電子設備中基于接地與屏蔽的電磁兼容性設計

隨著(zhù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設備應用越來(lái)越廣泛，電子系統的集成度越來(lái)越高，但是在復雜電磁環(huán)境下，電子系統對電磁干擾有明顯的敏感性和脆弱性。為了減少故障并杜絕事故的發(fā)生，必須對電子設備進(jìn)行電磁兼容性設計。只要電子電氣設備通電就會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，電生磁，磁生電，因此電磁環(huán)境是非常復雜的，一方面要求使用電子設備時(shí)對周?chē)碾姶怒h(huán)境不造成污染，另一方面也要求該電子設備在現實(shí)電磁環(huán)境應用中不至于性能下降或發(fā)生故障以致產(chǎn)生嚴重事故。因此必須對電子設備的電磁兼容性進(jìn)行研究，對電磁導致的干擾進(jìn)行控制與防護[1-2]?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電磁兼容">電磁兼容性設計的重要性，以下對相關(guān)問(wèn)題作某些探討。

1 常見(jiàn)的電磁干擾現象及其分析

電磁及其感應現象是普遍存在的，因此電子系統的電磁工作環(huán)境是非常復雜的。從工程應用角度，電磁干擾按工作頻率的不同可將其進(jìn)行分類(lèi)。例如，一般電網(wǎng)中普遍存在諧波信號電壓波動(dòng)、電網(wǎng)頻率變化與低頻感應電壓、電網(wǎng)電壓不平衡、電網(wǎng)供電波動(dòng)短暫下降與短時(shí)間中斷等導致的低頻傳導干擾，磁場(chǎng)與電場(chǎng)的低頻輻射干擾;由于感應連續波電壓電流的振蕩瞬變與單向瞬變引起的高頻傳導干擾，電磁場(chǎng)(連續波、瞬態(tài))與磁場(chǎng)、電場(chǎng)導致的高頻輻射干擾;由于材料的絕緣性能導致的靜電放電干擾等。上述提及的干擾包含了工程應用中絕大多數的電磁干擾現象。

在對電子系統進(jìn)行抗干擾性能分析時(shí)，必須對導致系統的固有特性及其應用環(huán)境進(jìn)行綜合分析。電子電路系統中可能出現的電磁干擾類(lèi)型有：例如，由于存在電路回路的公共阻抗耦合，因而導致電路性的相互干擾;由于干擾源與干擾對象之間存在著(zhù)變化的電場(chǎng)，通過(guò)電容耦合可能形成電容性干擾，因其會(huì )產(chǎn)生干擾電壓; 空間電磁波的電、磁場(chǎng)強度變化，可能產(chǎn)生感電勢導致的傳導電流和傳導電壓的干擾;在交變磁場(chǎng)干擾源中，電流變化可能導致在電感性元件上產(chǎn)生感應電壓，因而產(chǎn)生電感性干擾等等。

2 電磁兼容性及其設計機理

2.1 電磁兼容性

隨著(zhù)電氣及電子設備在現代化生產(chǎn)中的廣泛應用，設備聯(lián)接越來(lái)越復雜，功率越來(lái)越大，數量急劇增加，對設備要求也越來(lái)越高，頻帶日益加寬，設備靈敏度更高， 因此電磁兼容性問(wèn)題變得更加重要。電磁兼容(EMC，ElectromagneticCompatibility)的涵義是指處于電磁環(huán)境中的電子系統， 任何其他事物都不可能對它構成不能承受的電磁干擾能力，且設備或系統都能夠正常地工作。電磁兼容技術(shù)涉及通信、計算機、電子、生產(chǎn)、軍事以及生活的各個(gè)方面，是一門(mén)正在迅速發(fā)展的交叉學(xué)科。電磁兼容是研究在有限空間、有限時(shí)間與有限頻譜資源條件下，不同設備相互之間可以共存而不致相互影響的科學(xué)。由上述電磁兼容定義可知，電磁兼容的涵義包括：設備對周?chē)渌O備不產(chǎn)生不能承受的干擾，其本身也不受其他設備干擾的影響。電磁兼容性研究涉及多個(gè)方面，首先是對電磁干擾源自身特性的研究;其次，電磁發(fā)射強度、干擾機理與電磁干擾抑制方法以及電磁干擾的時(shí)頻域特性等方面的研究，第三，特別值得注意的是設備自身抗電磁干擾性能的研究;最后，如何評價(jià)電磁輻射與傳導特性等電磁兼容性，采用什么設備與測量方法對電磁干擾進(jìn)行測量，如何處理測量數據與測量結果。從更大范圍考慮，它還涵蓋了系統內及系統間的電磁兼容性。電磁兼容性研究?jì)热莅ㄗ匀患叭藶殡姶鸥蓴_源，如閃電現象與靜電放電就是自然電磁干擾源，干擾源的測量包括開(kāi)闊場(chǎng)地、輻射、傳導與脈沖干擾的測量(電浪涌、快速瞬變脈沖群與靜電放電)，在實(shí)現電磁兼容性的技術(shù)方面有屏蔽、接地、綁接與濾波等，也包括采用特殊設計技術(shù)以抑制電磁干擾。

2.2 抗電磁干擾設計機理

要構成電磁干擾必須同時(shí)具備三個(gè)條件：其一，必須有干擾源存在，沒(méi)有干擾源存在，顯然不可能對設備產(chǎn)生電磁干擾;其二，有傳播電磁干擾的通道存在，否則不可能形成對設備的電磁干擾;其三，設備要能夠接受到干擾信號，并直接影響到設備的正常工作，因此即使設備接受到了干擾，如果采取技術(shù)措施可消除其對設備的干擾。例如，一個(gè)魯棒性很強的設備，是不會(huì )受到電磁干擾影響的?？闺姶鸥蓴_設計機理就是要采取電磁兼容性設計，使上述三個(gè)條件不同時(shí)具備，以達到提高設備抗電磁干擾的目的。

以電子設備抗干擾設計為例，因為設備中高頻干擾特別突出，首先是對設備發(fā)射的射頻能量進(jìn)行控制，使其盡可能地小以免干擾其它設備，其次，為了設備不受到外界干擾，必須盡量減小進(jìn)入該設備的射頻能量。電磁干擾可以借助輻射或者傳導傳輸兩種方式實(shí)現，如干擾源能量直接輻射到控制線(xiàn)、信號線(xiàn)與電源線(xiàn)進(jìn)入設備后，可通過(guò)公共信號、控制電纜或公共電源線(xiàn)等耦合途徑直接干擾設備的正常工作。因此，可在設備端口或敏感回路，采用共?；虿钅？垢蓴_措施，最大限度地減少對其影響，降低輻射與傳導的能量，提高設備的抗干擾性能，其抗電磁干擾設計機理就是杜絕同時(shí)滿(mǎn)足上述的三個(gè)必備條件[3-4]?；诖?，其抗電磁干擾設計的技術(shù)措施可以是各種各樣的，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，可采取的技術(shù)措施會(huì )越來(lái)越豐富，以保證設備設計的電磁兼容性。

3 抗干擾設計策略

抗電磁干擾設計就是在復雜電磁頻譜環(huán)境下，采用綜合技術(shù)措施以保障電子設備正確發(fā)揮效能。按照抗電磁干擾設計機理，首先是抑制干擾源以防范電磁干擾; 其次是采取防電磁干擾措施，以阻斷干擾傳播途徑;最后，是降低電子設備對干擾的敏感度，或者提高電子設備的魯棒性性能，以預防與抑制電磁干擾。針對電子系統的電纜接插件、印制板布局、信號布置，抑制干擾布線(xiàn)、元器件、濾波器、接地與旁路等環(huán)節可能引入的電磁干擾信號，可采用隔離、電路阻抗控制、濾波、解耦、密封、接地、屏蔽、正確布線(xiàn)等抗電磁干擾措施。

3.1 PCB版的合理布局與布線(xiàn)設計

在電路布局方面，電源、模擬與數字電路的元件布局和布線(xiàn)是不同的，在元件布局時(shí)應將其分別放置，應將高、低頻電路分開(kāi)，盡可能將其各自隔離，注意信號傳輸方向、途徑以及強、弱信號的器件分布相互之間不要產(chǎn)生干擾。對于容易產(chǎn)生噪聲干擾的電路，如時(shí)鐘發(fā)生器、晶振與CPU 時(shí)鐘等的輸入端等，應當相互盡可能地靠近些，以便于合理布局整個(gè)PCB版，減少干擾源。強弱電流不同的電路與易產(chǎn)生噪聲的器件應盡可能遠離邏輯電路。最大限度地減少信號通路與電路元件布局中無(wú)用信號的相互耦合。為避免模擬、數字電路產(chǎn)生公共阻抗耦合，將低電平的模擬與數字電路分開(kāi)，并且遠離無(wú)濾波的電源和高電平信號線(xiàn);在PCB版布局上，應將不同的高、中、低速邏輯電路分別布局于不同的區域，確保同層相鄰布線(xiàn)、同板相鄰層、相鄰板之間的平行信號線(xiàn)盡可能長(cháng)度最小;EMI濾波器放置于同一線(xiàn)路板并盡可能靠近EMI源;整流器、DC/DC變換器與開(kāi)關(guān)元件與變壓器的放置位置應當盡可能地靠近以縮短導線(xiàn)長(cháng)度。濾波電容器、調壓元件與整流二極管的放置位置也應當盡可能地靠近，以減少對外部的干擾;噪聲與非噪聲元件盡量遠離，將印刷電路板按電流開(kāi)關(guān)特性與頻率分區， 杜絕大電流、高速開(kāi)關(guān)線(xiàn)與噪聲敏感布線(xiàn)相互平行。