- 電磁兼容技術(shù)簡(jiǎn)述
- 電磁兼容實(shí)例應(yīng)用分析
- 接地、屏蔽、濾波
- 將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程
摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹電磁兼容相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)對(duì)接地、屏蔽、濾波等技術(shù)的分析，說(shuō)明產(chǎn)品如何實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容性，如何將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程。對(duì)實(shí)例分析，結(jié)合電磁兼容理論，說(shuō)明實(shí)際測(cè)試中的處理方法，從干擾源、耦合路徑、敏感源方面逐步分析驗(yàn)證，提高產(chǎn)品可靠性。
目前，電磁兼容技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為專門(mén)的針對(duì)電子產(chǎn)品抗電磁干擾和電磁輻射的技術(shù)，成為考察電子產(chǎn)品的安全可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，覆蓋所有電子產(chǎn)品。
各個(gè)電子設(shè)備在同一空間工作時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)通過(guò)一定的途徑（輻射、傳導(dǎo)）耦合給其他的電子設(shè)備，影響其他設(shè)備的正常工作，可能使通訊出錯(cuò)或者系統(tǒng)死機(jī)等，設(shè)備間相互干擾相互影響，這種影響不僅僅存在設(shè)備間，同時(shí)也存在元件與元件之間，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間。甚至存在與集成芯片內(nèi)部。
電磁兼容技術(shù)主要包括接地、濾波、屏蔽技術(shù)等，在特定場(chǎng)合需要注意的是不一樣的，在結(jié)構(gòu)方面，需要注意屏蔽和接地，在線纜方面注意接地和濾波，在PCB設(shè)計(jì)方面，需要注意信號(hào)布局布線、濾波等。
一、電磁兼容技術(shù)
首先從構(gòu)成電磁干擾的三要素入手，即干擾源、敏感源、耦合路徑，干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備，通過(guò)電纜、空間輻射等耦合路徑影響干擾敏感源設(shè)備。高頻電壓 /電流是產(chǎn)生干擾的根源，電磁能量在設(shè)備之間傳播有兩種方式：傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，傳導(dǎo)發(fā)射是以導(dǎo)線為媒體，以電流為現(xiàn)象，輻射發(fā)射是以空間輻射為媒體，以電磁波為現(xiàn)象。常見(jiàn)干擾源有雷電、無(wú)線通訊、脈沖電路、靜電、感性負(fù)載通斷、天線、電纜導(dǎo)線等。任何電路都可能成為敏感源，數(shù)字電路抗干擾性較好，但是風(fēng)險(xiǎn)大，大的脈沖尖峰可能是數(shù)字電路誤動(dòng)作，音頻模擬電路對(duì)射頻信號(hào)敏感。耦合路徑分為空間耦合和傳導(dǎo)性耦合，空間耦合包括互感耦合、電容耦合、天線輻射，傳導(dǎo)性耦合包括地線和電源線上的傳導(dǎo)。
電磁兼容設(shè)計(jì)主要包括接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。地線分為安全地、交流地、直流地、數(shù)字地、模擬地、機(jī)殼地、防雷地等，地線從電壓概念說(shuō)是提供一個(gè)等電位體，從電流概念上說(shuō)是提供一個(gè)電流通路。地線阻抗決定了線路的抗干擾性，其中導(dǎo)線阻抗決定了地線的電位差，回路阻抗決定了實(shí)際的地線電流，地環(huán)路的存在是電路受干擾的主要原因，減小地環(huán)路的面積，降低對(duì)線路的影響，使用屏蔽線或同軸電纜都可能減小信號(hào)回路的面積，從而達(dá)到降低干擾的影響。地線電流總是走地線阻抗比較小的路徑，高頻低頻時(shí)線路的阻抗是不一樣的，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)信號(hào)路徑。多層板比雙層板的抗干擾性要好，因?yàn)槎鄬影逵袑ｉT(mén)的地層和電源層，保證每個(gè)信號(hào)回路都具有最小的信號(hào)回路面積，如果是雙層板，最好鋪地線網(wǎng)格，來(lái)保證最小的回路面積。
單端接地是為了降低電場(chǎng)對(duì)設(shè)備的影響，兩端接地是降低磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的影響，兩端接地形成磁場(chǎng)環(huán)路，外界磁場(chǎng)在原來(lái)信號(hào)與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is，Is也會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，導(dǎo)致總磁場(chǎng)減小，減小了干擾。
屏蔽技術(shù)，主要是應(yīng)用在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上的，也有對(duì)線路關(guān)鍵電路進(jìn)行屏蔽的，如時(shí)鐘電路、CPU等。考察系統(tǒng)的屏蔽效能可以利用靜電測(cè)試，如果系統(tǒng)屏蔽做的好，靜電會(huì)沿著屏蔽體進(jìn)行泄放，不會(huì)對(duì)內(nèi)部線路造成影響。良好的電磁屏蔽的關(guān)鍵因素是屏蔽體的導(dǎo)線連續(xù)性，如果必須開(kāi)孔引導(dǎo)線，采用屏蔽電纜，屏蔽層一定要采用360度環(huán)接方式進(jìn)行接地，保證屏蔽的完整性。根據(jù)不同屏蔽層傳輸阻抗的頻率特性和信號(hào)工作頻率，來(lái)選擇屏蔽電纜。
濾波包括電源線濾波與信號(hào)濾波。電纜是一個(gè)很好的天線，有時(shí)候即使屏蔽做的很好，仍然不能通過(guò)輻射發(fā)射和輻射敏感度的試驗(yàn)，這是因?yàn)殡娎|產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)高于線路板本身及機(jī)箱屏蔽不完整發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的輻射。解決這種問(wèn)題的一個(gè)方法是在電纜的端口處安裝濾波器，將干擾電流濾除掉。根據(jù)干擾的頻率選擇濾波器的截止頻率，才能有效的濾除干擾。一個(gè)系統(tǒng)使用了二階LC低通濾波器，做輻射試驗(yàn)還是過(guò)不去，將前級(jí)電容去掉，輻射發(fā)射就不超標(biāo)了，說(shuō)明了需要降低截止頻率才能濾除一部分干擾，增加濾波器的級(jí)數(shù)增加了曲線的陡度，提高了在工作頻率內(nèi)的濾波性能，并不能將更低頻率的干擾濾除。濾波電容引線要短，可以采用“V”形接法，減小高頻時(shí)的回路阻抗，也可以在引線上增加安裝磁珠，加大了引線上的電感，增強(qiáng)了濾波效果。薄膜電容的電阻成分大，應(yīng)采用陶瓷電容來(lái)進(jìn)行濾波，陶瓷電容的阻抗特性好。
電磁兼容技術(shù)應(yīng)貫穿產(chǎn)品研發(fā)始終，包括產(chǎn)品的概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、原理圖印制板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、組裝調(diào)試等每個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，概要設(shè)計(jì)中需要調(diào)研產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境，分析現(xiàn)場(chǎng)干擾類(lèi)型，評(píng)估干擾風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)設(shè)計(jì)中需要針對(duì)具體的干擾，采取相應(yīng)的對(duì)策，需要全面設(shè)計(jì)。原理圖印制板圖設(shè)計(jì)需要將各項(xiàng)措施體現(xiàn)在原理圖中，必要時(shí)進(jìn)行仿真，印制板圖設(shè)計(jì)時(shí)需要按照模塊化設(shè)計(jì)，注意布局布線，敏感電路的電磁兼容防護(hù)。結(jié)構(gòu)也是電磁兼容設(shè)計(jì)中主要的一部分，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)對(duì)靜電、群脈沖、輻射等有很大的關(guān)系，結(jié)構(gòu)要求具有良好的屏蔽性和接地。裝配調(diào)試環(huán)節(jié)需要注意信號(hào)完整性，保證接地的連續(xù)性，注意面板接觸問(wèn)題，在測(cè)試環(huán)節(jié)根據(jù)遇到的實(shí)際情況，采取相應(yīng)的措施。
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二、電磁兼容實(shí)例應(yīng)用分析
學(xué)習(xí)電磁兼容技術(shù)的整體目標(biāo)是系統(tǒng)地學(xué)習(xí)電磁兼容方面的知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)電磁兼容設(shè)計(jì)理論，使這些方法、規(guī)則、措施等融入實(shí)際工作中，來(lái)保證產(chǎn)品盡可能可靠。
1、接地問(wèn)題
實(shí)例一：某系統(tǒng)設(shè)備在做422通訊串口的射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)測(cè)試，采用雙絞屏蔽線，開(kāi)始采用的是單端接地，測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的誤碼率高，幾乎沒(méi)有正確的數(shù)據(jù)，后來(lái)采用雙端可靠接地，通訊正常。
實(shí)例二：某系統(tǒng)設(shè)備在做視頻鼠標(biāo)線的射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)的試驗(yàn)時(shí)，在較低頻段（3M以下）時(shí)顯示器有波紋，上下閃動(dòng)，后來(lái)將視頻線的顯示器側(cè)可靠接地，干擾明顯降低，幾乎不影響顯示。
分析：這兩種現(xiàn)象都是在做射頻場(chǎng)的感應(yīng)傳導(dǎo)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的，射頻場(chǎng)的感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)實(shí)質(zhì)是：設(shè)備引線變成被動(dòng)天線，接受射頻場(chǎng)的感應(yīng)，變成傳導(dǎo)干擾入侵設(shè)備內(nèi)部，最終以射頻電壓電流形成的近場(chǎng)電磁場(chǎng)影響設(shè)備工作 ，以低頻磁場(chǎng)為主。
雙絞線能夠有效地抑制磁場(chǎng)干擾，這不僅是因?yàn)殡p絞線的兩根線之間具有很小的回路面積，而且因?yàn)殡p絞線的每?jī)蓚€(gè)相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，因此相互抵銷(xiāo)。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯。
屏蔽層兩端接地時(shí)，外界磁場(chǎng)在原來(lái)信號(hào)與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is，Is也會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，導(dǎo)致總磁場(chǎng)減小，減小了干擾。
2、屏蔽問(wèn)題
實(shí)例三：某系統(tǒng)為機(jī)柜、機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，其中控制部分為機(jī)箱結(jié)構(gòu)，子板總線板結(jié)構(gòu)，子板均安裝面板。做靜電試驗(yàn)時(shí)，接觸放電＋5.5kv時(shí)，對(duì)主板面板及左右相鄰的面板進(jìn)行靜電試驗(yàn)時(shí)，控制板重啟或死機(jī)，后來(lái)在控制板附近的面板之間安裝指形簧片，系統(tǒng)在接觸放電±6.6kv時(shí)運(yùn)行正常。
實(shí)例四：某系統(tǒng)試驗(yàn)，用普通機(jī)柜，系統(tǒng)很敏感，對(duì)機(jī)柜引出線（通訊線）進(jìn)行群脈沖試驗(yàn)，采用耦合夾耦合方式，干擾一加上去，系統(tǒng)就不正常，在通訊線兩端增加磁環(huán)，效果不明顯，后來(lái)沒(méi)有辦法了，更換了屏蔽機(jī)柜，進(jìn)行試驗(yàn)，有明顯效果，做幾輪后，系統(tǒng)才會(huì)出現(xiàn)倒機(jī)想象，在通訊線進(jìn)機(jī)柜處增加安裝磁環(huán)后，系統(tǒng)工作正常，幾輪試驗(yàn)后，沒(méi)有出現(xiàn)倒機(jī)現(xiàn)象，系統(tǒng)工作都正常。
分析：現(xiàn)在很多系統(tǒng)都是機(jī)箱結(jié)構(gòu)，即控制板、采集板、驅(qū)動(dòng)板等都安裝在同一機(jī)箱中，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與控制。安裝完成后各電路板會(huì)有一定的縫隙，靜電脈沖通過(guò)面板縫隙，分布電容向主板耦合，使電源失真或控制發(fā)生故障系統(tǒng)重啟、死機(jī)。在面板之間安裝指形簧片，使機(jī)箱成為一個(gè)良好的屏蔽體，由于電荷的“趨膚效應(yīng)”，當(dāng)有靜電干擾時(shí)，靜電會(huì)沿著表面泄放至大地，對(duì)內(nèi)部電路的影響減小或者消失。
屏蔽機(jī)柜對(duì)機(jī)柜的縫隙和門(mén)都進(jìn)行了處理，縫隙處安裝導(dǎo)電簧片，門(mén)與機(jī)柜接觸位置安裝導(dǎo)電布襯墊，提高機(jī)柜的屏蔽效能，提高機(jī)柜整體的抗干擾性，群脈沖干擾的實(shí)質(zhì)是對(duì)線路分布電容能量的積累效應(yīng)，當(dāng)能量積累到一定程度時(shí)就可能引起線路（乃至設(shè)備）工作出錯(cuò)。通常測(cè)試設(shè)備一旦出錯(cuò)，就會(huì)連續(xù)不斷的出錯(cuò)，即使把脈沖電壓稍稍降低，出錯(cuò)情況依然不斷的現(xiàn)象加以解釋。脈沖成群出現(xiàn)，脈沖重復(fù)頻率較高，波形上升時(shí)間短暫，能量較小，一般不會(huì)造成設(shè)備故障，使設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作的情況多見(jiàn)。
3、磁環(huán)的作用
實(shí)例五：對(duì)一個(gè)機(jī)箱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做群脈沖實(shí)驗(yàn)，機(jī)箱內(nèi)含有控制板、采集板、驅(qū)動(dòng)板等，采集線、驅(qū)動(dòng)線出機(jī)柜，需要做信號(hào)線群脈沖實(shí)驗(yàn)，當(dāng)干擾施加在采集線上時(shí)，所有的采集板上指示燈都閃爍，對(duì)采集回路進(jìn)行分析，采集輸入有光電隔離器件，采集回線為動(dòng)態(tài)的12V輸出，當(dāng)干擾施加時(shí)，可能造成采集回線上的電壓失真，造成指示燈閃爍，找了一個(gè)閉合磁環(huán)，安裝在采集回線上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在某一極性下指示燈閃爍，說(shuō)明磁環(huán)有作用，然后根據(jù)其阻抗特性，繞制2圈，實(shí)驗(yàn)效果不明顯，后來(lái)試驗(yàn)一下繞制3圈，結(jié)果，采集指示燈顯示正常，多次試驗(yàn)，系統(tǒng)均正常。
分析：磁環(huán)對(duì)群脈沖干擾有很好的抑制作用，根據(jù)實(shí)際情況安裝在通訊線的兩端或一端，磁環(huán)有不同的阻抗特性，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行頻率分析，設(shè)計(jì)磁環(huán)的截止頻率正好落在干擾信號(hào)頻率附近，使磁環(huán)體現(xiàn)較大的阻抗性，來(lái)抑制干擾。
磁環(huán)的圈數(shù)影響磁環(huán)的阻抗特性，圈數(shù)越多，阻抗特性曲線向低頻率方向移動(dòng)，即較低頻率下的阻抗越大，若此頻率比較接近干擾頻率時(shí)，就能起到很好的抑制干擾的作用。
電磁兼容技術(shù)融入電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，可以提高產(chǎn)品的安全可靠性，如果在實(shí)際測(cè)試中，某一方面存在缺陷，可以從電磁干擾的方式上入手進(jìn)行一步一步測(cè)試，電磁干擾有兩種形式：傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，從各自的耦合路徑進(jìn)行查找。一個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)超標(biāo)，可以先從輻射發(fā)射上解決，設(shè)備是否屏蔽良好，機(jī)殼上孔用導(dǎo)電布封住，導(dǎo)電布要與機(jī)殼良好接觸，再進(jìn)行試驗(yàn)，如果還超標(biāo)，那就是干擾主要是傳導(dǎo)發(fā)射引起的，在設(shè)備機(jī)殼出口處安裝信號(hào)濾波器和電源濾波器，進(jìn)行試驗(yàn)，如果還超標(biāo)，那就是干擾是通過(guò)電纜輻射和傳導(dǎo)發(fā)射出來(lái)，通過(guò)對(duì)屏蔽層的接地，減小地環(huán)路等措施必定能查找到原因并解決。
三、結(jié)語(yǔ)
產(chǎn)品需要逐步更新完善，才能達(dá)到一定的安全可靠，電磁兼容技術(shù)需要不斷的積累，才能保證產(chǎn)品的安全可靠，產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合不同，遇到的電磁干擾有所不同，產(chǎn)品的性能也不同，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，分析干擾源，查找耦合路徑，明確敏感源，對(duì)干擾源采取隔離措施，切斷耦合路徑或者疏導(dǎo)干擾，對(duì)敏感源采取屏蔽、濾波等措施，保證產(chǎn)品安全可靠工作。
