基于分層與綜合法的EMC設計

1.電磁兼容設計前的準備
電磁兼容設計前，須預先明確以下幾個(gè)問(wèn)題:
產(chǎn)品銷(xiāo)往何處?是在國內銷(xiāo)售還是準備銷(xiāo)往歐洲，或是美國、日本等國產(chǎn)品屬于哪一類(lèi)?是信息技術(shù)設備，還是工業(yè)、科學(xué)、醫療射頻設備，或是電信終端設備產(chǎn)品用于嘟里?是用于居住區、商業(yè)區、輕工業(yè)區，還是工業(yè)區按照預先明確的各項問(wèn)題，就可以確定電磁環(huán)境。電徽環(huán)境是指，存在于產(chǎn)品使用位置的所有電磁現象的總和。

這些電磁現象包括全部時(shí)間、全部頻譜，包括傳導與輻射。產(chǎn)品使用位I即產(chǎn)品安裝和工作的位里，其類(lèi)別的劃分是以該位I的主要電磁特性為基礎的.在IEC61000-2-5中列舉了8類(lèi)位2.即農村居民區、城市居民區、商業(yè)區、輕工業(yè)區、宜工業(yè)區(包括發(fā)電廠(chǎng)或變電站)、交通區、通信中心、醫院。電班環(huán)境的影響通過(guò)輻射和傳導侵入產(chǎn)品，其界面就如同一組端口，通過(guò)這些端口，電隴腸擾進(jìn)入或者出自所設計的產(chǎn)品。電磁掛擾的性質(zhì)和程度都與端口的類(lèi)型有關(guān)。

電磁環(huán)境和產(chǎn)品端口確定以后，就可以選用和剪狡適用的標準。根據標準中有關(guān)電徽發(fā)射限值和抗擾度限值的規定，可確定電磁兼容性電平、電徽發(fā)射電平和抗擾度電平，然后，將這些電平逐級分配到各功能塊上，細化

電路板級和元件級的指標。
根據電徽干擾的三要素:騷擾源，輛合途徑和敏感設備.為了保證產(chǎn)品的電磁發(fā)射電平和抗擾度電平滿(mǎn)足標準規定.必須分析存在哪些電勝腸擾派、吸擾鉚的特性、產(chǎn)生的機理、傳播特性及抑制方法等，還必須分析產(chǎn)品中，電磁級擾是如何從級擾派拐合到各端口的?是傳導精合、共阻抗輻合、感應拐合還是輻射輻合?即輻合途徑在嘟里，每條輻合途徑有什么特點(diǎn)?由于騷擾派頻域、時(shí)域特性的復雜性，以及城擾派幾何參數的復雜性和較寬的頻率范圍，遠場(chǎng)和近場(chǎng)并存，傳導和輻射同在，做好這些分析必須下一番工夫:為了保證產(chǎn)品的抗擾度電平滿(mǎn)足標準規定的限值，除了分析電磁騷擾的輻合途徑外，還必須分析產(chǎn)品中的敏感器件和電路，研究如何提高它們的抗干擾能力。

2.第一層設計:有源器件的選型與電源完整性
2.1有源器件的選型

電磁兼容設計的主要內容是抑制騷擾源的發(fā)射強度和提高敏感電路的抗干擾艙力，而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是模擬器件和邏輯器件的選型。企業(yè)在購買(mǎi)這些器件時(shí).一般都只關(guān)心價(jià)格和性能，只是在發(fā)現器件和電磁騷擾發(fā)射有關(guān)，并且決定著(zhù)產(chǎn)品的抗擾度，特別是發(fā)現電磁掛擾發(fā)射抑制和提高抗擾度的成本較高和研發(fā)周期顯著(zhù)J加后，才重視對這些器件進(jìn)行評估和選型。

事實(shí)上，在國外，器件生產(chǎn)廠(chǎng)商己收到愈來(lái)愈多的企業(yè)有關(guān)器件電磁騷擾發(fā)射和抗擾度方面的投訴。這是因為，要解決產(chǎn)品這方面的問(wèn)題，僅靠屏蔽和濾波是無(wú)法實(shí)現的。模擬器件和邏輯器件的靈敏度和帶寬決定了它們的抗擾度特性。

模擬器件的靈敏度以器件固有嗓聲為荃礎:邏輯器件的抗擾度特性取決于嗓聲容限或嗓聲抗擾度。噪聲容限即受加在愉入信號上的噪聲最大允許值，如果嗓聲大于嗓聲容限，退輯器件將誤翻轉。噪聲抗擾度越低，則器件的抗擾度越差。低電平、高密度組裝、商速、高頻器件很容易被干擾，特別是被脈沖嗓聲所干擾，推薦使用CMOS,HTL等器件。
邏輯器件還是一種騷擾發(fā)射較強的、最常見(jiàn)的寬帶騷擾源，器件的上升嚇降時(shí)間越短，對應邏輯脈沖所占頻譜越寬。頻譜寬度BW與上升尹下降時(shí)間rt的關(guān)系為:
BW=1/(Art)
例如，tr-2ns時(shí)，BW=159MHz，但實(shí)際輻射頻率范圍可達BW的十倍以上，此例中可達1.6GHz以上。

2.2電渾完整性
AI嗓聲電流和瞬態(tài)負載電流IL是這種寬帶傳導貓擾和輻射級擾的初始源。邏輯器件工作時(shí)，它內部的門(mén)電路將發(fā)生導通和截止狀態(tài)的轉換，會(huì )有一個(gè)突變電流

從所接電派流入門(mén)電路，或從門(mén)電路流入地線(xiàn)，使電派線(xiàn)或地線(xiàn)電流發(fā)生突變，這個(gè)變化的電流稱(chēng)為41嗓聲電流;由于電派線(xiàn)和地線(xiàn)存在一定分布電感L,4I嘴聲電流流過(guò)時(shí)，將引起反電動(dòng)勢和尖峰電壓，引發(fā)電源電壓突變。電鉚電壓的這種臾變稱(chēng)為△I噪聲電壓。

瞬態(tài)負載電流IL即門(mén)電路物入電容和馭動(dòng)線(xiàn)對地分布電容的放電電流耽，它與△I噪聲電流將發(fā)生復合，井將產(chǎn)生很商的八I嗓聲電壓，很明顯，它就是傳導掛擾和輻射腸擾的初始源.為了實(shí)現電派完整性，抑制傳導獲擾和輻射腸擾，就必須減小△I噪聲電壓.為了減小L，應優(yōu)選多層印制板，將地城改為多層板中的一層。此外，正確選擇信號今數和脈沖參教，減小△I,AV,選用rt長(cháng)的器件等。安裝去輻電容C.提供一個(gè)電流派，補償邏輯器件工作時(shí)所產(chǎn)生的△I嗓聲電流，也將減小△I噪聲電壓，實(shí)現電源完整性。

3.第二層設計:印制電路板設計與信號完整性
印制電璐板提供元器件的支攤和互連線(xiàn)，是構成產(chǎn)品的墓礎，是產(chǎn)品達到電磁兼容要求的重耍部分。印制板設計時(shí)應考慮以下內容:
各電路合理布局，不為各腸擾碩的電班發(fā)射提供“發(fā)射天線(xiàn)，，也不為敏感器件提供“接收天線(xiàn)”;線(xiàn)路板層數的選擇、元器件的布局和走線(xiàn)都應符合電磁兼容性的要求。

降低電路的頻率。盡量使用低速芯片，延長(cháng)上升尹下降時(shí)間，井使用低通濾波器濾除掉I/nrt以上的頻率成份。這部分頻率成分不但對電路工作沒(méi)有作用，而且輻射發(fā)射很強.

減小信號環(huán)路的面積。盡量使用表面安裝器件(SMD)和多層印制板.為了減小信號環(huán)路的面積，就需要知道差模電流的實(shí)際路徑。眾所周知，電流總是走阻抗最小的路徑.信號環(huán)路的阻抗Z=R+j(aL，既包括信號環(huán)路的電阻，也包括信號環(huán)路的電感.頻率較低時(shí)，感抗很小，阻抗Z主要由R決定:當頻率較高時(shí)，感抗所占比重越來(lái)越大，阻抗Z土要由L決定。根據定義，L=m/I.這里。為環(huán)路的磁通，I為環(huán)路電流。顯然.環(huán)路面積越大，所包圍的。越大，則L也越大?？梢哉f(shuō)，環(huán)路的阻抗與環(huán)路的面積成正比。所以，高頻電流總是走L最小的路徑，也就是環(huán)路面積最小的路徑。采用單面板時(shí).可以在緊靠信號線(xiàn)的旁邊布一條地線(xiàn);采用雙面板時(shí)，可以在線(xiàn)路面的另一面，緊靠信號線(xiàn)的一靦，沿著(zhù)信號線(xiàn)布一條較寬的地線(xiàn):如果采用多層板，則回流電流總是自動(dòng)的在信號線(xiàn)正下方的地線(xiàn)層上流動(dòng)，形成了最小的環(huán)路面積。

減小差模電流，盡量使用低功耗器件和理沖器。
當產(chǎn)品有外接電組時(shí)，應該特別注意由共模電流引起的輻射。共模輻射與驅動(dòng)源的頻率、共模電流、外接電纜的長(cháng)度有關(guān)。為了減小共模輻射，需要做到以下兒點(diǎn):
盡t使用短電統:減小共模電流，將共模電流旁路到地.或申接共模扼流圈:減小驅動(dòng)電壓，如減小地電位差等;采用屏蔽電纜，使電纜屏蔽層與屏蔽殼體作360。端接;盡址減少電纜上的高頻成份，可以在電級兩端使用低通共模灘波器來(lái)實(shí)現:遴免共阻抗拐合及其他干擾輻合。

由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，對時(shí)鐘電路等高速電路的設計要求越來(lái)越高.當CPU速率超過(guò)IOMHz,tr小于Sns時(shí)，即高速PCB，將產(chǎn)生傳翰線(xiàn)效應和信號完整性問(wèn)題，需要采用商速PCB技術(shù)。
信號完整性即在要求的時(shí)間內信號能以要求的時(shí)序，持續時(shí)間和電壓幅度做出響應，不失真地從鉚端傳送到接收端。傳抽線(xiàn)效應和信號完整性問(wèn)粗包括:反射，時(shí)延和時(shí)序錯誤，過(guò)沖廳沖和振蕩，申擾和EMI發(fā)射。要進(jìn)免傳抽線(xiàn)效應，實(shí)現信號完整性，旅必須做到:
控制走線(xiàn)長(cháng)度，合理規劃走線(xiàn)拓撲結構，使用端接匹配電阻和抑制EMI發(fā)射.

4.第三層設計:地線(xiàn)設計
地線(xiàn)設計是一項重要的設計，也是難度較大的一項設計。在電磁兼容設計的一開(kāi)始，就進(jìn)行地線(xiàn)設計是解決電磁兼容問(wèn)壓最有效和最旅價(jià)的方法.設計良好的地線(xiàn)網(wǎng)既能提商抗擾度，又能減小電斑發(fā)射。
接地的含義是:為電路或系統提供一個(gè)參考的等電位點(diǎn)或面。如果接真正的大地，則這個(gè)參考點(diǎn)或面就是大地電位。接地的另一個(gè)含義是:為電流流回源提供一條低阻抗路徑.

在地線(xiàn)設計時(shí)，必須知道地電流的實(shí)際流動(dòng)路徑。
地線(xiàn)設計應通免共地阻抗輻合干擾和地環(huán)路干擾，其根茸則是地找阻抗。頻率較低時(shí)，回路阻抗主耍是電阻:當翔率較商時(shí)，回路阻抗以感抗為主;為使感抗最小，必須使回路盡量小。

5.第四層設計:屏蔽設計
屏蔽技術(shù)用來(lái)抑翻電盛扭擾沿空間的傳播，即切斷輻射拐合的傳播途徑。電班場(chǎng)擾沿空間的傳括是以電進(jìn)波的方式進(jìn)行的，可分為近場(chǎng)和遠場(chǎng).
電側極子天線(xiàn)的近場(chǎng)稱(chēng)為高阻抗場(chǎng)，以電場(chǎng)為主，E正比于1尸，H正比于1尸。電偶極子天線(xiàn)稱(chēng)為離電壓、小電流、離阻抗翻.近場(chǎng)又稱(chēng)為感應場(chǎng)。遠場(chǎng)時(shí)，H和E都正比于I/r。遠場(chǎng)又稱(chēng)為輻射場(chǎng)，以平面波形式傳播。

近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽的必要條件是采用高導電率屏蔽體加接地;近場(chǎng)低頻磁場(chǎng)屏蔽可采用鐵、硅鋼片、坡莫合金等高導磁材料進(jìn)行磁屏蔽或磁旁路，增加屏蔽體厚度或采用多層屏蔽，可提高屏蔽效能，但不需接地:近場(chǎng)高頻磁場(chǎng)屏蔽時(shí)，因頻率較高，磁性材料的磁導率下降，磁損增加而不適用，這時(shí)，可采用高導電材料，使反射損耗增大，也不需接地，但如果屏蔽體接地良好，則還可以同時(shí)屏蔽近場(chǎng)高頻電場(chǎng):遠場(chǎng)電磁屏蔽應采用高導電率屏蔽體并接地。
實(shí)際的屏蔽機箱都有許多必要的孔、洞和縫原，引起導電不連續性.產(chǎn)生電磁泄漏，使屏蔽效能遠低于實(shí)心材料的屏蔽效能。因此屏蔽設計的關(guān)鍵就是如何保證屏蔽的完整性。
實(shí)踐證明，當孔縫尺寸等于半波長(cháng)的整數倍時(shí)，電磁泄拐最大，一般要求縫長(cháng)或孔徑小于k/10-)L/100.所以，高頻時(shí)，屏蔽效能主要取決于孔、縫，而低頻時(shí)，屏蔽效能主要取決于材料與厚度。但因趨膚深度有限，當厚度大于1.2mm后，就沒(méi)什么實(shí)際愈義了。
屏蔽機箱上的永久性接縫應采用焊接工藝密封;屏蔽機箱上的非永久性配合面，例如蓋板與箱體的配合面所形成的接縫，通常用拐釘緊固連接。但由于配合面不平整或變形，使屏蔽效能下降.導電襯墊是減小接縫的孟要屏蔽材料，被廣泛應用。
對導電襯墊的要求是:有足夠彈性和厚度;耐腐蝕井與機箱材料的電化序相容，以防電化學(xué)腐蝕:轉移阻抗盡可能低(當電徽場(chǎng)照射到襯墊上時(shí)，在襯墊上的感應電壓V與感應電流1之比為轉移阻抗):壓縮變形或壽命符合要求。
常用的導電襯墊有以下幾種:卷曲紹旋彈黃:用薄的窄帶金屬材料繞制而成，卷旋直徑為1.2-25mm，材料為不銹鑰或艘?jiàn)櫛髓€;指形黃片襯墊:由被青鑰皮沖壓而成的一排分立指形齒的襯墊結構，廣泛用于經(jīng)常擂要拆裝的機箱或益板;金周編織網(wǎng)襯墊:芯材也是金屬的全編織網(wǎng)襯墊，材料可以是被桐、獲乃爾、樁錫鑰芯鑰絲，具有很離的屏蔽效能;橡膠芯編織網(wǎng)襯墊也是一種彈性好的襯墊:導電椒膠襯墊:空心或實(shí)芯的導電橄膠板或條。
屏蔽機箱有通風(fēng)徽熱耍求時(shí)，孺耍開(kāi)孔，用穿孔金月板或班蓋金屬絲網(wǎng)在甚商抓時(shí)屏蔽效能都要下降。為此，豁要使用翻止波導式蜂窩板，它具有以下優(yōu)點(diǎn):工作頻率范圍寬，直到徽波頻段仍有較高屏蔽效能:對空氣阻力小，風(fēng)壓損失少;機械強度高，工作可靠毯定:
通風(fēng)板芯與框架之間，以及框架與機箱之間均使用導電襯墊，保證了低阻抗連接。
且示.、監視拐娜可視宙口應使用導電玻確防止電世穿透。導電玻瑞由層壓在兩層聚丙姆或平面玻勸之間的細金.絲網(wǎng)翻成，也可將金月薄腆真空沉積在光學(xué)基片上制成。其透光度可保持在60^-80%以上，而屏蔽效能可達8OdB以上.
面板上的操作旋妞、指示燈等都可以利用截止波導管進(jìn)行屏蔽。例如，使絕緣棒狀旋鈕式操作桿穿過(guò)截止彼導管，將指示燈安放在截止波導管后面等，都可以達到屏蔽的目的。
當導線(xiàn)成電組直接穿過(guò)屏蔽體時(shí)，屏蔽體內的電磁貓擾會(huì )拐合到進(jìn)、出屏蔽體的導線(xiàn)或電級上，并產(chǎn)生感應電流傳導到屏蔽體外，造成輻射;同樣，外界的電磁括擾，也會(huì )通過(guò)進(jìn)、出屏蔽體的導線(xiàn)或電統，產(chǎn)生感應電流并傳導到屏蔽體內，造成掛擾。由于導線(xiàn)或電統都有一定長(cháng)度，可等效為天線(xiàn)，其輻射或接收的能力往往比其它走線(xiàn)更強。所以，導線(xiàn)或電纜是不允許直接穿過(guò)屏蔽體的，否則，屏蔽體的屏蔽效能就會(huì )大幅度下降。因此，穿過(guò)屏蔽體的
單根導線(xiàn)或電纜，必須通過(guò)饋通池波器。池波器電路為低通浦波器，采用單個(gè)電容型時(shí)，懊通濾波器的結構如同一個(gè)穿芯電容器。灘波器電路還有單個(gè)電感型、L 型、二型等，電路中的電感均由套在內導體上的鐵氧體磁環(huán)構成。能對30MHz至300MHz頻率范圍內的騷擾感應電流產(chǎn)生30dB以上的衰減，而低通濾波器的3dB帶寬對通過(guò)比截止繃率更低的信號則是夠寬了。當需要穿過(guò)屏蔽體的導線(xiàn)或電統較多時(shí)，可采用濾波招連接吞或泌波器陣列。沈波

器連接器是在帶屏蔽殼的連接器的每個(gè)插針中安裝了低通濾波器，同樣有單個(gè)電容型、單個(gè)電感型、L型和二型等。濾波器連接器不僅具有與其相應的非濾波器連接器相同的插針布置和觸點(diǎn)間距，而且可以和它們互換配對和互換裝配。濾波器陣列則是由大量超小型單個(gè)低通濾波器按需要排列成陣列組成。在使用這些濾波器時(shí)，最重要的是保證接地良好，確保濾波器與屏蔽體有良好的接觸，最好是使用焊接方式。
‘.第五層設計:濾波設計
實(shí)踐表明，即使一個(gè)經(jīng)過(guò)很好設計、并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì )因有導線(xiàn)或電纜直接穿過(guò)屏蔽體而使屏蔽效能大大下降，導致電磁兼容試驗失敗。解決這個(gè)問(wèn)題的有效方法，就是在導線(xiàn)或電纜的端口處安裝濾波器，將傳導騷擾濾除。所以，濾波技術(shù)用來(lái)抑制電磁騷擾沿導體的傳播，即切斷傳導騷擾的傳播途徑。從頻率選擇的角度出發(fā)，濾除傳導騷擾的濾波器屬于低通濾波器，包括電源線(xiàn)濾波器、信號線(xiàn)濾波器等。其目的是使低頻成份通過(guò)，而高頻成份被衰減。從濾除傳導騷擾的機理出發(fā)，這種濾波器還可分為反射式濾波器和吸收式濾波器兩類(lèi)。
反射式濾波器由L,C等電抗元件組成，阻帶內的頻率成分被反射至騷擾源。
選擇反射式低通漣波器電路結構時(shí)，應根據阻抗失配原則，即騷擾源阻抗與濾波器輸入阻抗、濾波器輸出阻抗與負載阻抗都有最大程度的失配，就可以獲得良好的濾波效果。因此，對于低的騷擾源阻抗，濾波器輸入端應選用串聯(lián)電感端口，對于高的騷擾源阻抗，濾波器輸入端，應選用并聯(lián)電容端口;同樣，對于低阻抗負載，浦波器輸出端應選用串聯(lián)電感端口，對于高阻抗負載，濾波器輸出端應選用并聯(lián)電容端口。
濾波器的重要特性是插入損耗隨頻率的變化，即頻率特性。插入損耗定義為

基本電路的濾波效果很有限，為了提高濾波效果，可在基本電路基礎上，再增加一些元件。例如，與共模扼流圈串聯(lián)兩只差模扼流圈，以增大對差模騷擾電流的濾波，而構成差模增強型濾波器;如果在共模扼流圈右邊再增加一個(gè)共模扼流圈，以增大對共模孤擾電流的濾波，便構成共模增強型濾波器;也可以同時(shí)增加共模扼流圈和差模扼流圈，就構成了高性能型濾波器。差模濾波電容可以適當增加，但不希望增加共模濾波電容，以免泄漏電流超過(guò)安全標準規定的限值。

電源線(xiàn)濾波器的性能與其安裝方式有很大關(guān)系。例如，安裝時(shí)，濾波器的輸入引線(xiàn)不得過(guò)長(cháng)，與輸出引線(xiàn)不得發(fā)生禍合，還必須接地良好。
信號線(xiàn)濾波器則要求正確選擇截止頻率。
吸收式濾波器由鐵氧體元件構成。
70綜合設計

在分層設計的同時(shí)，應對接地、屏蔽和濾波等進(jìn)行綜合設計。例如，畫(huà)出地線(xiàn)網(wǎng)后，是否在穿過(guò)屏蔽體時(shí)使用了鎖通濾波器?是否考慮了必要的屏蔽和濾波;又如，屏蔽機殼設計完成后，進(jìn)出屏蔽體的導線(xiàn)或電纜是否經(jīng)過(guò)了濾波?屏蔽殼是否有可靠的接地?再如，完成濾波設計后，輸入端和輸出端之間是否有屏蔽隔離?濾波器及其殼體是否有可靠的接地連接等，都需要綜合起來(lái)進(jìn)行設計。
總之，電磁兼容設計表面看來(lái)很復雜，不知從何下手，但只要采用分層與綜合設計法，就會(huì )迎刃而解了。