电磁兼容性设计探讨Word下载.docx

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除頻率特性外,還有輸入阻抗特性、輸入端的平衡不平衡特性和敏感度特性。

模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬;

數字器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限或噪聲抗擾度。

芯片等有源器件有兩種電磁騷擾了射源:

傳導騷擾源和輻射騷擾源。

數字器件是一種最常風的寬帶騷擾源,其翻轉時間或上升/下降時越短,所占頻譜越寬。

瞬態地電流是傳導騷擾和輻射騷擾的初始源,減小瞬態電流必須減小印制電路板接地阻抗和使用去耦電容。

為了控制印制電路板的差模輻射,需將信號線和回線緊靠在一起,減小住號路徑形成的環面積;

為了控制共模輻射,可以使用接地柵網或接地平面,也可使用共模扼流圈。

當然降低頻率和住號電平,增加信號的上升/下降時間,合理選擇接地點,都是降低輻射的重要措施。

其次,在設計印制電路板時,應優選多層板,將數字電路和模擬電路安排在不同層內;

電源層應靠近接地層,閾在接地層下方;

騷擾源應單獨安排一層,閾遠離敏感電路層。

應注意,單面板雖然制造簡單,裝配方便,但只適用于一般電路要求,不適用于高駔裝頦度或復雜電路的場合;

而雙面板適用于只要求中等組裝密度的場合。

印制電路板設計的基本原則是:

20-H原則,H是兩層面的距離,即元、器件平面應比接地層平面小20倍H,才能減小輻射;

2-W原則,W是導線寬度,即導線間距不小于兩倍導線寬度;

導線應短、寬、均勻、直,如果轉彎,應使用圓角;

導線寬度不要突變,導線不要突然拐角。

為了進一步控制輻射,印制電路板布線時,應遵循以下原則:

信號線、電源線應盡可能靠近地線或回線,以減小差模輻射的環面積;

各信號線中間用地線隔開,有助于減小交擾;

數字器件按邏輯速度分組,相對集中,減小耦合,高頻、高速器件要靠近印制板連接器;

高電平電路應與敏感電路隔離等。

三、地線設計是最重要的設計,也是難度最大的一項設計

所謂”地”一般定義為電路或系統原零電位參考點,它可以是產品的金屬外殼或接地平面。

理想的接地平面應是零電阻的實体,電流在接地平面中流過時應沒有壓降,即各接地點之間沒有電位差。

在實際產品內,這種理想的接地平面或地線是不存在的。

任何地線既有電阻又有電抗,當有電流通過時,地線上必然產生壓降。

接地類型有懸浮地、單點接地、多點接地、以及混合接地。

懸浮地容易產生靜電積累與靜電放電,最好是一點接地。

多級電路接地點應選在代電平電路的輸入端,可減小地申痊對電路的干擾。

為防止多級小信號放大器和高增益放大器自激,通常應對它們進行屏蔽。

放大器屏蔽罩應一點接地,其接地點應選在輸出端地線上。

大型復雜的電子、電氣產品中往往包含有多種電子線路和各種電机,電器等元部件,這時,地線應分組敷設。

一般分為信號地線、噪聲地線、金屬件地線和机殼地線等,即”四套法”,這是解決地線干擾行之有效的方法。

因此,大型復雜產品地線系統的設計可以按以下步驟進行:

1.分析產品內各類電氣部件的騷擾特性;

2.分析產品內各電路單元的工作電平、信號種類和抗干擾能力;

3.將地線分類、划組;

4.畫出總体布局圖;

5.畫出地線系統圖。

由于兩個不同的接地點之間存在地電壓,電路多點接地、并且電路間有信號聯系時,將構成地環路。

地電壓將疊加在有用信號上一起加到負載端,所產生的干擾為差模干擾。

同時,外界電磁場也會在地環路中產生感應電動勢,引起地電壓,而產生差模干擾。

如果兩電路間的信號傳輸用兩根導線,則地電壓將加到兩根導線上,由于這兩根導線對地的阻抗不對稱,地電壓在兩導線上產生的共模電流大小不等,最后在負載兩端產生差模電壓,這就是共模干擾。

電子、電氣產品中,因地環路引起的差模干擾和共模干擾,即地環路干擾,是必須認真對待的嚴重問題。

由于電子、電氣產品總是采用具有一定面積的金屬板,例如机殼,作為接地平面,而這類接地平面兩點之間存在一定阻抗,當有接地電流通過時,就會產生地電壓,引起地環路干擾。

接地電流產生的原因主要有:

兩點接地或多點接地時,形成接地回路,由導電耦合引起接地電流;

由于電路元件與接地平面之間存在分布電容,由電容耦合引起接地電流;

當電路中的線圈靠近接地平面時,因電磁感應產生接地電流;

當有輻射騷擾照射到接地平面時,也會產生感應電動勢而引起接地電流。

因此,接地平面上總是有地電壓存在,如果疊加在有用信號上,就會造成干擾。

為此,首先可將信號地線與机殼地線絕緣,使地環路阻抗大大增加,將地電壓的大部分孝降在該絕緣電阻上,加到導線上的那部分被大大減小了。

其次,可以用平衡電路來代替不平衡電路,使信號線和回流線對地阻抗是平衡的,地電壓驅動的共模電流在兩條線中是相等的,因而在負載端沒有差模干擾。

此外,還可以用切斷地環路的方法,抑制地環路干擾。

如在兩個電路之間插入隔離變壓器,共模扼流圈或光電耦合器等,均可取得良好的效果。

為了抑制共模干擾,還應在靠近連接處,把印制電路板的接地層分割出一塊,作為專用的”干淨”地。

每條輸入/輸出線,包括信號線和回流線,都應分別并聯去耦電容,并接至”干淨”地。

使印制板上的共模電流在輸出前就被去耦電容所旁路。

四、屏蔽技朮用來抑制電磁騷擾沿著空間的傳播

電磁騷擾沿空間的傳播是以電磁場和電磁波的方式進行的,通常可用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區域包圍起來,使屏蔽体內外的”場”相互隔離,就可切斷電磁騷擾的傳播,實現屏蔽。

對于屏蔽作用的評价可以用屏蔽效能來表示。

屏蔽效能即未加屏蔽前,待測點的電場強度或磁場強度與加上屏蔽后,待測點的電場強度或磁場強度之比值。

電場屏蔽是抑制電場騷擾源和敏感設備之間由于存在電場耦合而產生干擾。

電場屏蔽的必要條件是金屬屏蔽体和接地。

磁場屏蔽是抑制磁場騷擾源和敏感設備之間由于存在電場耦合而產生的干擾。

不同頻率下,磁場屏蔽應采取不同的措施。

在磁場頻率比較低時,可用鐵、硅鋼片等鐵磁性材料,進行屏蔽。

鐵磁性材料的磁導率越大,屏蔽效能越高,屏蔽層的厚度增加也會加大屏蔽效能。

但增加單層屏蔽的厚度并不經濟,最好采用多層屏蔽的方法。

低頻磁場屏蔽的方法,在高頻時由于鐵磁性材料,磁導率下降和磁損增加而不適用。

高頻磁場屏蔽可采用金屬良導体,例如銅、鋁等。

當高頻磁場穿過金屬板時將產生很大的渦流,渦流產生的反磁場會抵消原來的磁場。

因此,悌蔽体的屏蔽效能與屏蔽体上產生的渦流大小有關。

此外,高頻電流具有集膚效應,渦流只在金屬表面流過,所以金屬薄層就能起到良好的高頻磁場屏蔽作用。

如果屏蔽体接地良好,還可以同時屏蔽高頻電場。

電磁場屏蔽用于抑制電磁騷擾源離敏感設備較遠時,通過電磁波耦合所產生的干擾。

由于必須同時屏蔽電場和磁場,應采用良導体材料。

電磁波入射到良導体表而時,會產生反射和吸收,使電磁能量大大衰減,從而起到屏蔽作用。

在高頻時,以吸收損耗為主,而在低頻時以反射損耗為主,屏蔽效能隨頻率越高也越高。

但由于良導体時低頻磁場的反射和吸收都很小,因此,只適用于高頻電磁場和低頻電場的屏蔽。

机箱的屏蔽材料一般采用銅板、鐵板、鋁板、鍍鋅鐵板等,厚度約為0.2~0.8毫米。

如果采用工程塑料做机箱,則需在塑料中摻入訓電導率的金屬粉而成為導電塑料,或在其表面噴塗一層導電薄膜。

實際机箱總有各種大小的孔,洞和縫隙,都可能造成電磁波的嚴重泄漏。

改善孔縫屏蔽的方法,可以采用導電襯墊、金屬絲網、截止波導管、截止波導通風板、導電玻璃視窗等。

屏蔽電纜是在絕緣導線外面再包一層金屬薄腊,即屏蔽層。

屏蔽層通常是銅絲或鋁線編織網,或無縫鉛鉑,其厚度遠大于集膚深度。

屏蔽層的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所行到的,而是由屏蔽層接地所產生的。

也就是說,屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到屏蔽作用。

例如,騷擾源電路的導線對敏感電路的單苡屏蔽線產生的干擾是通過源導線與屏蔽線的屏蔽層間的耦合電容,和屏蔽線的屏蔽層與芯線之間的耦合電容實現的。

如果把屏蔽層接地,則干擾也被短路至地,不能再耦合到芯線上,屏蔽層起到了電場屏蔽的作用。

但屏蔽電纜的磁場屏蔽則要求屏蔽兩端接地。

例如,當騷擾電流流過屏蔽線的芯線時,雖然屏蔽層與芯線間存在互感,但如果屏蔽層不接地或只有一端接地,屏蔽層上將無電流通過,電流經接地平面返回源端,所以屏蔽層不起作用,不會減少芯線的磁場輻射。

如果屏蔽層兩端接地,當頻率較高時,可以証明,芯線電流的回流几乎全部經由屏蔽層流回源端,屏蔽層外由芯線民流和屏蒺層回流產生的磁場大小相等、方向相反,因而互相抵消,達到了屏蔽的目的。

但如果頻率較低,則回流的大部分將流經接地平面返回,屏蔽層仍不能起到防磁作用。

而且,當頻率雖高,但屏蔽層接地點之間存在地電壓時,將在芯線和屏蔽層中產生共模電流,而在負載端引起差模干擾。

在這種情況下,需要采用雙重屏蔽電纜或三軸式同軸電纜方可解決問題。

綜上所述,對于低頻電咯,應單端接地,例如,信號源通過屏蔽電纜與一公共端接地的放大器相連,則屏蔽電纜的屏蔽層應直接接在放大器的公共端:

而當信號源的公共端接地,放大器不接地,則屏蔽電纜屏蔽層就直接接在信號源的公共端。

對于高頻電路,屏蔽電纜的屏蔽層應雙端接地,如果電纜長于1/20波長,則應每隔1/10波長距離接一次地。

實現屏蔽層接地時,應使屏蔽電纜的屏蔽層和屏蔽電纜連接器的金屬外殼呈360度良好焊接或緊密壓在一起,電纜的芯線和連接器的插針焊接在一起,同時將連接器的金屬外殼與屏蔽机殼緊密相連,使屏蔽電纜成為屏蔽机箱的延伸。

五、瀘波技朮用來抑制電磁騷擾沿導線的傳輸

分離信號、抑制騷擾是這類瀘波器的基本用途,它能使需要的頻率分量順利通過,并對不需要的頻率分量進行抑制。

因此,它最重要的特性是插入損耗隨頻率的變化,即頻率特性。

插入損耗定義為信號源不接瀘波器直接加在負載上的電壓與信叫源通過瀘波器后加在負載上的電壓的比值。

能無衰減地通過瀘波器的頻率范圍稱為通帶,而受到很大衰減的頻率范圍稱為阻帶。

抑制騷擾的瀘波器有反射式瀘波器和吸收式瀘波器等。

反射式瀘波器通常是由電感、電容等元件組成的低通瀘波器,在瀘波器阻帶內能提供高的串聯阻抗和低的并聯阻抗,使它與騷擾源的阻抗嚴重不匹配,從而把高頻分量反射回騷擾源而被瀘除。

而低頻分量則可以很小的衰減通過。

它用在交直流電源系統中可以抑制電源線中的高頻騷擾,用在放大器或發射机輸出電路中可以瀘除有用信號的高次諧波和其它雜散干擾。

旁路電容瀘波器就是一種典型的低通瀘波器,由于頻率越高,電容的阻抗越小,與騷擾源并聯的電容將在高頻時提供一個并聯的低阻抗,使高頻分量的電源主要流過電容,而低頻電流則流向負載,電容起到了瀘除高頻成分的作用。

電源瀘波器也是用途很廣的低通瀘波器,它不僅可以阻止電網中的騷擾進入設備,也可以抑制設備產生騷擾污染電網,其作用是雙向的。

除低通瀘波器外,還可按不同用途選用高通、帶通或帶阻瀘波器。

吸收式瀘波器是由有耗器件構成的,在阻帶內,有耗器件將電磁騷擾的能量吸收后轉化為熱損耗,而起到瀘波作用。

鐵氧体材料就是一種廣泛應用的有耗器件,可用來構成低通瀘波器。

鐵氧体是一種磁性材料,由鐵、鎳、鋅的氧化物混合而成,具有很高的電阻率,磁導率約為100~1500。

當導線中的低頻電流穿過鐵氧体時几乎沒有損耗,但高頻電流卻會受到很大損耗。

鐵氧体奢料可以等效為電阻值和電感量孝隨頻率變化的電阻和電感的串聯,總的阻抗隨頻率升高而增加。

但在低頻段內,電感起主要作用,在高頻段,電阻起主要作用,電阻隨頻率升高而增加,電感卻隨頻率升高而減少,因此對高頻分量起到較大的衰減作用,對直流或低頻分量几乎沒有衰減。

根据不同的使用場合,鐵氧体吸收式瀘波器可以做成多種形式,例如可以直接焊接在印制電路板上的電阻元件形,可以串接在低速信號線中的多線磁珠,可以套在元件、器件引腳成導線上的磁環,可以套在電纜上的柱形磁環和矩形磁環等。

六、為達到理想效果必須綜合使用接地、屏蔽、瀘波等措施

電磁騷擾可以通過導線進行傳輸,也能以電磁波和電磁場的形式向空間傳播,而通過導線傳輸時也可以同時向空間輻射,向空間傳播時也能在導線中感應出騷擾電流并沿導線傳輸。

因此,要有效地抑制電磁騷擾,就必須綜合使用接地、屏蔽、瀘波等措施。

靜電場屏蔽的必要條件是金屬屏蔽体接地。

為了同時屏蔽高頻磁場和高頻電場,當然,也應將金屬屏蔽体接地。

而電磁屏蔽是用金屬屏蔽体阻止高頻電磁場在空間傳播的一種措施,為了避免因電磁感應而使屏蔽效能下降,金屬屏蔽体也應接地,同時,為了避免地電壓在屏蔽体內造成干擾,還應當單點接地。

前面已經指出,屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起屏蔽作用。

可見,屏蔽與接地是不可分的。

電磁騷擾侵入屏蔽体的主要途徑是輸入輸出接口和電源線輸入口。

我們知道,屏蔽体內部的電磁騷擾可以耦合到進、出屏蔽体的導線和電纜上,傳導到并蔽体外,造成輻射;

同樣,外界的電磁騷擾也會通過這些導線和電纜經過電磁感應,傳導進入干擾電流流入或流出這些導線和電纜,一種簡單可行的方法,就是屏蔽体輸入輸出接口和電源線輸入口分別采用瀘波器連接器和餽通瀘波器。

此外,屏蔽体上的通風口可采用由截止波導管組成的蜂窩狀通風窗;

當面板上采用非金屬軸杆的可調器件時,也可將非金屬軸杆穿過截止波導管。

這是因為,截止波導管是一種高通瀘波器,當電磁波的頻率低于它的截止頻率時,就不能通過,所以起到了屏蔽作用。

用導電玻璃做成的屏蔽視窗,實質上也是高通瀘波器。

可見,屏蔽與瀘波也是不可分的。

除了特別說明允許不接地的瀘波器在使用時可不接地外,各類瀘波器孝必須接地。

因為瀘波器中的共模旁路電容只有接地時才能起作用,而且,接地阻抗越小,瀘波效果越好。

特別是π型瀘波器,接地不良時,相當為電容和電感并聯,完全失去了瀘波的作用。

此外,安裝瀘波器時,還應借助于屏蔽,把瀘波器的輸入端和輸出端隔離開來,將電磁耦合控制到最低限度,才能發揮瀘波器的抑制能力。

所懼瀘波技朮是和接地、屏蔽都有密切關系的。

前面提到,為了減小地環路干擾,需要將信號地線與机殼地線絕緣,然后分別在各自的匯流條的終接地。

因此信號地線需通過餽通瀘波器引出机殼。

可見,接地與瀘波有關,高層建筑的接地線,很容易感應電磁騷擾,因此地線外需加屏蔽套筒,并在接大地端單端接地。

所以,接地與屏蔽也是有關的。

七、進一步瀘除混在數字信號中噪聲的方法

在信號地和机殼地絕緣并采用瀘波器連接器使共模噪聲和差模噪聲大大降低以后,如果剩余的噪聲對于邏輯器件的噪聲容限而言仍不可忽視時,則可以根据不同噪聲性質,采用整形電路積分電路等硬件措施,也可以采用軟件方法作進一步的抑制。

例如,利用施密特電路的回差特性,抑制疊加在數字信號上的振鈴噪聲、尖峰噪聲、寄生振蕩等干擾;

利用雙向限幅電路削去數字信號頂部和底部的噪聲;

利用積分電路去除窄脈衝噪聲,積分電路的時間常數應大于脈衝噪聲的寬度而小于數字信號的寬度;

利用可重復觸發單穩態電路去除輸入信號中混雜的毛刺;

利用普通單穩器件和D型觸發器組成的抗脈衝干擾電路,瀘除輸入信號上帶有的脈衝噪聲等。

但當傳輸線較長時應注意阻抗匹配問題,避免數字信號產生上衝、下衝等振蕩現象所造成的邏輯電路誤動作。

八、雷擊防護

雷電是由于大氣放電所產生的,當帶有正電荷的雷云和帶有負電荷的雷云離得較近時,就會產生強烈的放電,持續時間約50至100微秒,放電電流可達200至300千安,溫度約為2萬攝氏度,從而出現耀眼的閃光和雷嗚。

雷擊可分為直擊雷和感應雷。

當雷云很低,周圍又沒有異性電荷雷云時,就在地面的凸出物上感應異性電荷,繼而造成與地面凸出物之間的放電,這就是直擊雷。

為預防直擊雷,可架設避雷針,避雷針應良好接地,接地電阻一般要求為5至10歐姆。

直擊雷發生時,強大的放電電流通過避雷針接地極注入大地后,將向周圍擴散,引起周圍地電位升高。

如果有兩組電子、電氣產品通過各自的接地極接地,由于它們與避雷針接地極的距離不同,地電位升高也不同,兩組產品接地極間的電位差使兩組產品間存在地環路干擾。

解決的辦法是將兩組產品的地線接在同一個接地極上,而該接地極應遠離避雷針接地極注入大地后,將向周圍擴散,引起周圍地電位升高。

如果有兩組電子、電氣產品通過各自的接地極接地,由于它們與避雷什接地極的距離不同,地電位升高也不同,兩組產品接地極間的電位差使兩組產品間存在地環路干擾。

解決的辦法是將兩組產品的地線接在同一個拉地極上,而該接地極應遠離避雷針拉地極至少20米。

感應雷產生的原理是由于雷電放電電流是強烈的電磁騷擾源,能向周圍空間輻射很強的電磁場,而使地面是的導体感應出很高的浪涌電壓,電子、電氣產品中的信號線,電源線中也會感應出高電壓和大電流,直接燒毀元件和電路,甚至造成永久性損坏。

對此,應采用適當的浪涌抑制器件,如氣体放電管,硅雪崩二極管,金屬氧化物壓敏電阻,以及因態瞬變電壓抑制等。

氣体放電管利用氣体放電引起短路的原理制成,它跨接在線路輸入端,沒有浪涌時阻抗非党大可達10吉歐姆,電容約1至5皮法,所以不會對線路有任何影響。

當浪涌電壓輸入時,放電管放電導通,阻抗只有毫歐姆量級,為浪涌提供了泄放通路,而不致于進入產品電路內部,。

氣体放電管的優點是能承受大于20千安、持續時間為几十微秒的衝擊電流,但所能承受脈衝過后的持續電流僅為100安,所以在使用時應串接一個2歐姆、2瓦的金屬氧化物薄膜電阻,以限制持續電流的幅值。

硅雪崩二極管是一種結面積較大的間納二極管,當有浪涌電壓侵入時,能迅速將電壓峰值鉗位于規定值上,響應時間小于1納秒。

鉗位電壓可取6.8伏至400伏。

其優點是在浪涌抑制過程中,輸入端不短路,不影響內部電路的工作;

而且響應速度快,抑制效果好,殘留尖峰很小;

浪涌過后即自行恢復,沒有延遲時間等。

不足之處是承受尖峰電流的能力比氣体放電管差。

金屬氣化物壓敏電阻也是靠電壓鉗位來抑制浪涌,響應時間小于50納秒,但承受尖峰電流的能力比硅雪崩二極管高。

固体瞬變電壓抑制器是一種新型浪涌抑制器,一旦浪涌侵入,首先起鉗位作用,然后呈短路狀態,將浪涌能量泄放掉,最后恢復原始狀態。

其体積很小,可以在印制電路板上表面安裝,但承受衝擊電流的能力還未達到氣体放電管的水平。

雷電保護電路党采取混合式電路,即將氣体放電管安排在最前面,硅雪崩二極管或金屬氧化物壓敏電阻安排在后面,中間用電阻或電感阻隔。

當浪涌侵入時,因硅雪崩二極管響應速度快,可以先抑制流涌的快速上升沿,而大量浪涌能量則通過氣体放電管泄放。

為了改止氣体放電管因為后級的鉗位而達不到其放電起始電壓,所以需要加電阻或電感進行阻隔。

總的說來,進行產品電磁兼容性設計時,表面上看,好象很復雜,令人無法下手。

但如果能牢固掌握基本概念和上述八個應注意的問題,任何復雜的電磁兼容性設計,都是可以迎刃而解的。