硬件工程師EMC必備知識系列

1、1 硬件工程師EMC必備知識系列(一）接地的基本概念1.1 引言 接地，是個很復(fù)雜的問題，一篇帖子很難說的清楚，同時還想從例子說起，以便能夠讓大家認(rèn)識到事物的本質(zhì)，對我這樣一個工科出身的硬件工程師來說還是有些難度，總怕表達(dá)不清楚或不到位，把大家引入歧途。盡力吧，講的不當(dāng)?shù)牡胤?，希望大家體諒。 1.2 基本概念 接地，比較直觀的就是接大地。實際上，接地是一個系統(tǒng)級的概念，接大地已經(jīng)不能清晰地描述系統(tǒng)接地的概念了。為了清楚表達(dá)接地的概念，可以引用亨利.奧特的定義：“接地是為電流返回其源提供的低阻抗通道”。 對于不同的應(yīng)用，有不同的理解，對于線路工程師來說，接地的含義通常是線路電壓的參考點；對于系統(tǒng)

2、設(shè)計師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；而對電氣工程師來說，它卻是綠色安全地線或接到大地的意思。 1.3 接地的作用 設(shè)計中接地往往基于各種理由，例如電力配電、安全、信號綜合、防雷、EMI和靜電放電等等。接地設(shè)計時，電流幅度和頻率是兩項關(guān)鍵因素，他們決定著接地應(yīng)采用何種方式以及系統(tǒng)對接地質(zhì)量要求的高低。根據(jù)接地需求的不同，接地的主要作用有： （1）防雷接地 把可能受到雷擊的物體和大地相接，以提供泄放大電流的通路稱之為防雷地。這種接地的目的很明確，就是防止人及物體遭到雷擊，這些物體可以是天線、大樓、電子或電氣設(shè)備等。 由于雷電放電電流一般是脈沖性的大電流（可高達(dá)上百千安），其上升沿可達(dá)到微秒量級（1-1

3、0 微秒，持續(xù)時間100 微秒以下），因此要求防雷接地的接地阻抗要小。為了避免雷擊電流引發(fā)機(jī)房設(shè)備之間的高電位差，要求設(shè)備之間特別是有電氣聯(lián)系或距離較近的設(shè)備進(jìn)行低電感和電阻搭接。 （2）保護(hù)接地 保護(hù)接地就是為了保護(hù)設(shè)備、裝置、電路及人身的安全。因此，在設(shè)備、裝置、電路的底盤及機(jī)殼端一定要采取保護(hù)接地。因保護(hù)接地和人身安全相關(guān)，保護(hù)接地的方式在配電的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中以及安全規(guī)范都有嚴(yán)格規(guī)定。 保護(hù)地主要用以保護(hù)工頻故障電壓對人身造成的危害，其保護(hù)原理是：通過把帶故障電壓的設(shè)備外殼短路到大地或地線端，保護(hù)過程中產(chǎn)生的短路電流使熔絲或空氣開關(guān)斷開。保護(hù)地的工頻電阻要求較小，同時要求保護(hù)地的可靠性很高。

4、從電源頻率的角度來看，如僅對人身安全的保護(hù)接地而言，可以不對保護(hù)地提出低電感的要求。 （3）工作接地 工作地線是單板、母板或系統(tǒng)之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道。信號質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術(shù)因素的影響，接地導(dǎo)體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號的回流會在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響；信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴(yán)重。盡管如此，在設(shè)計和施工中最大限度地降低工作接地導(dǎo)體的阻抗仍然是非常重要的。 （4）屏蔽接地 屏蔽接地是和結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的措施。電磁屏蔽時并不要求與大地連接，屏蔽結(jié)

5、構(gòu)接到大地上更多的是安全等方面的需要。 為了防止電磁輻射和干擾，系統(tǒng)設(shè)計中常采用結(jié)構(gòu)屏蔽的方法。為了使結(jié)構(gòu)有較好的屏蔽效能，要求對結(jié)構(gòu)箱體的開孔尺寸有一定限制，特別是通風(fēng)孔。但是電纜出線往往會破壞了這種屏蔽效能，因此要求電纜在出屏蔽體時與機(jī)柜連接。 （5）防靜電接地 靜電的危害是眾所周知的，當(dāng)人手觸摸電子裝備時，由人體附帶的數(shù)以千伏的靜電電壓，會對設(shè)備中的電子器件發(fā)生放電，雖然靜電的能量不高，但產(chǎn)生的瞬時電流足夠大，有可能造成電子器件的損壞。 人體產(chǎn)生的高電壓靜電通過沒有接好大地的單板上安裝的金屬拉手條，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，如果單板上的電子器件絕緣處理的不好，瞬態(tài)“大電流”足以破壞絕緣造成單板上器

6、件的永久性損壞。如果在機(jī)箱上裝了防靜電手腕，在人體觸摸設(shè)備之前，通過防靜電手腕把靜電泄放到大地，以使人體和設(shè)備之間的電位相等從而達(dá)到保護(hù)的目的。 由于防靜電接地大多針對人和設(shè)備，因此在人體和設(shè)備之間增加保護(hù)電阻（如防靜電手腕中的電阻）防止機(jī)柜帶電對人身造成的可能傷害，當(dāng)然也可限制人體對地產(chǎn)生的靜電。2.硬件工程師EMC必備知識系列(二）接地之目的接地根本目的就是改變共模電流的方向。 對于任何信號，都會選擇最小阻抗的路徑返回信號源端。那么如何選擇接地點硬件工程師必須認(rèn)真考慮，產(chǎn)品的EMC問題和單點、多點接地關(guān)系不大，接地主要是為了改變共模電流方向；接地位置不對，不僅解決不了干擾，反而會加大干擾，

7、不如不接地。 產(chǎn)品中的外接電纜和接地線都是天線（又一個知識點，這里就不討論天線的問題，留著其他帖子討論），對于干擾信號，即使沒有直接相連，也會由這些天線自動接收外部干擾，以及對外產(chǎn)生干擾發(fā)射或傳導(dǎo)。 所以接地點的選擇依據(jù)就是避免這些干擾共模電流進(jìn)入板卡內(nèi)部，以下用一些圖表來說明： 圖1就是比較好的接地選擇點； 圖1 就近接地地 圖2避免這樣的選擇，這樣的選擇輕者板卡工作異常，重則燒毀板卡； 圖2 最差接地點 對于一些浮地產(chǎn)品，同樣存在問題，因為浮地阻止不了電流流入工作地。所以不要認(rèn)為浮地產(chǎn)品，特別是一些自帶電池的產(chǎn)品，就不需要考慮EMC問題，也許問題更嚴(yán)重。 從圖3可以看出，浮地對共模電流無能

8、為力。 圖3 浮地的影響 3.硬件工程師EMC必備知識系列(三）接地的布局我們在做產(chǎn)品時，除了需要考慮完成的功能，同時需要考慮產(chǎn)品的RAMS要求，同樣地EMC分析也是一個好的產(chǎn)品必須具備的步驟。什么是RAMS分析？怎樣分析？我會在討論完EMC問題后，為大家慢慢講解。今天重點說一說EMC設(shè)計中的布局。 一個產(chǎn)品，沒有一個好的布局是不可相像的。比如，機(jī)箱的每個面都有引線，暫不說帶來的EMC問題，就是從美觀和可安裝性上來說，就不可能成為一個好的產(chǎn)品。先從結(jié)構(gòu)上說起，我們布局時盡量把引線放在機(jī)箱對稱的兩側(cè)，最好的放在一側(cè)，這樣無論是外觀，還是可安裝性，都是上上之選。 下圖是一種不好的布局圖，也是最常見

9、的。 不管是機(jī)籠，還是一塊整板，只要你邏輯功能圖都如上圖一樣，那么你就要注意了，右邊的電纜到達(dá)一定長度時，不管你加不加C1，結(jié)果都是一樣的：產(chǎn)品不可能通過測試。 如果根據(jù)下圖修改，效果會好很多。 上圖最大的特點，就是一側(cè)布局。但這樣還是不夠，如果有大能量共模干擾耦合到電源線上，雖然能量不會通過板卡內(nèi)部，但干擾會在電纜接口部分形成局部電壓差，很可能燒毀電纜接口芯片，所以需要在電纜與芯片之間的導(dǎo)線上串一個幾十歐的電阻，并在電阻與接口芯片之間的信號線與信號參考地上加TVS 管。4. 硬件工程師EMC必備知識系列(四)接地之浪涌試驗時為什么只燒毀功放板有人問我：在做設(shè)備的浪涌試驗時，其他的都沒有損壞，

10、為什么只有離電源輸入端最遠(yuǎn)的功放板燒毀了？我也很納悶，等看過了他的布局圖，我樂了，因為我也犯過同樣的錯誤。 設(shè)備布局圖如下： 在分析前，先明確接地的概念，這里的接地，不是指安全地，而是特指參考地。因為EMC測試所說的地就是參考地，是一個大面積的等電位的金屬板，這個金屬板接大地的線纜就是安全接地線。 這只是個簡圖，原圖上沒有C1、C2、 C3、C4和C5，是我后期為了分析容易補(bǔ)上去的，電源輸入線的正負(fù)極之間肯定也有保護(hù)電路，如果大家感興趣，我們可以在后續(xù)文章里再重點討論。同樣，我們這里也不討論差模干擾，因為對于浪涌，差模很容易解決。 在設(shè)備布局時，他考慮更多的是功能，對EMC設(shè)計考慮的太少。EM

11、C里的接地的主要目的是改變共模干擾傳輸路徑，避免干擾電流流過敏感電路。 原圖的設(shè)計中針對浪涌的處理，靠的是工作地和機(jī)箱間的空氣間隙來保證。但是，對于高頻干擾信號，影響最大的是寄生參數(shù)，隔離電路只能阻斷差模信號，對共模干擾沒有阻隔能力。 從圖上可以看出，相對于輸入干擾信號，存在很多寄生通道，如C1、C2、 C3、C4和C5，因為任何信號的傳遞，都是閉環(huán)的，干擾信號肯定會通過這些寄生通道流回到干擾源，只是流過不同寄生通道的電流大小不同罷了。 當(dāng)電纜相對于參考地位10cm時，寄生電容為50pf/m，寄生電感是10nH/m。對于長距離傳輸?shù)碾娎|，功放和外設(shè)之間的距離超過100米，這個時候，如果C1和C

12、2也是寄生電容，那么C3和C4就是一個低阻抗的通路，浪涌共模干擾電流就通過大面積的背板流向功放板，然后通過C3流向參考地，功放板能保住那就見鬼了。 為什么控制板沒有問題呢？那是因為控制板沒有對地泄放通路，準(zhǔn)確地說對參考地的寄生電容太小，相對于功放板的輸出電纜，可以忽略不計。 分析到這里，大家應(yīng)知道怎么進(jìn)行EMC改造了吧，那就是在電源板上加上C1和C2。 C5和機(jī)箱接地點對本文分析影響不大，但它在其他應(yīng)用里影響相當(dāng)可以。本來想同時分析一下，但不知不覺，就寫了這么多，只好打住，也不知道說明白了沒有，呵呵。5. 硬件工程師EMC必備知識系列(五)-數(shù)字地和模擬地如何接？概述： PCB模擬地和數(shù)字的接

13、法在很多資料里都有論述，基本大部分是從信號完整性的角度來進(jìn)行講解。既然這個帖子是屬于EMC分析，所以，本帖子重點從EMC設(shè)計的角度進(jìn)行論述。 接地的目的是為了引導(dǎo)干擾電流的方向，也就是說，一個好的結(jié)構(gòu)布局保證設(shè)備對外干擾電流不流向電纜，外部對設(shè)備的干擾電流不流向核心電路。設(shè)備的通用接地點一般靠近電源輸入口。 對于靜電測試，容易出現(xiàn)問題的地方一般出現(xiàn)在接口部分以及開口或接縫處，這里不討論其他問題，只討論模擬接地。 很多儀器儀表產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 上圖是一個典型接法，模擬地與機(jī)箱之間不是直接電連接，采用一點接地。在靜電測試中，模擬接口不可避免的會把能量接入模擬地，再通過接地點流向機(jī)箱（上幾

14、篇文章詳細(xì)地論述了PCB板直接接機(jī)箱或浮地，結(jié)果是一樣的，只不過流過PCB的干擾電流大小的問題）。在靜電通過接地點時，在數(shù)字地和模擬地之間有一個V的電壓差，相對于模擬器件（A/D,D/A），這個壓差就會影響到模擬器件的工作，A/D采集可能出現(xiàn)壞點，D/A輸出可能就有一個階躍，這在一些應(yīng)用中就是致命的。 如果模擬地不是通過接地點與機(jī)箱相接，直接由螺釘連接，是不是就可以解決這個問題？結(jié)論是“可能”，不管你怎么連接，只能改變流向核心電路的能量大小，不可能完成避免。 如果改成下圖的結(jié)構(gòu)，結(jié)果要好很多： 采用全鋪地，并且在模擬器件的旁邊，在兩個地之間加兩個接地螺釘，效果要好很多，能量就近泄放，不會像上圖

15、一樣形成一個大的泄放環(huán)路，不會在兩個地之間形成電壓差（或非常小，在模擬器件的共模抑制能力范圍內(nèi)），模擬器件在外部干擾下可以正常工作，順利通過各種針對信號線的測試。 這只是一個典型例子，其實，不管什么樣的結(jié)構(gòu)，都可以近似于上圖的模型，進(jìn)行EMC分析和改造，只要記得，接地的本質(zhì)就沒問題。6. 硬件工程師EMC必備知識系列(六)-磁珠不要亂用在很多文章中都有磁珠的介紹，其中覺得寫的比較透徹的是zjd01寫的電感和磁珠兩兄弟的差別。本文主要是從EMC應(yīng)用角度來說明。 磁珠通常推薦應(yīng)用在電源或信號線上來增強(qiáng)去耦效果，但在地之間的使用時一定要小心，特別是會有大能量干擾信號流過磁珠的應(yīng)用場合。 記得在剛學(xué)習(xí)

16、DSP設(shè)計時，師傅在DSP模擬部分應(yīng)用是推薦一個電路，就是在數(shù)字電源和模擬電源上串兩個磁珠，然后加上濾波電容就OK了，很長一段時間，都奉為經(jīng)典，直到接觸EMC設(shè)計時，才發(fā)現(xiàn)錯的有多厲害，也明白了當(dāng)時的一些問題的癥結(jié)所在。 磁珠在干擾電流通過時呈現(xiàn)電阻特性，這個時候在磁珠的兩邊會有一個很大的V，具體反映到DSP的模擬部分，A/D測量就會出現(xiàn)一個大的波動，不管你用什么濾波算法，在持續(xù)的干擾下，測量結(jié)果肯定是一塌糊涂。 所以在這些簡便應(yīng)用中，地上一定不要加磁珠，直接短接就可以了。7. 硬件工程師EMC必備知識系列(七)-接地帶來的輻射曾經(jīng)見過下圖所示的接地方法，當(dāng)時就傻了，當(dāng)然輻射發(fā)射測試也沒有通過： 地是通過接線端子直接接到外部大地，屏蔽機(jī)箱直接接到接線端子，這個接法好像中規(guī)中矩。但是，任何導(dǎo)線都有電感和電容寄生參數(shù)，大家可以想象一下，在屏蔽機(jī)箱內(nèi)部有一個很大的接地環(huán)路，這就是一個諧振電路，內(nèi)部電路上的各種諧波就可以通過這個諧振電路通過接地線發(fā)射出去。 EMC整改的方法如下： 因為接線端子和機(jī)箱外部地線之間的連接被機(jī)箱隔斷，所以，內(nèi)部干擾會被屏蔽在機(jī)箱內(nèi)，對外輻射問題解決。8.硬件工程師EMC必備知識系列(八)-接地信號線一定要使用屏蔽層嗎？曾經(jīng)見過一個產(chǎn)品，信號輸出，采用變壓器隔離的，為了提高屏蔽效果，采用了雙端接地，但因為設(shè)