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电磁兼容技术及应用

我爱方案网| 电磁兼容,接地,屏蔽,滤波| 2010-11-19
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电磁兼容的中心议题:
    * 电磁兼容技术简述
    * 电磁兼容实例应用分析
电磁兼容的解决方案:
    * 接地、屏蔽、滤波
    * 将电磁兼容技术融入产品研发流程

摘 要:本文简要介绍电磁兼容相关的各项技术,通过对接地、屏蔽、滤波等技术的分析,说明产品如何实现良好的电磁兼容性,如何将电磁兼容技术融入产品研发流 程。对实例分析,结合电磁兼容理论,说明实际测试中的处理方法,从干扰源、耦合路径、敏感源方面逐步分析验证,提高产品可靠性。

目前,电磁兼容技术已经发展成为专门的针对电子产品抗电磁干扰和电磁辐射的技术,成为考察电子产品的安全可靠性的一个重要指标,覆盖所有电子产品。

各个电子设备在同一空间工作时,会在其周围产生一定强度的电磁场,这些电磁场通过一定的途径(辐射、传导)耦合给其他的电子设备,影响其他设备的正常工 作,可能使通讯出错或者系统死机等,设备间相互干扰相互影响,这种影响不仅仅存在设备间,同时也存在元件与元件之间,系统与系统之间。甚至存在与集成芯片 内部。

电磁兼容技术主要包括接地、滤波、屏蔽技术等,在特定场合需要注意的是不一样的,在结构方面,需要注意屏蔽和接地,在线缆方面注意接地和滤波,在PCB设计方面,需要注意信号布局布线、滤波等。

一、电磁兼容技术

首先从构成电磁干扰的三要素入手,即干扰源、敏感源、耦合路径,干扰源是产生电磁干扰的设备,通过电缆、空间辐射等耦合路径影响干扰敏感源设备。高频电压 /电流是产生干扰的根源,电磁能量在设备之间传播有两种方式:传导发射和辐射发射,传导发射是以导线为媒体,以电流为现象,辐射发射是以空间辐射为媒体, 以电磁波为现象。常见干扰源有雷电、无线通讯、脉冲电路、静电、感性负载通断、天线、电缆导线等。任何电路都可能成为敏感源,数字电路抗干扰性较好,但是 风险大,大的脉冲尖峰可能是数字电路误动作,音频模拟电路对射频信号敏感。耦合路径分为空间耦合和传导性耦合,空间耦合包括互感耦合、电容耦合、天线辐 射,传导性耦合包括地线和电源线上的传导。

电磁兼容设计主要包括接地设计、屏蔽设计、滤波设计方面的知识。地线分为安全地、交流地、直流地、数字地、模拟地、机壳地、防雷地等,地线从电压概念说是 提供一个等电位体,从电流概念上说是提供一个电流通路。地线阻抗决定了线路的抗干扰性,其中导线阻抗决定了地线的电位差,回路阻抗决定了实际的地线电流, 地环路的存在是电路受干扰的主要原因,减小地环路的面积,降低对线路的影响,使用屏蔽线或同轴电缆都可能减小信号回路的面积,从而达到降低干扰的影响。地 线电流总是走地线阻抗比较小的路径,高频低频时线路的阻抗是不一样的,可以根据需要设计信号路径。多层板比双层板的抗干扰性要好,因为多层板有专门的地层 和电源层,保证每个信号回路都具有最小的信号回路面积,如果是双层板,最好铺地线网格,来保证最小的回路面积。

单端接地是为了降低电场对设备的影响,两端接地是降低磁场对设备的影响,两端接地形成磁场环路,外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同 时,也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is,Is也会感应出磁场,但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反,相互抵消,导致总磁场减小,减小了干 扰。

屏蔽技术,主要是应用在系统的结构上的,也有对线路关键电路进行屏蔽的,如时钟电路、CPU等。考察系统的屏蔽效能可以利用静电测试,如果系统屏蔽做的 好,静电会沿着屏蔽体进行泄放,不会对内部线路造成影响。良好的电磁屏蔽的关键因素是屏蔽体的导线连续性,如果必须开孔引导线,采用屏蔽电缆,屏蔽层一定 要采用360度环接方式进行接地,保证屏蔽的完整性。根据不同屏蔽层传输阻抗的频率特性和信号工作频率,来选择屏蔽电缆。

滤波包括电源线滤波与信号滤波。电缆是一个很好的天线,有时候即使屏蔽做的很好,仍然不能通过辐射发射和辐射敏感度的试验,这是因为电缆产生的辐射远高于 线路板本身及机箱屏蔽不完整发生泄漏所产生的辐射。解决这种问题的一个方法是在电缆的端口处安装滤波器,将干扰电流滤除掉。根据干扰的频率选择滤波器的截 止频率,才能有效的滤除干扰。一个系统使用了二阶LC低通滤波器,做辐射试验还是过不去,将前级电容去掉,辐射发射就不超标了,说明了需要降低截止频率才 能滤除一部分干扰,增加滤波器的级数增加了曲线的陡度,提高了在工作频率内的滤波性能,并不能将更低频率的干扰滤除。滤波电容引线要短,可以采用“V”形 接法,减小高频时的回路阻抗,也可以在引线上增加安装磁珠,加大了引线上的电感,增强了滤波效果。薄膜电容的电阻成分大,应采用陶瓷电容来进行滤波,陶瓷 电容的阻抗特性好。

电磁兼容技术应贯穿产品研发始终,包括产品的概要设计、详细设计、原理图印制板设计、结构、组装调试等每个环节,都应该考虑电磁兼容设计,概要设计中需要 调研产品应用环境,分析现场干扰类型,评估干扰风险,详细设计中需要针对具体的干扰,采取相应的对策,需要全面设计。原理图印制板图设计需要将各项措施体 现在原理图中,必要时进行仿真,印制板图设计时需要按照模块化设计,注意布局布线,敏感电路的电磁兼容防护。结构也是电磁兼容设计中主要的一部分,产品的 结构对静电、群脉冲、辐射等有很大的关系,结构要求具有良好的屏蔽性和接地。装配调试环节需要注意信号完整性,保证接地的连续性,注意面板接触问题,在测 试环节根据遇到的实际情况,采取相应的措施。

 
二、电磁兼容实例应用分析

学习电磁兼容技术的整体目标是系统地学习电磁兼容方面的知识,通过学习电磁兼容设计理论,使这些方法、规则、措施等融入实际工作中,来保证产品尽可能可靠。

1、接地问题
实例一:某系统设备在做422通讯串口的射频场感应传导测试,采用双绞屏蔽线,开始采用的是单端接地,测试时出现的误码率高,几乎没有正确的数据,后来采用双端可靠接地,通讯正常。

实例二:某系统设备在做视频鼠标线的射频场感应传导的试验时,在较低频段(3M以下)时显示器有波纹,上下闪动,后来将视频线的显示器侧可靠接地,干扰明显降低,几乎不影响显示。

分析:这两种现象都是在做射频场的感应传导试验时出现的,射频场的感应传导抗扰度试验实质是:设备引线变成被动天线,接受射频场的感应,变成传导干扰入侵设备内部,最终以射频电压电流形成的近场电磁场影响设备工作 ,以低频磁场为主。

双绞线能够有效地抑制磁场干扰,这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积,而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向,因此相互抵销。双绞线的绞节越密,则效果越明显。

屏蔽层两端接地时,外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时,也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is,Is也会感应出磁场,但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反,相互抵消,导致总磁场减小,减小了干扰。

2、屏蔽问题
实例三:某系统为机柜、机箱式结构,其中控制部分为机箱结构,子板总线板结构,子板均安装面板。做静电试验时,接触放电+5.5kv时,对主板面板及左右 相邻的面板进行静电试验时,控制板重启或死机,后来在控制板附近的面板之间安装指形簧片,系统在接触放电±6.6kv时运行正常。

实例四:某系统试验,用普通机柜,系统很敏感,对机柜引出线(通讯线)进行群脉冲试验,采用耦合夹耦合方式,干扰一加上去,系统就不正常,在通讯线两端增 加磁环,效果不明显,后来没有办法了,更换了屏蔽机柜,进行试验,有明显效果,做几轮后,系统才会出现倒机想象,在通讯线进机柜处增加安装磁环后,系统工 作正常,几轮试验后,没有出现倒机现象,系统工作都正常。

分析:现在很多系统都是机箱结构,即控制板、采集板、驱动板等都安装在同一机箱中,进行数据交换与控制。安装完成后各电路板会有一定的缝隙,静电脉冲通过 面板缝隙,分布电容向主板耦合,使电源失真或控制发生故障系统重启、死机。在面板之间安装指形簧片,使机箱成为一个良好的屏蔽体,由于电荷的“趋肤效 应”,当有静电干扰时,静电会沿着表面泄放至大地,对内部电路的影响减小或者消失。

屏蔽机柜对机柜的缝隙和门都进行了处理,缝隙处安装导电簧片,门与机柜接触位置安装导电布衬垫,提高机柜的屏蔽效能,提高机柜整体的抗干扰性,群脉冲干扰 的实质是对线路分布电容能量的积累效应,当能量积累到一定程度时就可能引起线路(乃至设备)工作出错。通常测试设备一旦出错,就会连续不断的出错,即使把 脉冲电压稍稍降低,出错情况依然不断的现象加以解释。脉冲成群出现,脉冲重复频率较高,波形上升时间短暂,能量较小,一般不会造成设备故障,使设备产生误 动作的情况多见。

3、磁环的作用
实例五:对一个机箱结构系统做群脉冲实验,机箱内含有控制板、采集板、驱动板等,采集线、驱动线出机柜,需要做信号线群脉冲实验,当干扰施加在采集线上 时,所有的采集板上指示灯都闪烁,对采集回路进行分析,采集输入有光电隔离器件,采集回线为动态的12V输出,当干扰施加时,可能造成采集回线上的电压失 真,造成指示灯闪烁,找了一个闭合磁环,安装在采集回线上,进行实验,在某一极性下指示灯闪烁,说明磁环有作用,然后根据其阻抗特性,绕制2圈,实验效果 不明显,后来试验一下绕制3圈,结果,采集指示灯显示正常,多次试验,系统均正常。

分析:磁环对群脉冲干扰有很好的抑制作用,根据实际情况安装在通讯线的两端或一端,磁环有不同的阻抗特性,对干扰信号进行频率分析,设计磁环的截止频率正好落在干扰信号频率附近,使磁环体现较大的阻抗性,来抑制干扰。

磁环的圈数影响磁环的阻抗特性,圈数越多,阻抗特性曲线向低频率方向移动,即较低频率下的阻抗越大,若此频率比较接近干扰频率时,就能起到很好的抑制干扰的作用。

电磁兼容技术融入电子产品开发设计中,可以提高产品的安全可靠性,如果在实际测试中,某一方面存在缺陷,可以从电磁干扰的方式上入手进行一步一步测试,电 磁干扰有两种形式:传导发射和辐射发射,从各自的耦合路径进行查找。一个系统指标超标,可以先从辐射发射上解决,设备是否屏蔽良好,机壳上孔用导电布封 住,导电布要与机壳良好接触,再进行试验,如果还超标,那就是干扰主要是传导发射引起的,在设备机壳出口处安装信号滤波器和电源滤波器,进行试验,如果还 超标,那就是干扰是通过电缆辐射和传导发射出来,通过对屏蔽层的接地,减小地环路等措施必定能查找到原因并解决。

三、结语

产品需要逐步更新完善,才能达到一定的安全可靠,电磁兼容技术需要不断的积累,才能保证产品的安全可靠,产品应用场合不同,遇到的电磁干扰有所不同,产品 的性能也不同,需要根据实际应用环境,分析干扰源,查找耦合路径,明确敏感源,对干扰源采取隔离措施,切断耦合路径或者疏导干扰,对敏感源采取屏蔽、滤波 等措施,保证产品安全可靠工作。

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