中兴电磁兼容设计讲座

电磁兼容设计讲座 可靠性部谢玉明 电磁兼容讲座系列 定义 电磁兼容 EMC ElectromagneticCompatibility电磁干扰 EMI ElectromagneticInterference电磁敏感性 EMS ElectromagneticSusceptibility 为什么要考虑EMC 国内外技术壁垒 强制要求产品的可靠性 EMI试验 参照CISPR22 GB9254 传导发射试验辐射发射试验 EMS试验 GB T17626 系列 静电放电抗扰性试验 2 射频电磁场辐射抗扰性试验 3 电快速瞬变脉冲群抗扰性试验 4 雷击浪涌抗扰性试验 5 射频场传导抗扰性试验 6 工频磁场抗扰性试验 8 电压瞬时跌落 短时中断和电压渐变的抗扰性试验 11 何时解决EMC EMC三要素 干扰源敏感设备传播途径 EMC设计 接地 Grounding 屏蔽 Shielding 滤波 Filtering 内部设计 PCB板 EMC设计三阶段 问题解决阶段规范设计阶段分析预测阶段 接地 Grounding 接地的目的一是防电击 一是去除干扰 可将接地分为两大类 安全接地 SafetyGrounding 信号接地 安全接地 SafetyGrounding 安全接地是指接大地 Earthing 也就是将电气设备的外壳以低阻抗导体连接大当人员意外触及时不易遭受电击 信号接地 信号接地除提供参考点之外 同时还可以大量消除杂讯的干扰 由于杂讯本身的特性 考虑接地时有不同的处理方法 单点接地多点接地复合式接地 单点接地 系统或装备上仅有一点接地 分为 串联单点接地 并联单点接地 串联单点接地 若系统各线路或装备所产生或需要的能量变化太大 则不适用串联单点接地 因为高能量的线路或装备所产生大量的地电位会严重地影响低能量线路或装备的正常运作 并联单点接地 并联单点接地最大的缺点是耗时费料 由于接地线太多太长 以至增加各地阻抗 尤其在高频范围中更加严重 多点接地 在频率低于10MHz时 较适于单点接地 若在高频 10MHz 情况下 由于接地线的长度以及接地电路的影响 故单点接地无法达到去除干扰的效果 此时就得使用多点接地 此时接地线的长度亦应尽量缩短 下图各接地点可视为机壳或接地板 复合式接地 复合式单点接地将线路或装备加以归类 而同时使用串联与并联法 可同时兼顾降低杂讯以及减化施工与节省用料 机架系统的接地树 例 注意 由于频率的关系 无论何种接地方法均应尽量缩短接地线 否则其非但增加阻抗 同时更会产生辐射杂讯 因其作用有如天线 接地线的长度L 20 不论何种接地法 最大的困扰均起自于地电流的产生 因此去除地环路就成了设计者的考验 接地环路 下图即为接地环路的形成 打破接地环路的方法 常用的电缆 双绞线同轴电缆带状电缆 注意之一 接地线愈短愈好 电缆屏蔽层终接时应环接 电子线路中及低频使用时应规划不同的接地系统以配合不同之回路 Return 如信号 屏蔽 电源 机壳或组架 唯这些回路最后可接在一起 然后以单点接地 接地面应具有高传导性 Conductivity 线路中之元件若经常产生大量的急变电流 则该线路应备有单独的接地系统 或至少应备有单独之回路 以免影响其它线路 低能量信号之接地应与其它接地隔离 切忌双股电缆分开安装 注意之二 低频宜采用单点接地系统 高频应采用多点接地系统 良好的接地系统 减少由共同导体所引入的杂讯电压 尽量避免产生接地环路 已接地的放大器接于未接地之电源 其输入导线之屏蔽应接于放大器之接地点 若未接地之放大器接于接地之电源 则输入导线之屏蔽应于电源端接地 高增益放大器之屏蔽应接于放大器之接地点 若信号线路两端接地 则所产生的接地环路易受磁场及地电位差的干扰 去除接地环路的方法有使用隔离变压器 光电耦合器 差动放大器 扼流圈 搭接的功能 搭接是在两金属之间建立一低阻抗通路 其目的在为电流提供一均称的结构体以避免干扰 处理良好的搭接能彻底发挥屏蔽与滤波的功能 减少接地系统中的射频电位差 以及电流环路 并可防止静电产生 减少雷击与电磁脉冲的危险 同时能防止人员误遭电击 然而未经仔细处理的搭接会增加干扰的程度 此诚不良之设计较不设计为害更甚 搭接的形态 直接搭接 即搭接体间之直接连接 间接搭接 即搭接体间以金属导线相连 其适合于经常移动的装备 以及将安装防震垫 ShockMounts 的装备 间接搭接时应特别注意共振效应 ResonantEffect 否则引入杂讯 搭接的方法有熔接 Welding 硬焊 Brazing 软焊 Sweating 砧接 Swaging 铆接 Riveting 以及螺丝连接 搭接之处理 搭接时 金属面应予以清洁 不得有油漆或其它杂物 搭接完成后 可涂以油漆或施以其它之防蚀保护 此外 搭接时应考虑不同金属之电化效应 并应尽量减少接触盐水 汽油等 以防电能作用 若电能特性相去甚远的两金属欲搭接在一起 应以介于其间的金属为垫圈置于该两金属间 金属电化次序 阳极端 最易受腐蚀 第一类镁 Mg 第二类铝 AL 或铝合金 锌 Zn 镉 Cd 第三类碳钢 铁 Fe 铅 Pb 锡 Sn 第四类镍 Ni 铬 Cr 不锈钢 第五类铜 Cu 银 Ag 金 Au 白金 Pt 钛 Ti 阴极端 不易受腐蚀 铆接及螺纹搭接 铆接有均匀 省时的优点 但其使用弹性不如以螺钉搭接 且防蚀能力不如熔接 软硬焊 铆接时铆孔应与铆钉紧密接合 铆孔边不得有油漆 螺纹搭接时应注意垫圈材料的选择及安放位置 通常均戴垫圈 LoadDistributionWasher 直接置于螺栓头 BoltHead 或壳帽之下 而锁紧垫圈 LockWasher 则应置于螺帽与均戴垫圈之间 此外 千万别将带齿锁紧垫圈置于两搭接金属之间 注意 要有效地达到搭接的功能 应使搭接的金属紧密地连接 连接面应均匀 干净 其间不得有非传导性之物质 固定时应防止变形 震动 摇摆 应尽量将类似金属相搭接 不得已时可使用垫圈 应尽量使用直接搭接 若情况不许可时得使用搭接线 惟使用搭接线时应考虑 线之长度愈短愈好 电感电容比愈小愈好 线之电化次序应低于搭接物 长宽比应小于5 应直接与搭接物相接 不得使用自攻螺纹 Self TappingScrew 屏蔽 屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰 采用屏蔽的目的有两个 一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域 二是防止外来的辐射进入某一区域 屏蔽按其机理可分为电场屏蔽 磁场屏蔽和电磁场屏蔽 电场屏蔽的机理 电场屏蔽的设计要点 为了获得良好的电场屏蔽效果 注意以下几点是必要的 屏蔽板以靠近受保护物为好 而且屏蔽板的接地必须良好 此举目的是增大C4的值 屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响 例如 全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果 而开孔或带缝隙的屏蔽盒 其屏蔽效能都会受到不同程度的影响 此举主要是影响剩余电容C1 的值 屏蔽板的材料以良导体为好 但对厚度并无要求 只要有足够强度就可以了 磁场屏蔽的机理 磁场屏蔽通常是对直流或甚低频磁场的屏蔽 其效果比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多 因此磁场屏蔽是个棘手的问题 磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻 对磁通起着分路的作用 使得屏蔽体内部的磁场大大减弱 磁场屏蔽的设计要点 提高磁场屏蔽效能的主要措施有 选用高导磁率的材料 如坡莫合金 增加屏蔽体的壁厚 以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻 被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上 以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通 注意磁屏蔽体的结构设计 凡接缝 通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻 从而降低屏蔽效果 为此 可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布 这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小 磁场屏蔽的设计要点 续 对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构 对要屏蔽外部强磁场的 则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料 如硅钢等 而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料 如坡莫合金等 反之 如果要屏蔽内部强磁场时 则材料排列次序要倒过来 在安装内外两层屏蔽体时 要注意彼此间的磁绝缘 当没有接地要求时 可用绝缘材料做支撑件 若需要接地时 可选用非铁磁材料 如铜 铝 做支撑件 但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发 一般还是要接地的 电磁场屏蔽的机理 电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式 电磁场屏蔽的机理 续 与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同 电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理 当电磁波在到达屏蔽体表面时 由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续 对入射波产生的反射 这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度 只要求交界面上的不连续 未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量 在体内向前传播的过程中 被屏蔽材料所衰减 这种物理过程被称为吸收 在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量 传到材料的另一表面时 在遇到金属与空气不连续的交界面时 会形成再次反射 并重新返回屏蔽体内 这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射 屏蔽效能的计算 屏蔽效能S A R B dB 上式中A为吸收损耗 R为反射损耗 B为正或负的修正项 当A大于15dB时 B可忽略不计 B是由屏蔽体内反射波所引起的 上式中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数 和导磁率 频率f Hz 以及所存在的各种物理参数的函数 机柜 或屏蔽盒 之屏蔽 结构材料 适用于底板和机壳的材料大多数是良导体 如铜 铝等 可以屏蔽电场 主要的屏蔽机理是反射而不是吸收 对磁场的屏蔽需用铁磁材料 如高导磁率合金和铁 主要的屏蔽机理是吸收而不是反射 在强电磁场环境中 要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分 因此需要结构上完好的铁磁材料 屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响 对于塑料壳体 是在其内壁喷涂屏蔽层 或在汽塑时掺入金属纤维 屏蔽之搭接 清洁氧化层面接触螺钉的距离缝隙 导电衬垫压力 按优先等级排列的各种衬垫 穿孔 通风导线 插箱的屏蔽处理 面板 金属U形面板面板之间加金属簧片面板插针 定位 ESD泄放导轨上簧片 配合插针泄放ESD金属之间的搭接 簧片 导电衬垫搭接处导电氧化或电镀 滤波 滤波器的特性 插入损耗是在装置滤波器前后负载端所接收能量之差异频率特性是在装置滤波器时插入损耗与频率之对应值 阻抗匹配额定电压 电流绝缘电阻尺寸 重量使用环境可靠性 干扰的方式 共模干扰是指电源线对大地 或中线对大地之间的电位差 差模干扰存在于电源相线与中线之间 滤波器的种类 常用的电源滤波器 滤波器的安装 首先 滤波器的外壳与设备的金属机壳要有可靠的接触 设备的金属机壳应该接大地 其次 滤波器引线与安装位置也是很有讲究的问题 信号滤波 电容磁珠共模电感三端滤波器 印制电路板的电磁兼容性 印制电路板的布局 当高速 中速和低速数字电路混用时 在印制板上要给它们分配不同的布局区域 对低电平模拟电路和数字逻辑电路要尽可能地分离 背板的布局 在各PCB板内部模拟地与数字地要分开 背板上的模拟地和数字地也要分开 AD转换器的接地处理 由于AD转换器的模拟地和数字地已在转换器内汇接 因此PCB的模拟地和数字地的汇接点应在转换器下 接地桥 对于特别敏感的线路或特别高频的线路 要采用接地桥与周围线路隔离 同时又可保证参考电平一致 不同电压电源的处理 3 3V信号的返回电流通过3 3电源平面 5V信号的返回电流通过5V电源平面 3 3V和5V之间的信号的返回电流通过1 2nF的电容