曲线图4 TVS特性及参数如果用图示仪观察TVS的特性，就可得到图3中左图所示的波形。如果单就这个曲线来看，TVS管和普通稳压管的击穿特性没有什么区别，为典型的PN结雪崩器件。但这条曲线只反映了TVS特性的一个部分，还必须补充右图所示的特性曲线，才能反映TVS的全部特性。这是在双踪示波器上观察到的TVS管承受大电流冲击时的电流及电压波形。图中曲线1 是TVS管中的电流波形，它表示流过TVS管的电流由1mA 突然上升到峰值，然后按指数规律下降，造成这种电流冲击的原因可能是雷击、过压等。曲线2是TVS管两端电压的波形，它表示TVS中的电流突然上升时，TVS两端电压也随之上升，但最大只上升到VC值，这个值比击穿电压VBR 略大，从而对后面的电路元件起到保护作用。1、VRWM 反向关断电压ESD保护器件的反向关断电压应大于被保护线路工作电压，如下图所示。图 5 ESD保护器件的反向关断电压2、VC箝位电压VC箝位电压指脉冲电压通过ESD保护器件后，所被箝位的电压。如12V的脉冲信号，经过PESD5V0L2BT箝位后，电压降为5V。图 6 VC箝位电压示意图3、PPP 峰值脉冲功率PPP峰值脉冲功率为ESD器件上瞬间通过的功率值，如300W8/20us，在此功率范围内，ESD保护器件能够正常工作。图 7 PPP峰值脉冲功率选用TVS 步骤如下：1确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。2 TVS 的反向变位电压即工作电压（VRWM）-选择TVS 的VRWM等于或大于上述步骤1 所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计，如果步骤1 所规定的电压高于TVS的VRWM ，TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，从而影响电路的工作。3最大峰值脉冲功率：确定电路的干扰脉冲情况，根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间，确定能够有效抑制该干扰的TVS 峰值脉冲功率。4所选TVS 的最大箝位电压（VC）应低于被保护电路所允许的最大承受电压。5单极性还是双极性常常会出现这样的误解即双向TVS 用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。 双向TVS 用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。 TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。TVS 操作方式如下：正向浪涌时，TVS 处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS 以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。6如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率，如果无法确定功率的大概范围，一般来说，选择功率大一些比较好。2.6.2 压敏电阻符号中文名称解释VRWM工作电压应大于或等于被保护线路的操作电压。V1mA(V)DC1mA压敏电压（击穿电压）在此时阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。VC箝位电压脉冲电压通过器件后，所达到的最大电压值。IRVRWM反向漏电流应小于电路允许的最大漏电流。Ip(A)通流容量通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。PPP峰值脉冲功率保护器件能吸收瞬时脉冲的能量，典型值取自300W 8/20s脉冲。CD结电容是保护器件的寄生电容，数据率或操作频率越高的线路上使用的保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。1. 压敏电压的选取压敏电压（min(U1mA）、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有：min(U1mA) (1.62)Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：VmAavbc式中：a为电路电压波动系数，一般取12；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取085；c为元件的老化系数，一般取09；这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的15倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1414倍。另外，选用时还必须注意：（1）必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命；（2）在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。2通流量的选取通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。瞬态抑制器件的比较器件名称气体放电管压敏电阻TVS管TVS晶闸管泄露电流无小小小续流有无无无箝位电压点火电压高中等低低通流容量大（103105A）大（102105A）小（101102A）大（102105A）极间电容小大小小响应时间慢（10-6s）中等（10-9s）快（10-12s）快（10-12s）失效形式开路短路短路短路价格低低高中等老化现象有有无无产品范围中等大电压可选范围大电压可选范围小使用场合 电源线和通信线的初级保护 多级保护组件中的第一级保护 电源和汽车电气系统的保护 多级保护组件中的第一或第二级保护 PCB级保护的有限应用 PCB级保护的广泛应用 次级保护的有限应用 静电放电等快速过电压波的防护 多级保护中的最后以及保护 通信线路中的初次级保护2.7 EMC设计中的防护器件选择设计一定要从需求考虑，需要防护多大的电压、多大的电流？2.7.1 假设由于对于EMC干扰的具体试验方法已经制定成相关标准，标准中产生具体干扰波形的设备就可以当做实际的干扰发生源。所以我们在做EMC方面的防护时可以根据试验设备的具体参数，来设计、选择防护器件的参数指标。2.7.2 浪涌防护由于浪涌的波形持续时间较长（us级别），携带的能量很大（甚至可以达到10、20KA），所以我们在做具体防护是必须使用防护器件，例如：气体放电管、压敏电阻、TVS管。浪涌防护也可以使用变压器+压敏电阻的方法。变压器来防共模，压敏电阻来防差模。在这里不赘述。已知：设备线线工作电压Vwork1，设备线地工作电压Vwork2、Vwork3设备线线最大承受电压Vmax1，设备线地最大承受电压Vmax2、Vmax3.，线线浪涌电压Vsurge1，线地浪涌电压Vsurge2、Vsurge3，输出电阻Zout。未知：防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。求防护器件参数：Vwm1Vwork1；Vwm2Vwork2；Vwm3Vwork3；Vc1Vmax1；Vc2Vmax2；Vc3Vmax3；Ipp1(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =1KV、2KV、4KV，Z=2、40)Ipp2(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =1KV、2KV、4KV，Z=2、40)Ipp3(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =1KV、2KV、4KV，Z=2、40)Vbr1约= Vwork1*(1.21.4).；Vbr2约= Vwork2*(1.21.4).；Vbr3约= Vwork3*(1.21.4).；2.7.3 静电防护静电放电波形持续时间较短（ns级别），携带的能量小，所以我们在做具体防护可以使用TVS管、ESD器件。静电防护也可以使用变压器+ESD器件（TVS器件）的方法。变压器来防共模，ESD器件来防差模。在这里不赘述。已知：设备线线工作电压Vwork1，设备线地工作电压Vwork2、Vwork3设备线线最大承受电压Vmax1，设备线地最大承受电压Vmax2、Vmax3.，线线浪涌电压Vsurge1，线地浪涌电压Vsurge2、Vsurge3，输出电阻Zout。未知：防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。求防护器件参数：Vwm1Vwork1；Vwm2Vwork2；Vwm3Vwork3；Vc1Vmax1；Vc2Vmax2；Vc3Vmax3；Ipp1(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330)Ipp2(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330)Ipp3(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330)Vbr1约= Vwork1*(1.21.4).；Vbr2约= Vwork2*(1.21.4).；Vbr3约= Vwork3*(1.21.4).；2.7.4 EFT防护EFT波形持续时间较短（ns级别），携带的能量小，所以我们在做具体防护可以使用TVS管、ESD器件。已知：设备线线工作电压Vwork1，设备线地工作电压Vwork2、Vwork3设备线线最大承受电压Vmax1，设备线地最大承受电压Vmax2、Vmax3.，线线浪涌电压Vsurge1，线地浪涌电压Vsurge2、Vsurge3，输出电阻Zout。未知：防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。求防护器件参数：Vwm1Vwork1；Vwm2Vwork2；Vwm3Vwork3；Vc1Vmax1；Vc2Vmax2；Vc3Vmax3；Ipp1(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50)Ipp2(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50)Ipp3(Vsurge-Vc)/Zout；(Vsurge =0.25KV、0.5KV、1KV、2KV、4KV，Z=50)Vbr1约= Vwork1*(1.21.4).；Vbr2约= Vwork2*(1.21.4).；Vbr3约= Vwork3*(1.21.4).；2.7.5 综合防护综合防护时，最好在前级加上压敏电阻、在后级增加TVS或ESD器件。当进行综合防护时，如果浪涌电压的能量很大，可以考虑通过在线路上的两种防护器件之间串接一个电阻来完成。2.8 EMC防护电路PCB设计快速ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将不会得到保护，因此感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此，被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是：应尽可能的滤除所有的I/O口的干扰信号，靠近连接器/触点PCB侧。布线时，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。在使用TVS二极管保护ESD损害的同时，必须配合合理的PCB布局。 首先是要避免自感。对于ESD这样巨变突发的脉冲，很可能会在回路中引起寄生自