電磁兼容設(shè)計(jì)故障診斷

電磁兼容設(shè)計(jì)內(nèi)容清單

方案設(shè)計(jì)

）明確所開發(fā)的設(shè)備或系統(tǒng)要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)，根據(jù)用戶的要求或?qū)嶋H情況（例如，周圍有高靈敏度的接收機(jī)，或產(chǎn)生強(qiáng)干擾的設(shè)備），需要提出項(xiàng)目專用的電磁兼容要求。

）設(shè)計(jì)接口電路，盡量使用平衡接口電路。必要時(shí)，可以在接口電路上是用隔離變壓器、光耦合器件等提高抗共模干擾的能力；

）電路中避免使用高速的脈沖信號，脈沖信號的上升和下降要盡量平緩，模擬電路的帶寬要盡量窄（通過選擇帶寬適當(dāng)?shù)钠骷图舆m當(dāng)濾波電路來限制帶寬）；

）盡量使用大規(guī)模集成電路，這樣可以獲得很小的環(huán)路面積，提高抗干擾性；

）確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路部分，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路，考慮對這些電路采取特殊的隔離措施（局部屏蔽、濾波）；

）確定需要隔離的電路的隔離界面。隔離界面的確定原則是:穿過界面的信號線盡量少，并且頻率盡量低（以便采取濾波措施）；

）根據(jù)系統(tǒng)的工作原理和地線設(shè)計(jì)的原則，畫出系統(tǒng)的地線圖（地線圖上可以不標(biāo)具體器件、電路，僅標(biāo)出不同的電路模塊），不同性質(zhì)的電路用不同的地線，不同的地線用不同的符號表示；

）確定需要采取哪些干擾抑制措施，例如屏蔽、濾波等，需要的屏蔽效能和濾波性能（包括頻率范圍、衰減量等）；

）電纜線分組，將信號線按照高頻、低頻、數(shù)字、模擬、電源等特性分組，不同組的信號不要安排在一根電纜內(nèi)，否則不但容易造成互相干擾問題，而且不利于采取濾波措施。

、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先確定制造屏蔽機(jī)箱的材料，分析屏蔽效能的要求，看是否有低頻磁場（1KHz以下的）屏蔽要求，如果沒有，可以選擇鋼、鋁、銅等常用的材料作屏蔽材料或采用塑料機(jī)箱內(nèi)部噴涂電磁屏蔽涂料。如果有低頻磁場的屏蔽要求，需要采用坡莫合金等高導(dǎo)磁率的材料；

）如果使用高導(dǎo)磁率材料，是否有條件做熱處理，恢復(fù)其由于加工而損失的導(dǎo)磁率；

）確定機(jī)箱上需要低阻抗搭接的部位；（例如屏蔽體的接縫、靜電放電電流的路徑、濾波器的接地、系統(tǒng)公共地線等）

）低阻抗搭接的實(shí)現(xiàn)方法(保證必要的低阻抗)，對于永久性連接，最理想的方法是焊接，對于長縫隙，要連續(xù)焊接（需要注意的是，連續(xù)焊接時(shí)會產(chǎn)生變形）；

）非永久性搭接的處理方法，一般采取電磁密封襯墊，選用什么種類的電磁密封襯墊，綜合考慮屏蔽效能、密封襯墊安裝方式、電化學(xué)相容性、價(jià)格等問題；

）安裝電磁密封襯墊的表面的導(dǎo)電性如何保證；

）充分考慮電磁密封襯墊形成的反彈力造成面板的變形，面板的剛度要足夠；

）在惡劣環(huán)境（潮濕、鹽霧等環(huán)境）中使用，或襯墊材料與屏蔽基體材料電化學(xué)不相容時(shí)，用適當(dāng)?shù)沫h(huán)境密封措施，隔絕潮氣；

）進(jìn)出屏蔽機(jī)箱的電纜是否采取了措施，例如屏蔽或?yàn)V波（屏蔽一般對頻率較低的干擾抑制作用較好，高頻時(shí)的效果取決于屏蔽電纜的結(jié)構(gòu)和屏蔽層的端接方式），電纜的屏蔽層與電纜兩端的機(jī)箱是否滿足“啞鈴模型” 的要求；

）對于傳輸頻率較低的信號的電纜，或一端沒有屏蔽體的屏蔽電纜（如連接傳感器的電纜），在電纜端口處采取濾波是最好的解決方案；

）濾波器的安裝方式是否正確，是否解決了濾波器良好接地、濾波器輸入輸出端耦合、濾波器與電纜入口之間的導(dǎo)線過長等問題；

）如果使用了濾波連接器或?yàn)V波陣列板，在濾波連接器或?yàn)V波陣列板與機(jī)箱之間要安裝電磁屏蔽密封襯墊；

）電源線濾波器的外殼要直接搭接在金屬機(jī)箱上，電源線要盡量短；

）最好（數(shù)字設(shè)備更是如此）在電源入口使用帶電源插座的濾波器；

）機(jī)箱上的縫隙或孔洞盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)輻射源（例如，導(dǎo)線、電纜、線路板等）或敏感電路； 16）機(jī)箱上不能有任何金屬物體直接穿過機(jī)箱；

）通風(fēng)孔上如果使用蜂窩板，蜂窩板與機(jī)箱之間必須使用電磁密封襯墊；

）顯示窗口的處理方法，如果使用屏蔽玻璃，在屏蔽玻璃與機(jī)箱之間必須使用電磁密封襯墊；

）針對設(shè)備上所有會受到靜電放電試驗(yàn)的部位，根據(jù)電流從阻抗最小的路徑流過的原則，預(yù)測一條電流泄放的路徑，然后分析；靜電放電路徑上或附近是否有敏感電路；

）對靜電放電路徑附近敏感電路進(jìn)行電磁屏蔽，屏蔽層接到電路地上；

）如果采用的是非屏蔽機(jī)箱，要在電纜入口處設(shè)置一塊較大的金屬板，為電纜接口處的濾波、電纜屏蔽層端接提供條件；

）線路板層數(shù)的確定，綜合考慮電磁兼容性要求和成本，成本允許時(shí)，盡量使用四層以上的線路板，設(shè)置一層地線面；

）充分考慮器件的位置和方向；

）避免時(shí)鐘諧波重合，對每個(gè)時(shí)鐘信號做一張諧波表；

）對于多層線路板，要是高速信號、高敏感信號與地線層相鄰布置；

）按照電路的工作頻率、電平大小、數(shù)字電路/模擬電路劃分，將不同性質(zhì)電路分別布置在線路板的不同區(qū)域，使干擾電路與敏感電路遠(yuǎn)離；

）不同區(qū)域的電路（對應(yīng)不同性質(zhì)的電路）使用不同的地線和電源，不同的地線和電源在一點(diǎn)連接起來；

）對于多層線路板，不同區(qū)域的地線面在邊緣處要滿足20H法則（即，地線面的邊沿要比電源層或信號線層的邊沿外延出20H，H是地線面與信號線層之間的高度）；

）對于專門設(shè)置地線面的多層線路板，要避免地線面上有長縫隙（地線不連續(xù)）（不包括為了分割不同地線而有意設(shè)置的縫隙）,如果地線面上有長縫隙，不能有信號線穿過地線面上的裂縫（在縫隙的上方或下方跨過縫隙）；

）時(shí)鐘信號的回路面積必須盡量?。?/p>

）在關(guān)鍵信號線（高頻或特敏感的信號）的臨近設(shè)置回流線（信號地線）；

）如果采用雙層線路板，必須設(shè)置地線網(wǎng)絡(luò)（A面打上橫線，B面打上豎線，在兩者相交處通過金屬化過孔將兩者連接起來，作為地線使用）；

）高速時(shí)鐘線盡量短，并且不要換層布線，拐角不要90度，以免阻抗發(fā)生突變，造成信號反射；

）所有的走線，如果它的長度（英寸）大于信號上升/下降時(shí)間（ns），應(yīng)該使用端接電阻（典型值33Ω）；

）對所有長度（英寸）大于信號上升/下降時(shí)間（ns）的走線進(jìn)行仿真分析；

）高速時(shí)鐘電路盡量遠(yuǎn)離I/O端口，防止高頻信號耦合到電纜上，借助電纜產(chǎn)生功模輻射； 16）在I/O區(qū)域?qū)⑦壿嫷嘏c機(jī)殼以非常低的阻抗連接起來，這點(diǎn)非常關(guān)鍵；

）I/O接口上使用獨(dú)立的地線，這塊獨(dú)立的地線與線路板上的其它部分地線僅通過一點(diǎn)連接，這塊地線專門為濾波和屏蔽層提供干凈地；

）安裝在線路板上的I/O接口濾波器，要盡量靠近電纜進(jìn)出口，使濾波器和電纜連接器之間（屏蔽機(jī)箱之間）的聯(lián)線最短

）I/O接口電纜的驅(qū)動(dòng)電路要靠近機(jī)箱上的連接器；

）對所有I/O電纜進(jìn)行共模濾波，將所有I/O電纜集中在線路板的設(shè)定I/O區(qū)域；

）作為I/O接口濾波的旁路電容與機(jī)殼之間的連接必須阻抗很低；

）芯片上安裝的散熱器片要多點(diǎn)接到信號地上；

）線路板上的局部屏蔽必須選擇走線最少的界面，并對所有穿過屏蔽盒的走線濾波；

）電源解耦電容的容量盡量小；

）電源解耦電容與芯片電源引腳和地線引腳之間的引線盡量短；

）使用多只相同容量的電源解耦電容，對于雙排引線器件，至少2只，對于方形封裝的器件，至少4只；

、電纜設(shè)計(jì)

）扁平電纜盡量在每根信號線旁邊配一根地線，條件不允許時(shí)，每兩根信號線配一根地線； 2）情況允許時(shí)，使用雙絞線，但是用雙絞線時(shí)，注意兩端電路接地，不要形成較大的地線回路；

）使用同軸電纜時(shí)，注意外層的端接和兩端電路的接地，不要形成除了外層以外的第二條回流路徑；

）電纜遠(yuǎn)離屏蔽體上的縫隙，開口；

）設(shè)備外部電纜的屏蔽層與屏蔽機(jī)箱要360度搭接；

）對于設(shè)備外部電纜，確保屏蔽層與屏蔽機(jī)箱之間的低阻抗搭接；

）電纜上安裝鐵氧體磁環(huán)，根據(jù)需要調(diào)整繞在鐵氧體磁環(huán)上的導(dǎo)線的匝數(shù)；

）盡量不將不同的信號線安排一個(gè)連接器或電纜中。

電磁兼容的問題常發(fā)生于高頻狀態(tài)下，個(gè)別問題（電壓跌落與瞬時(shí)中斷等）除外。高頻思維，總而言之，就是器件的特性、電路的特性，在高頻情況下和常規(guī)中低頻狀態(tài)下是不一樣的，如果仍然按照普通的控制思維來判斷分析，則會走入設(shè)計(jì)的誤區(qū)。比如：

電容，在中低頻或直流情況下，就是一個(gè)儲能元件，只表現(xiàn)為一個(gè)電容的特性，但在高頻情況下，它就不僅僅是個(gè)電容了，它有一個(gè)理想電容的特性，有漏電流（在高頻等效電路上表現(xiàn)為R），有引線電感，還在導(dǎo)致電壓脈沖波動(dòng)情況下發(fā)熱的ESR（等效串聯(lián)電阻），（如圖）。從這個(gè)圖上分析，能幫我們設(shè)計(jì)師得出很多有益的設(shè)計(jì)思路。第一，按照常規(guī)思路，1/2πfc是電容的容抗，應(yīng)該是頻率越高，容抗越小，濾波效果越好，即越高頻的雜波越容易被泄放掉，但事實(shí)并非如此，因?yàn)橐€電感的存在，一支電容僅僅在其1/2πfc=2πf L等式成立的時(shí)候，才是整體阻抗最小的時(shí)候，濾波效果才最好，頻率高了低了都會濾波效果下降，由此就可以分析出結(jié)論，為什么在IC的VCC端都會加兩支電容，一支電解的，一支瓷片的，并且容值一般相差100倍以上多一點(diǎn)。就是兩支不同的電容的諧振頻率點(diǎn)岔開了一段距離，既利于對稍高頻的濾波，也利于對較低頻的濾波。

其次是線纜或PCB布線的高頻等效特性（如圖），無論高低頻，走線電阻都是客觀存在，但對于走線電感，則只在較高頻時(shí)候才可以顯現(xiàn)得出來。另外就是還有一個(gè)分布電容的存在，但是，在導(dǎo)線附近沒有導(dǎo)體的時(shí)候，這個(gè)分布電容有也是白搭，就像沒有男人，女人也不能生孩子一樣，這是一個(gè)需要兩個(gè)導(dǎo)體才可以發(fā)揮的作用。

電感和電阻的特性比較簡單，易于理解，就不贅述了。

但磁環(huán)和磁珠的高頻等效特性卻不得不提一下，因?yàn)榇怒h(huán)對高頻脈動(dòng)的吸波作用，與電感的表現(xiàn)有點(diǎn)類似，所以經(jīng)常被認(rèn)為是電感特性，但事實(shí)上錯(cuò)了，磁環(huán)是個(gè)電阻特性，不過這個(gè)電阻有點(diǎn)特別，它的阻值大小是頻率的函數(shù)R(f)，如此的話，在一個(gè)帶有高頻波動(dòng)的信號穿過磁珠的時(shí)候，高頻波動(dòng)會因?yàn)镮2R的作用而發(fā)熱，將波動(dòng)干擾經(jīng)過電能——磁能——熱能的轉(zhuǎn)化過程，所以在導(dǎo)線上波動(dòng)比較強(qiáng)烈的時(shí)候，磁環(huán)摸起來會是溫的。

以上是EMC專業(yè)中高頻思維的基礎(chǔ)知識，有了這些，一系列的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都可以迎刃而解了。比如：

IC的VCC端為何加裝兩只電容，一只電解電容，一只瓷片電容，是因?yàn)殡娙莸母哳l等效特性，引線電感和電容的串聯(lián)導(dǎo)致其綜合阻抗隨頻率而變化，而在WL=(1/WC)的頻率點(diǎn)上，是其阻抗最小的點(diǎn)（如圖）。而且兩個(gè)電容分別有自己的最小阻抗點(diǎn)，分別對應(yīng)不同的頻率點(diǎn)，以便于為IC不同頻率范圍的供電需求提供電流。

靜電工作臺的接地導(dǎo)線用寬的銅皮帶和金屬絲網(wǎng)蛇皮管，而不是黃綠的圓形接地線纜，圓形接地線纜的走線電感量偏大，不利于高頻靜電電荷的泄放。

線纜和線纜之間的間距不宜太近，否則會因?yàn)閷?dǎo)線分布電容的存在而導(dǎo)致信號線纜之間出現(xiàn)串?dāng)_，當(dāng)然，信號線對地線的耦合那又最好是近一點(diǎn)，這樣，信號線上的波動(dòng)干擾可以方便的泄放到地線上去。

… …

寫到這里，讓我不由得想起了庖丁解牛，在普通人眼里，牛就是一堆肉，但在庖丁的眼里，它是一個(gè)脈絡(luò)清晰的骨架，于是就有了宛若藝術(shù)般的解剖過程，對電子工程師來說，把電子器件都當(dāng)成一個(gè)高頻等效的組合電路，則EMC的設(shè)計(jì)將如油畫家，畫出一幅美輪美奐的作品來。