PCB设计中的EMC设计介绍及EMC设计技巧
电磁兼容EMC 2022-09-23

PCB设计中的EMC设计概念

    EMC设计的目的就是想办法使自己设计或生产的电子设备产生各种干扰信号的幅度符合别人的要求;同时还要想办法让自己设计或生产的电子设备在受到其它电子设备产生干扰的情况下还能正常工作。因此,EMC标准一般都是强制性的。可以用金属机壳对电磁场进行屏蔽,以及对电源输入电路用变压器进行隔离,并且还要对变压器也进行静电感应和磁感应屏蔽。但由于金属机壳比较笨重,并且成本很高,另外50周的电源变压器体积很大,并且对其进行静电感应和磁感应屏蔽也比较麻烦。     

这种方法只有一些要求特别高的场合才会使用,例如:精密测试仪表,对于一般的普通电器设备,目前已很少使用。在塑料机壳内表面喷涂导电材料也是一种对电磁屏蔽很有效的方法,比如,在塑料机壳内表面喷涂石墨,对超高频电磁屏蔽效果就非常好,因为,石墨既导电又有电阻,是吸收电磁波的良好材料,它不容易对电磁波产生反射,并对电磁波产生衰减作用。如果只从屏蔽效果来比较,石墨对电磁场屏蔽的效果的确不如导电良好的金属,但金属屏蔽也有缺点,它最大的缺点就是产生电磁波反射,并使电磁反射波相互迭加,严重时会产生电磁振荡。     

当被屏蔽干扰信号的波长正好与金属机壳的某个尺寸接近的时候,金属机壳很容易会变成一个大谐振腔,即:电磁波会在金属机壳内来回反射,并会产生互相迭加,其工作原理与图13基本相同。这种情况在电脑机壳内最容易实现,当电脑机壳的边长正好等于某干扰信号的半个波长,且干扰信号源正好位于电脑机壳的中央位置的时候,干扰信号很容易就会在机壳内部产生电磁振荡。当某一干扰信号频率正好在谐振腔中产生谐振的时候,电磁波的能量反而会被加强。被加强了的干扰信号,一方面会破坏设备自身的正常工作,另一方面干扰信号也会从金属机壳的裂缝逃逸出去,产生辐射干扰,雷达设备经常使用的裂缝天线就是这个工作原理。特别指出,电磁波在金属机壳中产生辐射或谐振,与外壳接地或不接地无关。      

大多数电器设备传导干扰都是由开关电源引起的,为了提高开关电源的工作效率,一般都希望开关管导通和关断速度越高越好,即:方波的前、后沿越陡越好,这样的结果会使开关电源产生的干扰更加严重,要进行抑制更加困难。因此,在对开关电源进行设计时,不要无条件地追求开关电源的工作效率为越高越好。      不管采用什么样的滤波电路来抑制电子设备产生的传导干扰,其主要目的都是要把图6中的V1、V2、V3等三个干扰信号的幅度降到最低。例如:要抑制V1干扰信号,最有效的方法是在V1的两端并联一个电容,由于这个电容连接的位置比较特殊,需要符合安全标准,因此,一般人们都称他为Y电容;同理,要抑制V2干扰信号,最有效的方法也是在V2的两端并联一个Y电容。由于Y电容会引起设备漏电或机客带电,容易危及人身安全,所以这两个Y电容都是属于安全电容,其容量不能大,并且要求耐压很高,否则,机器将会漏电。安全标准规定,一般在亚热带机器对地漏电电流不能超过0.7mA,在温带机器对地漏电电流不能超过0.35mA,因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700P。      

特别提示,Y电容为安全电容,必须经过安全检测部门人证过后才能使用。Y电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达5000V以上,因此,Y电容不能随便用AC250V,或DC400V之类的电容来代用。      

抑制V3干扰信号最有效的方法,同样也是在V3的两端并联一个电容,由于这个电容连接的位置比较特殊,也需要符合安全标准,因此,一般人们都称他为X电容。X电容同样也属于安全电容,其容量可以比Y电容大,但必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来电压的30%。     X电容也是安全电容,必须经过安全检测部门认证过后才能使用。   

 X电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压达2000V以上,使用的时候不要随便用AC250V,或DC400V之类的电容来代用。     X 电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜安全电容,这种电容体积一般都很大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,即:内阻比较小。普通电容纹波电流的指标一般都很小,动态内阻比较大,用普通电容代替X电容,除了耐压条件不能满足以外,一般纹波电流指标也是难以满足要求的。      实际上,光靠用Y电容和X 电容就想把传导干扰信号完全滤除是不可能的。因为干扰信号的频谱非常宽,基本覆盖了几十KHz到几百MHz甚至上千MHz的频率范围。对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容,但受到安全条件的限制,Y电容和X电容的容量都不能用大;对高端干扰信号的滤除,大容量电容的滤波性能又极差,特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较差,因为它是用卷绕工艺生产的,并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母相比相差很远,一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应,它会降低电容器的工作频率,聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz左右,超过1MHz其阻抗将显著增加。     

因此,抑制电子设备产生的传导干扰除了选用Y电容和X电容进行滤波以外,一般还要同时选用多个电感滤波器一起组合对干扰除进行滤波。电感滤波器属于低通滤波器,但电感滤波器也有很多种类和无数多种规格,例如有:差模、共模,以及高频、低频等,每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用,对其它频率的干扰信号的滤除起作用不大。因为,电感量很大的电感,其线圈匝数很多,分布电容也很大,高频信号会通过分布电容旁路掉,另外,导磁率很高的磁芯,其工作频率也不高。目前,国内大量使用的电感滤波器磁芯的工作频率大多数都在75MHz以下,对于工作频率要求比较高的场合,必须选用高频环形磁芯,高频环形磁芯导磁率一般都不高,但漏感特别小。



     PCB设计中的电磁兼容设计    

电磁兼容设计主要包含浪涌(冲击)抗扰度、振铃波浪涌抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度、工频电源谐波抗扰度、静电抗扰 度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、传导骚扰、辐射骚扰、射频场感应的传导抗扰度等相关设计...    当前,日益恶化的电磁环境,使我们逐渐关注设备的工作环境,日益关注电磁环境对电子设备的影响,从系统设计开始,包括后续的结构,PCB设计,都要充分考虑到EMC问题,融入电磁兼容设计,使电子设备更可靠的工作。电磁兼容设计主要包含浪涌(冲击)抗扰度、振铃波浪涌抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度、工频电源谐波抗扰度、静电抗扰 度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、传导骚扰、辐射骚扰、射频场感应的传导抗扰度等相关设计。   

电磁干扰的主要形式   

电磁干扰主要是通过传导和辐射方式进入系统,影响系统工作,其他的方式还有共阻抗耦合和感应耦合。传导:传导耦合即通过导电媒质将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上,属频率较低的部分(低于30MHz)。在我们的产品中传导耦合的途径通常包括电源线、信号线、互连线、接地导体等。    辐射:通过空间将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上,属频率较高的部分(高于30MHz)。辐射的途径通过空间传递,在我们电路中引入和产生的辐射干扰主要是各种导线形成的天线效应。  

 共阻抗耦合:当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时出现的相互干扰。在电源线和接地导体上传导的骚扰电流,多以这种方式引入到敏感电路。   

感应耦合:通过互感原理,将在一条回路里传输的电信号,感应到另一条回路对其造成干扰。分为电感应和磁感应两种。    对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应对策:传导采取滤波(如我们设计中每个IC的片头电容就是起滤波作用),辐射干扰采用减少天线效应(如信号贴近地线走)、屏蔽和接地等措施,就能够大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力,也可以有效的降低对外界的电磁干扰。   

电磁兼容设计   

对于一个新项目的研发设计过程,电磁兼容设计需要贯穿整个过程,在设计中考虑到电磁兼容方面的设计,才不致于返工,避免重复研发,可以缩短整个产品的上市时间,提高企业的效益。    一个项目从研发到投向市场需要经过需求分析、项目立项、项目概要设计、项目详细设计、样品试制、功能测试、电磁兼容测试、项目投产、投向市场等几个阶段。  

 在需求分析阶段,要进行产品市场分析、现场调研,挖掘对项目有用信息,整合项目发展前景,详细整理项目产品工作环境,实地考察安装位置,是否对安装有所限制 空间,工作环境是否特殊,是否有腐蚀、潮湿、高温等,周围设备的工作情况,是否有恶劣的电磁环境,是否受限与其他设备,产品的研制成功能否大大提高生产效 率,或者能否给人们的生活或工作环境带来很大的方便,操作使用方式能否容易被人们所接受,这就要求项目产品要满足现场功能需要、易于操作等,最后要整理详 细的需求分析报告,以供需求评审。

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