中興電磁兼容設(shè)計(jì)講座

1、電磁兼容設(shè)計(jì)講座,電磁兼容講座系列,定義,電磁兼容（EMC)： Electromagnetic Compatibility 電磁干擾（EMI)： Electromagnetic Interference 電磁敏感性（EMS： Electromagnetic Susceptibility,為什么要考慮EMC,國(guó)內(nèi)外技術(shù)壁壘、強(qiáng)制要求 產(chǎn)品的可靠性,EMI試驗(yàn):(參照CISPR22/GB9254,傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn) 輻射發(fā)射試驗(yàn),EMS試驗(yàn) (GB/T17626.系列,靜電放電抗擾性試驗(yàn)（.2） 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾性試驗(yàn)（.3） 電快速瞬變脈沖群抗擾性試驗(yàn)（.4） 雷擊浪涌抗擾性試驗(yàn)（.5） 射頻場(chǎng)傳導(dǎo)

2、抗擾性試驗(yàn)（.6） 工頻磁場(chǎng)抗擾性試驗(yàn)（.8） 電壓瞬時(shí)跌落,短時(shí)中斷和電壓漸 變的抗擾性試驗(yàn)（.11,何時(shí)解決EMC,EMC 三要素,干擾源 敏感設(shè)備 傳播途徑,EMC設(shè)計(jì),接地（Grounding) 屏蔽(Shielding) 濾波(Filtering) 內(nèi)部設(shè)計(jì)（PCB板,EMC設(shè)計(jì)三階段,問(wèn)題解決階段 規(guī)范設(shè)計(jì)階段 分析預(yù)測(cè)階段,接地(Grounding,接地的目的一是防電擊，一是去除干擾?？蓪⒔拥胤譃閮纱箢悾?安全接地(Safety Grounding) 信號(hào)接地,安全接地(Safety Grounding,安全接地是指接大地(Earthing)，也就是將電氣設(shè)備的外殼以低阻抗導(dǎo)體連

3、接大當(dāng)人員意外觸及時(shí)不易遭受電擊,信號(hào)接地,信號(hào)接地除提供參考點(diǎn)之外，同時(shí)還可以大量消除雜訊的干擾。由于雜訊本身的特性，考慮接地時(shí)有不同的處理方法： 單點(diǎn)接地 多點(diǎn)接地 復(fù)合式接地,單點(diǎn)接地,系統(tǒng)或裝備上僅有一點(diǎn)接地，分為： 串聯(lián)單點(diǎn)接地； 并聯(lián)單點(diǎn)接地,串聯(lián)單點(diǎn)接地,若系統(tǒng)各線路或裝備所產(chǎn)生或需要的能量變化太大，則不適用串聯(lián)單點(diǎn)接地，因?yàn)楦吣芰康木€路或裝備所產(chǎn)生大量的地電位會(huì)嚴(yán)重地影響低能量線路或裝備的正常運(yùn)作,并聯(lián)單點(diǎn)接地,并聯(lián)單點(diǎn)接地最大的缺點(diǎn)是耗時(shí)費(fèi)料，由于接地線太多太長(zhǎng)，以至增加各地阻抗，尤其在高頻范圍中更加嚴(yán)重,多點(diǎn)接地,在頻率低于10MHz時(shí)，較適于單點(diǎn)接地。若在高頻(10MHz

4、)情況下，由于接地線的長(zhǎng)度以及接地電路的影響，故單點(diǎn)接地?zé)o法達(dá)到去除干擾的效果，此時(shí)就得使用多點(diǎn)接地。此時(shí)接地線的長(zhǎng)度亦應(yīng)盡量縮短。下圖各接地點(diǎn)可視為機(jī)殼或接地板,復(fù)合式接地,復(fù)合式單點(diǎn)接地將線路或裝備加以歸類，而同時(shí)使用串聯(lián)與并聯(lián)法，可同時(shí)兼顧降低雜訊以及減化施工與節(jié)省用料,機(jī)架系統(tǒng)的接地樹(shù)（例,注意,由于頻率的關(guān)系，無(wú)論何種接地方法均應(yīng)盡量縮短接地線，否則其非但增加阻抗，同時(shí)更會(huì)產(chǎn)生輻射雜訊，因其作用有如天線，接地線的長(zhǎng)度L/20。 不論何種接地法，最大的困擾均起自于地電流的產(chǎn)生，因此去除地環(huán)路就成了設(shè)計(jì)者的考驗(yàn),接地環(huán)路,下圖即為接地環(huán)路的形成,打破接地環(huán)路的方法,常用的電纜,雙絞線 同

5、軸電纜 帶狀電纜,注意之一,接地線愈短愈好； 電纜屏蔽層終接時(shí)應(yīng)環(huán)接； 電子線路中及低頻使用時(shí)應(yīng)規(guī)劃不同的接地系統(tǒng)以配合不同之回路（Return）,如信號(hào)、屏蔽、電源、機(jī)殼或組架。唯這些回路最后可接在一起，然后以單點(diǎn)接地； 接地面應(yīng)具有高傳導(dǎo)性（Conductivity）； 線路中之元件若經(jīng)常產(chǎn)生大量的急變電流，則該線路應(yīng)備有單獨(dú)的接地系統(tǒng)，或至少應(yīng)備有單獨(dú)之回路，以免影響其它線路。 低能量信號(hào)之接地應(yīng)與其它接地隔離； 切忌雙股電纜分開(kāi)安裝,注意之二,低頻宜采用單點(diǎn)接地系統(tǒng)，高頻應(yīng)采用多點(diǎn)接地系統(tǒng)； 良好的接地系統(tǒng)； 減少由共同導(dǎo)體所引入的雜訊電壓，盡量避免產(chǎn)生接地環(huán)路； 已接地的放大器接于未

6、接地之電源，其輸入導(dǎo)線之屏蔽應(yīng)接于放大器之接地點(diǎn)。若未接地之放大器接于接地之電源，則輸入導(dǎo)線之屏蔽應(yīng)于電源端接地。高增益放大器之屏蔽應(yīng)接于放大器之接地點(diǎn)； 若信號(hào)線路兩端接地，則所產(chǎn)生的接地環(huán)路易受磁場(chǎng)及地電位差的干擾； 去除接地環(huán)路的方法有使用隔離變壓器、光電耦合器、差動(dòng)放大器、扼流圈,搭接的功能,搭接是在兩金屬之間建立一低阻抗通路，其目的在為電流提供一均稱的結(jié)構(gòu)體以避免干擾。 處理良好的搭接能徹底發(fā)揮屏蔽與濾波的功能，減少接地系統(tǒng)中的射頻電位差，以及電流環(huán)路，并可防止靜電產(chǎn)生，減少雷擊與電磁脈沖的危險(xiǎn)，同時(shí)能防止人員誤遭電擊。 然而未經(jīng)仔細(xì)處理的搭接會(huì)增加干擾的程度，此誠(chéng)不良之設(shè)計(jì)較不設(shè)計(jì)

7、為害更甚,搭接的形態(tài),直接搭接：即搭接體間之直接連接； 間接搭接：即搭接體間以金屬導(dǎo)線相連，其適合于經(jīng)常移動(dòng)的裝備，以及將安裝防震墊Shock Mounts的裝備，間接搭接時(shí)應(yīng)特別注意共振效應(yīng)（Resonant Effect）,否則引入雜訊。 搭接的方法有熔接(Welding)、硬焊Brazing、軟焊（Sweating）、砧接Swaging、鉚接(Riveting)以及螺絲連接,搭接之處理,搭接時(shí)，金屬面應(yīng)予以清潔，不得有油漆或其它雜物，搭接完成后，可涂以油漆或施以其它之防蝕保護(hù)。此外，搭接時(shí)應(yīng)考慮不同金屬之電化效應(yīng)，并應(yīng)盡量減少接觸鹽水、汽油等，以防電能作用。 若電能特性相去甚遠(yuǎn)的兩金屬欲

8、搭接在一起，應(yīng)以介于其間的金屬為墊圈置于該兩金屬間,金屬電化次序,陽(yáng)極端（最易受腐蝕） 第一類 鎂(Mg）； 第二類 鋁(AL）或鋁合金；鋅(Zn);鎘(Cd); 第三類 碳鋼；鐵(Fe)；鉛(Pb）；錫(Sn）； 第四類 鎳(Ni）;鉻(Cr）;不銹鋼; 第五類 銅(Cu);銀(Ag);金(Au);白金(Pt);鈦(Ti)。 陰極端(不易受腐蝕,鉚接及螺紋搭接,鉚接有均勻、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但其使用彈性不如以螺釘搭接，且防蝕能力不如熔接、軟硬焊。鉚接時(shí)鉚孔應(yīng)與鉚釘緊密接合，鉚孔邊不得有油漆。 螺紋搭接時(shí)應(yīng)注意墊圈材料的選擇及安放位置，通常均戴墊圈(Load Distribution Washer)

9、直接置于螺栓頭（Bolt Head）或殼帽之下，而鎖緊墊圈（Lock Washer）則應(yīng)置于螺帽與均戴墊圈之間。此外，千萬(wàn)別將帶齒鎖緊墊圈置于兩搭接金屬之間,注意,要有效地達(dá)到搭接的功能，應(yīng)使搭接的金屬緊密地連接，連接面應(yīng)均勻、干凈，其間不得有非傳導(dǎo)性之物質(zhì)。固定時(shí)應(yīng)防止變形、震動(dòng)、搖擺。應(yīng)盡量將類似金屬相搭接，不得已時(shí)可使用墊圈。應(yīng)盡量使用直接搭接，若情況不許可時(shí)得使用搭接線，惟使用搭接線時(shí)應(yīng)考慮： 線之長(zhǎng)度愈短愈好，電感電容比愈小愈好； 線之電化次序應(yīng)低于搭接物； 長(zhǎng)寬比應(yīng)小于5； 應(yīng)直接與搭接物相接； 不得使用自攻螺紋（Self-Tapping Screw,屏蔽,屏蔽能有效地抑制通過(guò)空間

10、傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè)：一是限制內(nèi)部的輻射電磁能越過(guò)某一區(qū)域；二是防止外來(lái)的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。 屏蔽按其機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽,電場(chǎng)屏蔽的機(jī)理,電場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn),為了獲得良好的電場(chǎng)屏蔽效果，注意以下幾點(diǎn)是必要的： 屏蔽板以靠近受保護(hù)物為好，而且屏蔽板的接地必須良好。此舉目的是增大C4的值； 屏蔽板的形狀對(duì)屏蔽效能的高低有明顯影響。例如，全封閉的金屬盒可以有最好的電場(chǎng)屏蔽效果，而開(kāi)孔或帶縫隙的屏蔽盒，其屏蔽效能都會(huì)受到不同程度的影響。此舉主要是影響剩余電容C1的值； 屏蔽板的材料以良導(dǎo)體為好，但對(duì)厚度并無(wú)要求，只要有足夠強(qiáng)度就可以了,磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理,磁場(chǎng)屏蔽通常

11、是對(duì)直流或甚低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其效果比對(duì)電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差得多，因此磁場(chǎng)屏蔽是個(gè)棘手的問(wèn)題。 磁場(chǎng)屏蔽主要是依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻，對(duì)磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減弱,磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn),提高磁場(chǎng)屏蔽效能的主要措施有： 選用高導(dǎo)磁率的材料，如坡莫合金； 增加屏蔽體的壁厚； 以上兩條均是為了減少屏蔽體的磁阻； 被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減少通過(guò)被屏蔽物體體內(nèi)的磁通； 注意磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，凡接縫、通風(fēng)孔等均可能增加磁屏蔽體的磁阻，從而降低屏蔽效果。為此，可以讓縫隙或長(zhǎng)條形通風(fēng)孔循著磁場(chǎng)方向分布，這有利于屏蔽體在磁場(chǎng)方向的磁阻減小,磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要

12、點(diǎn)（續(xù),對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。對(duì)要屏蔽外部強(qiáng)磁場(chǎng)的，則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼等；而內(nèi)部可選用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽內(nèi)部強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，則材料排列次序要倒過(guò)來(lái)。在安裝內(nèi)外兩層屏蔽體時(shí)，要注意彼此間的磁絕緣。當(dāng)沒(méi)有接地要求時(shí)，可用絕緣材料做支撐件。若需要接地時(shí)，可選用非鐵磁材料（如銅、鋁）做支撐件。但從屏蔽體能兼有防止電場(chǎng)感應(yīng)的目的出發(fā)，一般還是要接地的,電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理,電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收兩種方式,電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理（續(xù),與前面已講述的電場(chǎng)屏蔽及磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理不同，電磁屏蔽對(duì)于電磁波的衰減有三

13、種不同的機(jī)理： 當(dāng)電磁波在到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定厚度，只要求交界面上的不連續(xù)； 未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過(guò)程中，被屏蔽材料所衰減。這種物理過(guò)程被稱為吸收； 在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時(shí)，在遇到金屬與空氣不連續(xù)的交界面時(shí)，會(huì)形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個(gè)金屬的交界面上可能有多次的反射,屏蔽效能的計(jì)算,屏蔽效能SARB （dB） 上式中A為吸收損耗，R為反射損耗，B為正或負(fù)的修正項(xiàng)；當(dāng)A大于15dB時(shí)，B可忽略不計(jì)，B是由屏蔽體內(nèi)反射波所引起的。

14、 上式中的各項(xiàng)可以視為相對(duì)于銅材料的導(dǎo)電系數(shù)和導(dǎo)磁率，頻率f（Hz）以及所存在的各種物理參數(shù)的函數(shù),機(jī)柜（或屏蔽盒）之屏蔽,結(jié)構(gòu)材料,適用于底板和機(jī)殼的材料大多數(shù)是良導(dǎo)體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場(chǎng)，主要的屏蔽機(jī)理是反射而不是吸收。 對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽需用鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵。主要的屏蔽機(jī)理是吸收而不是反射。 在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種成分，因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。 對(duì)于塑料殼體，是在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時(shí)摻入金屬纖維,屏蔽之搭接,清潔 氧化層 面接觸 螺釘?shù)木嚯x 縫隙：導(dǎo)電襯墊 壓力,按優(yōu)先等級(jí)排列的各種襯墊

15、,穿孔,通風(fēng) 導(dǎo)線,插箱的屏蔽處理,面板：金屬U形面板 面板之間加金屬簧片 面板插針：定位ESD泄放 導(dǎo)軌上簧片：配合插針泄放ESD 金屬之間的搭接：簧片/導(dǎo)電襯墊 搭接處導(dǎo)電氧化或電鍍,濾 波,濾波器的特性,插入損耗是在裝置濾波器前后負(fù)載端所接收能量之差異 頻率特性是在裝置濾波器時(shí)插入損耗與頻率之對(duì)應(yīng)值。 阻抗匹配 額定電壓、電流 絕緣電阻 尺寸、重量 使用環(huán)境 可靠性,干擾的方式,共模干擾是指電源線對(duì)大地，或中線對(duì)大地之間的電位差。 差模干擾存在于電源相線與中線之間,濾波器的種類,常用的電源濾波器,濾波器的安裝,首先，濾波器的外殼與設(shè)備的金屬機(jī)殼要有可靠的接觸。設(shè)備的金屬機(jī)殼應(yīng)該接大地,其

16、次，濾波器引線與安裝位置也是很有講究的問(wèn)題,信號(hào)濾波,電容 磁珠 共模電感 三端濾波器,印制電路板的電磁兼容性,印制電路板的布局,當(dāng)高速、中速和低速數(shù)字電路混用時(shí)，在印制板上要給它們分配不同的布局區(qū)域,對(duì)低電平模擬電路和數(shù)字邏輯電路要盡可能地分離,背板的布局,在各PCB板內(nèi)部模擬地與數(shù)字地要分開(kāi)，背板上的模擬地和數(shù)字地也要分開(kāi),AD轉(zhuǎn)換器的接地處理,由于AD轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地已在轉(zhuǎn)換器內(nèi)匯接，因此PCB的模擬地和數(shù)字地的匯接點(diǎn)應(yīng)在轉(zhuǎn)換器下,接地橋,對(duì)于特別敏感的線路或特別高頻的線路，要采用接地橋與周圍線路隔離，同時(shí)又可保證參考電平一致,不同電壓電源的處理,3.3V信號(hào)的返回電流通過(guò)3.3電源平面； 5V信號(hào)的返回電流通過(guò)5V電源平面； 3.3V和5V之間的信號(hào)的返回電流通過(guò)1-