電磁兼容設(shè)計(jì)原理及測試方法介紹57466

1、電磁兼容設(shè)計(jì)原理及測試方法介紹時(shí)間：2012-08-07 來源： 作者：關(guān)鍵字：電磁兼容   測試方法   設(shè)計(jì)原理      摘要：針對當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境，分析了電磁干擾的來源，通過產(chǎn)品開發(fā)流程的分解，融入電磁兼容設(shè)計(jì)，從原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、元器件選型、系統(tǒng)布線、系統(tǒng)接地等方面逐步分析，總結(jié)概括電磁兼容設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后，介紹了電磁兼容測試的相關(guān)內(nèi)容。當(dāng)前，日益惡化的電磁環(huán)境，使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境，日益關(guān)注電磁環(huán)境對電子設(shè)備的影響，從設(shè)計(jì)開始，融入電磁兼容

2、設(shè)計(jì)，使電子設(shè)備更可靠的工作。電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈沖磁場抗擾度、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計(jì)。電磁干擾的主要形式電磁干擾主要是通過傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)工作，其他的方式還有共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)：傳導(dǎo)耦合即通過導(dǎo)電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較低的部分(低于30MHz)。在我們的產(chǎn)品中傳導(dǎo)耦合的途徑通常包括電源線、信號(hào)線、互連線、接地導(dǎo)體等。輻射：通過空間將一個(gè)電網(wǎng)

3、絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上，屬頻率較高的部分(高于30MHz)。輻射的途徑通過空間傳遞，在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。共阻抗耦合：當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流流過公共阻抗時(shí)出現(xiàn)的相互干擾。在電源線和接地導(dǎo)體上傳導(dǎo)的騷擾電流，多以這種方式引入到敏感電路。感應(yīng)耦合：通過互感原理，將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘?hào)，感應(yīng)到另一條回路對其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種。對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對策：傳導(dǎo)采取濾波（如我們設(shè)計(jì)中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用），輻射干擾采用減少天線效應(yīng)（如信號(hào)貼近地線走）、屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，

4、也可以有效的降低對外界的電磁干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)對于一個(gè)新項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)過程，電磁兼容設(shè)計(jì)需要貫穿整個(gè)過程，在設(shè)計(jì)中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，才不致于返工，避免重復(fù)研發(fā)，可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間，提高企業(yè)的效益。一個(gè)項(xiàng)目從研發(fā)到投向市場需要經(jīng)過需求分析、項(xiàng)目立項(xiàng)、項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣品試制、功能測試、電磁兼容測試、項(xiàng)目投產(chǎn)、投向市場等幾個(gè)階段。在需求分析階段，要進(jìn)行產(chǎn)品市場分析、現(xiàn)場調(diào)研，挖掘?qū)?xiàng)目有用信息，整合項(xiàng)目發(fā)展前景，詳細(xì)整理項(xiàng)目產(chǎn)品工作環(huán)境，實(shí)地考察安裝位置，是否對安裝有所限制空間，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕、潮濕、高溫等，周圍設(shè)備的工作情況，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否受

5、限與其他設(shè)備，產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效率，或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來很大的方便，操作使用方式能否容易被人們所接受，這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品要滿足現(xiàn)場功能需要、易于操作等，最后要整理詳細(xì)的需求分析報(bào)告，以供需求評審。經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人的評審之后，完善需求分析報(bào)告，然后是項(xiàng)目立項(xiàng)，項(xiàng)目立項(xiàng)需要組建項(xiàng)目組，把軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測試等人員安排到項(xiàng)目組中，分配各自的職責(zé)。項(xiàng)目開發(fā)的下一階段是項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)，將項(xiàng)目分解成多個(gè)功能模塊，運(yùn)用WBS分解結(jié)構(gòu)對項(xiàng)目進(jìn)行功能分解細(xì)化，根據(jù)工作量安排時(shí)間，安排具體人員。整理項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)報(bào)告，總體對項(xiàng)目進(jìn)行評估，確定使用電源類型，電源分布情況，電源隔離濾波方

6、式，系統(tǒng)接地方式，產(chǎn)品屏蔽，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計(jì)，采用屏蔽機(jī)箱機(jī)殼，分析信號(hào)類型，對雷電、靜電、群脈沖等干擾采取防護(hù)措施。產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)報(bào)告出來后要經(jīng)過相關(guān)人員評審，分析實(shí)現(xiàn)方式是否合理，實(shí)施方案是否可行，由評審人員給出評審報(bào)告，項(xiàng)目組結(jié)合評審報(bào)告對概要設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后，進(jìn)入產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，這階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、PCB采購及焊接、軟件編寫、功能調(diào)試等過程，原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到電磁兼容方面的影響，對板級(jí)電源增加濾波電容，對信號(hào)的接口部分增加濾波電路，根據(jù)信號(hào)類型，選擇合適的濾波電路，若信號(hào)為低頻型號(hào)，應(yīng)選擇低通濾波電路，計(jì)算合適的截至頻率，選擇對應(yīng)的電阻、電容等。另對接口部分設(shè)計(jì)大

7、電流泄放回路，設(shè)置防雷器件，做到第三級(jí)的防雷。一、元器件選型我們常用的電子器件主要包括有源器件和無源器件兩種類型，有源器件主要指IC和模塊電路等器件，無源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下面分別對這兩種類型元件的選型、在電磁兼容方面要考慮的問題做一些介紹。有源器件EMC選型工作電壓寬的EMC特性好，工作電壓低的EMC特性好，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)延時(shí)大（通常所說的速度慢）特性好一些，靜態(tài)電流小、功耗小的比大的特性好，貼片封裝的器件的EMC性能好于插裝器件。無源器件選型無源器件在我們的應(yīng)用中通常包括電阻、電容、電感等，對于無源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。無源器件在某些頻率下

8、，會(huì)表現(xiàn)出不同特性，一些電阻在高頻時(shí)擁有電感的特性，如線繞電阻，電解電容的低頻特性好，高頻特性差，而薄膜電容和瓷片電容高頻特性較好，但通常容量較小。考慮溫度對元器件的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)原理，選用各種溫度特性的器件。二、印制板設(shè)計(jì)印制板設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到干擾對系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對核心電路重點(diǎn)防護(hù)，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號(hào)采用光電隔離，設(shè)計(jì)隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分（如時(shí)鐘電路、通訊電路等）和容易被干擾的部分（如模擬采樣電路等），對這兩種類型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護(hù)措

9、施，并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿，這對防護(hù)空氣放電是有利的。采樣電路的原理圖設(shè)計(jì)參見圖1：圖1：采樣電路設(shè)計(jì)。電路的合理布局可以降低干擾，提高電磁兼容性能。按照電路的功能劃分若干個(gè)功能模塊，分析每個(gè)模塊的干擾源與敏感信號(hào)，以便進(jìn)行特殊處理。  1、保持環(huán)路面積最小，例如電源與地之間形成的環(huán)路，減小環(huán)路面積，將減小電磁干擾在此回路上的感應(yīng)電流，電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)面積，降低干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)的導(dǎo)線緊緊放在一起，使用一條粗導(dǎo)線進(jìn)行連接，信號(hào)線緊挨地平面布線可以降低干擾。電源與地之

10、間增加高頻濾波電容。2、使導(dǎo)線長度盡可能的縮短，減小了印制板的面積，降低導(dǎo)線上的干擾。3、采用完整的地平面設(shè)計(jì)，采用多層板設(shè)計(jì)，鋪設(shè)地層，便于干擾信號(hào)泄放。4、使電子元件遠(yuǎn)離可能會(huì)發(fā)生放電的平面如機(jī)箱面板、把手、螺釘?shù)?，保持機(jī)殼與地良好接觸，為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號(hào)包地處理，降低干擾。5、盡量采用貼片元器件，貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。6、模擬地與數(shù)字地在PCB與外界連接處進(jìn)行一點(diǎn)接地。7、高速邏輯電路應(yīng)靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲(chǔ)器則應(yīng)布置在遠(yuǎn)離連接器處，中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。8、電路板上的印制線寬度不要突變，拐角應(yīng)采用圓弧形，不

11、要直角或尖角。9、時(shí)鐘線、信號(hào)線也盡可能靠近地線，并且走線不要過長，以減小回路的環(huán)面積。三、系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)印制板設(shè)計(jì)出來后，進(jìn)行試制，焊接調(diào)試，系統(tǒng)裝機(jī)，考慮電磁兼容設(shè)計(jì)因素，機(jī)柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面：1、機(jī)柜選用電磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地對系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。2、總電源進(jìn)線選用屏蔽電源線，并加磁環(huán)，屏蔽層在進(jìn)入機(jī)柜處360度接地。3、對系統(tǒng)外部信號(hào)線選用屏蔽線，屏蔽層機(jī)柜入口處良好接地。4、設(shè)備外殼就近接機(jī)柜，避免交叉。5、系統(tǒng)設(shè)置隔離變壓器和ups，保證系統(tǒng)供應(yīng)純凈電源。6、嚴(yán)格將電源線和信號(hào)線分開，設(shè)備外殼的各個(gè)面之間和各個(gè)板子面板之間要良

12、好接觸，接觸電阻要小于0.4歐，越小越好，保證設(shè)備外殼良好接大地，這樣在有靜電釋放時(shí)，不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作。四、系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)接地是最有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。1、地線的概念安全接地 包括保護(hù)接地和防雷接地。保護(hù)接地 為產(chǎn)品的故障電流進(jìn)入大地提供一個(gè)低阻抗通道；防雷接地 提供泄放大電流的通路；參考接地 為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平，為電源和信號(hào)提供基準(zhǔn)電位。安全接地是為了當(dāng)出現(xiàn)一些電氣異常時(shí)，為大電流和高電壓提供一個(gè)泄放的回路，主要是對電路的一種保護(hù)措施。參考地主

13、要是信號(hào)地和電源地，是保證電路實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。2、接地方式懸浮接地 對一個(gè)獨(dú)立的與外部沒有接口的系統(tǒng)來說一般也沒有什么問題，但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線，那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響，所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。單點(diǎn)接地 當(dāng)f<1MHz時(shí)可以選擇單點(diǎn)接地，可分為并聯(lián)單點(diǎn)接地和多級(jí)電路串聯(lián)單點(diǎn)接地兩種。并聯(lián)單點(diǎn)接地：每個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上，每個(gè)單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連。多級(jí)電路的串聯(lián)單點(diǎn)接地：將具有類似特性的電路的地連接在一起，形成一個(gè)公共點(diǎn)，然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地。多點(diǎn)接地 當(dāng)f>10MHz時(shí)會(huì)采用多點(diǎn)接地。 設(shè)備中的電路

14、都就近以接地母線為參考點(diǎn)。單點(diǎn)接地各電路接在同一點(diǎn)，提供公共電位參考點(diǎn)，沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路，但對高頻信號(hào)存在較大的地阻抗。多點(diǎn)接地為就近接地，每條地線可以很短，提供較低接地阻抗。1MHz10MHz可根據(jù)實(shí)際需要選用哪種接地方法。混合接地 是綜合單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)，對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地，對系統(tǒng)中高頻部分采用多點(diǎn)接地。信號(hào)線屏蔽接地 有高頻和低頻之分，高頻采用多點(diǎn)接地，低頻電纜采用單點(diǎn)接地。低頻電場屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地，低頻磁場屏蔽要求在兩端接地。多點(diǎn)接地，除在兩端接地外，并以3/20或1/10工作波長的間隔接地。 系統(tǒng)做到良好接地，才能有效的抑制電磁干擾，一

15、個(gè)大的系統(tǒng)機(jī)柜首先要保證每個(gè)面接觸良好，接觸緊湊，其次是機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地，避免二次干擾，就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進(jìn)行環(huán)接，再就近接機(jī)架。機(jī)柜下方設(shè)置接地銅排，系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好，對電磁干擾進(jìn)行很好的泄放，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電磁兼容測試系統(tǒng)功能測試，滿足現(xiàn)場功能需要后，進(jìn)行電磁兼容測試，電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈沖、浪涌、射頻場傳導(dǎo)等1、靜電抗擾度檢測參與了幾個(gè)項(xiàng)目的靜電抗擾度檢測，對靜電有一定認(rèn)識(shí)。靜電分為接觸放電和空氣放電，靜電是積累的高壓，當(dāng)接觸到設(shè)備的金屬外殼時(shí)會(huì)瞬間放電，會(huì)影響到電子設(shè)備的正常工作，可能引起設(shè)備故障或重啟，在安全性要求較好的場合這是不允許的

16、。靜電會(huì)影響顯示效果，可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏，影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常，程序死機(jī)或重啟。如果在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計(jì)，做靜電試驗(yàn)不必過分擔(dān)心，通過設(shè)計(jì)，對靜電積累的電荷進(jìn)行良好的泄放，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。2、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設(shè)備上，觀察設(shè)備是否受到其影響。防護(hù)群脈沖主要的方法是“疏導(dǎo)”“堵”，“疏導(dǎo)”就是提供泄放回路，是干擾在進(jìn)入系統(tǒng)之前，泄放至大地，良好的屏蔽層接地，可以泄放大部分動(dòng)干擾，“堵”是使群脈沖濾除在設(shè)備之外，增加磁環(huán)，效果明顯，封閉磁環(huán)的效果好于對扣磁環(huán)，也可以將磁環(huán)加入到板級(jí)中

17、，固定在印制板中，這樣使設(shè)備更可靠。對電源線、信號(hào)線、通訊線兩端增加磁環(huán)，可以對群脈沖干擾進(jìn)行防護(hù)。3、雷擊浪涌檢測雷擊浪涌主要包含兩個(gè)方面，一個(gè)是電源防雷，一個(gè)是信號(hào)防雷。電源防雷主要是針對系統(tǒng)級(jí)而言的，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)要按照三級(jí)防雷設(shè)計(jì)，總電源進(jìn)入端設(shè)置電源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH 385），可以對系統(tǒng)的電源進(jìn)行一級(jí)防護(hù)，電源經(jīng)過電源防雷后，進(jìn)入隔離變壓器，隔離變壓器可以對電磁干擾信號(hào)進(jìn)行較好的防護(hù)，抑制其對系統(tǒng)的影響。后進(jìn)入U(xiǎn)PS，UPS可以濾除一部分干擾信號(hào)，這樣電源再進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備，電源是一種純凈的電源，可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作。圖2：系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)示例。信號(hào)防雷是對系統(tǒng)的信號(hào)通路進(jìn)行防護(hù)，主要涉及的是板級(jí)設(shè)計(jì)，在板級(jí)設(shè)計(jì)中增加防雷器件，如氣體放電管，增加TVS泄放回路，當(dāng)有大電流時(shí)通過配套電阻和TVS、氣體放電管泄放，對后級(jí)電路起到保護(hù)作用。而后信號(hào)進(jìn)行光電隔離，再進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以采集到一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，使系統(tǒng)正常分析判斷，正常發(fā)出指令，正常工作。另一方面就是設(shè)計(jì)較寬的信號(hào)范圍，信號(hào)正常波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)正常工作。4、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測射感試驗(yàn)可能會(huì)對顯示信號(hào)、采集驅(qū)動(dòng)等造成影響，可能使顯示閃爍或黑屏，影響設(shè)備操作，可能使采集驅(qū)動(dòng)工作異常，采集不到需要的信號(hào)，無法驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備。射頻試驗(yàn)是0.