硬件EMC規(guī)范講解

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器。EMC就圍繞這些問題進(jìn)行研究。基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來切斷干擾的傳輸途徑。廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，但已延伸到其他學(xué)科領(lǐng)域。

本規(guī)范重點(diǎn)在單板的EMC設(shè)計(jì)上，附帶一些必須的EMC知識(shí)及法則。在印制電路板設(shè)計(jì)階段對(duì)電磁兼容考慮將減少電路在樣機(jī)中發(fā)生電磁干擾。問題的種類包括公共阻抗耦合、串?dāng)_、高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射和通過由互連布線和印制線形成的回路拾取噪聲等。

在高速邏輯電路里，這類問題特別脆弱，原因很多：

1、電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁；

2、信號(hào)頻率較高，通過寄生電容耦合到步線較有效，串?dāng)_發(fā)生更容易；

3、信號(hào)回路尺寸與時(shí)鐘頻率及其諧波的波長(zhǎng)相比擬，輻射更加顯著。

4、引起信號(hào)線路反射的阻抗不匹配問題。
 

 總體概念及考慮 

1、五一五規(guī)則，即時(shí)鐘頻率到5MHz或脈沖上升時(shí)間小于5ns，則PCB板須采用多層板。

2、不同電源平面不能重疊。

3、公共阻抗耦合問題。

由于地平面電流可能由多個(gè)源產(chǎn)生，感應(yīng)噪聲可能高過模電的靈敏度或數(shù)電的抗擾度。

解決辦法：

①模擬與數(shù)字電路應(yīng)有各自的回路，后單點(diǎn)接地；
 
②電源線與回線越寬越好；
 
③縮短印制線長(zhǎng)度；
 
④電源分配系統(tǒng)去耦。

4、減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5、一個(gè)重要思想是：PCB上的EMC主要取決于直流電源線的Z

No.2 布局

下面是電路板布局準(zhǔn)則：

1、 晶振盡可能靠近處理器

2、 模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域

3、 高頻放在PCB板的邊緣，并逐層排列

4、 用地填充空著的區(qū)域

No.3 布線 

1、電源線與回線盡可能靠近，的方法各走一面。

 
2、為模擬電路提供一條零伏回線，信號(hào)線與回程線小與5：1。
 
3、針對(duì)長(zhǎng)平行走線的串?dāng)_，增加其間距或在走線之間加一根零伏線。
 
4、手工時(shí)鐘布線，遠(yuǎn)離I/O電路，可考慮加信號(hào)回程線。
 
5、關(guān)鍵線路如復(fù)位線等接近地回線。
 
6、為使串?dāng)_減至小，采用雙面＃字型布線。
 
7、高速線避免走直角。
 
8、強(qiáng)弱信號(hào)線分開。
 

No.4 屏蔽

1、屏蔽 > 模型：

屏蔽效能SE(dB)＝反射損耗R(dB)＋吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射，吸收是低頻磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵機(jī)理。

2、工作頻率低于1MHz時(shí)，噪聲一般由電場(chǎng)或磁場(chǎng)引起，(磁場(chǎng)引起時(shí)干擾，一般在幾百赫茲以內(nèi))，1MHz以上，考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實(shí)體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機(jī)架的屏蔽。

3、 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的，只要求高電導(dǎo)率材料和接地兩點(diǎn)。電磁屏蔽不要求接地，但要求感應(yīng)電流在上有通路，故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導(dǎo)率的材料做 封閉的屏蔽體，為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達(dá)到吸收的目的，對(duì)材料有厚度的要求。高頻情況下，三者可以統(tǒng)一，即用高電導(dǎo)率材料(如銅)封閉并接地。

4、對(duì)低頻，高電導(dǎo)率的材料吸收衰減少，對(duì)磁場(chǎng)屏蔽效果不好，需采用高磁導(dǎo)率的材料(如鍍鋅鐵)。

5、磁場(chǎng)屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的大線性尺寸。

6、磁耦合感應(yīng)的噪聲電壓UN＝j(luò)wB.A.coso＝j(luò)wM.I1，(A為電路2閉合環(huán)路時(shí)面積；B為磁通密度；M為互感；I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓，有兩個(gè)途徑，對(duì)接收電路而言，B、A和COS0必須減?。粚?duì)干擾源而言，M和I1必須減小。雙絞線是個(gè)很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積，并同時(shí)在絞合的另一根芯線上產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢(shì)。

7、防止電磁泄露的經(jīng)驗(yàn)公式：縫隙尺寸<λmin/20。好的電纜屏蔽層覆視率應(yīng)為70％以上。
 

No.5 接地

1、300KHz以下一般單點(diǎn)接地，以上多點(diǎn)接地，混合接地頻率范圍50KHz～10MHz。另一種分法是：< 0.05λ單點(diǎn)接地；< 0.05λ多點(diǎn)接地。

2、好的接地方式：樹形接地

 3、信號(hào)電路屏蔽罩的接地。

接地點(diǎn)選在放大器等輸出端的地線上。

4、對(duì)電纜屏蔽層，L< 0.15λ時(shí)，一般均在輸出端單點(diǎn)接地。L<0.15λ時(shí)，則采用多點(diǎn)接地，一般屏蔽層按0.05λ或0.1λ間隔接地。混合接地時(shí)，一端屏蔽層接地，一端通過電容接地。

5、對(duì)于射頻電路接地，要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實(shí)現(xiàn)接地。的接地線是扁平銅編織帶。當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度是λ/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，阻抗會(huì)很高，同時(shí)相當(dāng)λ/4天線，向外輻射干擾信號(hào)。

6、單板內(nèi)數(shù)字地、模擬地有多個(gè)，只允許提供一個(gè)共地點(diǎn)。

7、接地還包括當(dāng)用導(dǎo)線作電源回線、搭接等內(nèi)容。

No.6 濾波

1、選擇EMI信號(hào)濾波器濾除導(dǎo)線上工作不需要的高頻干擾成份，解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分，有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過渡性能，能保證工作信號(hào)質(zhì)量。

一個(gè)典型信號(hào)的頻譜：

2、選擇交直流電源濾波器抑制內(nèi)外電源線上的傳導(dǎo)和輻射干擾，既防止EMI進(jìn)入電網(wǎng)，危害其它電路，又保護(hù)設(shè)備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 < 1mhz時(shí)占主導(dǎo)地位。cm在> 1MHz時(shí)，占主導(dǎo)地位。
 
3、使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上，用作高頻電路的去耦，濾波以及寄生振蕩的抑制。
 
4、盡可能對(duì)芯片的電源去耦(1-100nF)，對(duì)進(jìn)入板極的直流電源及穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行濾波(uF)。

注意減小電容引線電感，提高諧振頻率，高頻應(yīng)用時(shí)甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問題，也是單板EMC控制的手段。

No.7 其它

單板的干擾抑制涉及的面很廣，從傳輸線的阻抗匹配到元器件的EMC控制，從生產(chǎn)工藝到扎線方法，從編碼技術(shù)到軟件抗干擾等。一個(gè)機(jī)器的孕育及誕生實(shí)際上是EMC工程。主要需要工程師們?cè)O(shè)計(jì)中注入EMC意識(shí)  

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，我們常遇到這樣的情況：雖然設(shè)計(jì)工程師在設(shè)備電源線上接了電源濾波器，但是該設(shè)備還是不能通過"傳導(dǎo)騷擾電壓發(fā)射"測(cè)試，工程師懷疑濾波器的濾波效果不好，不斷更換濾波器，仍不能得到理想的效果。

兩個(gè)方面分析設(shè)備超標(biāo)的原因

1）設(shè)備產(chǎn)生的騷擾太強(qiáng)；

2）設(shè)備的濾波不足。

對(duì)于第yi種情況，我們可以通過在騷擾源處采取措施，降低騷擾的強(qiáng)度，或者增加電源濾波器的階數(shù)，提高濾波器對(duì)騷擾的抑制能力來解決。對(duì)于第二種情況，除了濾波器自身性能不好以外，濾波器的安裝方式對(duì)它的性能影響很大。這一點(diǎn)往往是被設(shè)計(jì)工程師忽視的。在很多測(cè)試中，我們通過更改濾波器的安裝方式就能使設(shè)備順利通過測(cè)試。

下面是一些常見的濾波器錯(cuò)誤安裝方式對(duì)濾波器性能影響的實(shí)例。

1 輸入線太長(zhǎng)

許多設(shè)備的電源線進(jìn)入機(jī)箱后，經(jīng)過很長(zhǎng)的導(dǎo)線才接到濾波器的輸入端。例如，電源線從機(jī)箱后面板輸入，走行到前面板的電源開關(guān)，又回到后面板接到濾波器?；蛘邽V波器的安裝位置距離電源線入口較遠(yuǎn)，造成引線太長(zhǎng)。如圖1所示。

圖1 電源線過長(zhǎng)示意圖

由于電源入口到濾波器輸入端的引線過長(zhǎng)，設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾通過電容性或電感性耦合，重新耦合到電源線上，而且騷擾信號(hào)的頻率越高，耦合越強(qiáng)，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

2 濾波器輸入輸出線平行走線

有的工程師為了使機(jī)箱內(nèi)部的走線美觀，常常把線纜捆扎在一起，這對(duì)電源線是不允許的。如果把電源濾波器的輸入輸出線平行走線或捆扎在一起，由于平行傳輸線之間存在分布電容，這種走線方式相當(dāng)于在濾波器的輸入輸出線之間并接了一個(gè)電容，為騷擾信號(hào)提供了一條繞過濾波器的路徑，導(dǎo)致濾波器的性能大幅下降，頻率很高時(shí)甚至失效（如圖2所示）。等效電容的大小與導(dǎo)線距離成反比，與平行走線的長(zhǎng)度成正比。等效電容越大，對(duì)濾波器性能的影響越大。

圖2 平行走線對(duì)濾波器的影響

3 濾波器接地不好，濾波器的殼體沒有和金

屬機(jī)箱良好搭接這種情況也比較普遍。許多工程師安裝濾波器時(shí)，濾波器的殼體和機(jī)箱之間搭接不良（有絕緣漆）；同時(shí)，使用的接地線較長(zhǎng)，這將導(dǎo)致濾波器的高頻特性變壞，降低濾波性能。由于接地線較長(zhǎng)，在高頻時(shí)導(dǎo)線的分布電感不能忽視，如果濾波器搭接良好，干擾信號(hào)可以通過殼體直接接地。如果濾波器的殼體和機(jī)箱之間搭接不良，相當(dāng)于濾波器的殼體（地）與機(jī)箱之間存在一個(gè)分布電容，這將導(dǎo)致濾波器高頻時(shí)接地阻抗較大，尤其在分布電感和分布電容諧振的頻率附近，接地阻抗趨于無窮。濾波器接地不良對(duì)濾波器性能的影響如圖3所示。

從圖3中可以看到，由于濾波器接地不良，接地阻抗較大，有一部分騷擾信號(hào)能通過濾波器。為了解決搭接不良，應(yīng)把機(jī)箱上的絕緣漆刮掉，保證濾波器殼體和機(jī)箱有良好的電氣連接。

圖3 濾波器接地不良對(duì)濾波器性能的影響

4 理想的安裝電源濾波器的例子（僅供參考）

圖4 電源濾波器安裝示例

在這種安裝方式下，濾波器的殼體和機(jī)殼接觸良好，堵住電源線在機(jī)箱上的開口，提高了機(jī)箱的屏蔽性能；另外，濾波器的輸入輸出線之間有機(jī)箱屏蔽相隔離，消除了輸入輸出線之間的騷擾耦合，保證濾波器的濾波性能。

濾波器的安裝方式直接影響了濾波器的濾波效果，為了充分發(fā)揮濾波器的性能，在安裝濾波器時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

5 安裝濾波器五點(diǎn)原則

1）在電源入口處就近安裝，用濾波器殼體蓋住機(jī)箱上的電源線入口孔；

2）接地線越短越好；

3）濾波器殼體與機(jī)箱良好搭接；

4）濾波器輸入輸出線分開，不能并行或交叉；

5）避免濾波器附近有強(qiáng)干擾源。

6 結(jié)論

本文主要介紹了電磁脈沖傳感器在強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)下的校準(zhǔn)方法，被測(cè)裝置采用模擬量光纖傳輸系統(tǒng)傳輸脈沖信號(hào)，具有噪聲低，非線性失真小，動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。通過測(cè)量獲得了對(duì)傳感系統(tǒng)的峰值響應(yīng)靈敏度，一組實(shí)驗(yàn)室間的比對(duì)顯示，這一校準(zhǔn)方法具有較好的一致性。