电气设备和EMC设计、测试和整改ppt课件.ppt

电子电气设备电磁兼容设计、测试和整改,沙 斐北京交通大学抗电磁干扰研究中心,我室1982年成立。2001年由中国实验室国家认可委员会（CNAS）正式批准为“国家认可实验室”。电波暗室1992年建成，2006年重建，均为自行设计。,（一）EMC设计基础 1.电磁干扰三要素2.传导和辐射3.共模 和差模 4.近场和远场5.电磁干扰耦合方式与研究思路（二）产品EMC接地设计（三）产品EMC滤波设计（四）产品EMC屏蔽设计（五）PCB板的EMC设计（六）EMC技术的综合设计 案例解析：（七）测试故障诊断流程与整改措施 1.测试故障的诊断分析2.测试中常见测试频谱超标的定位 3.测试故障的整改措施,（一）EMC设计基础,什么是电磁兼容？,电磁兼容（EMC-Electromagnetic Compatibility）是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气的器件、电路、设备或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。,(一）1、电磁干扰三要素,干扰三要素的构成,EUT,EUT,骚扰源,传输途径,敏感设备,空间辐射的电磁波导线传导的电压电流,任何电子电气设备都可能是骚扰源，也可能是敏感设备。电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。设备越敏感，抗扰度越差。,设备的电磁兼容性（EMC）,设备的发射特性（EMI）设备向外部发射电磁骚扰的特性。设备的抗扰度（IMUNITY）（敏感度EMS）设备抵抗外部入侵的电磁骚扰的能力。只有设备的EMI和EMS都符合要求了，才能说设备的EMC合格了。,EMC研究对象的扩展,目前EMC的研究对象已不仅仅限于电子气设备，而且进一步拓宽到：雷电、静电等自然干扰源；强电磁脉冲；电磁环境污染与生态效应；信息处理设备电磁泄漏产生的失密;无线电频率的分配和管理。,电磁骚扰源,人为骚扰源和自然骚扰源 任何电子电气设备都可能是人为骚扰源。雷电、静电放电是自然骚扰源。电磁噪声-不带任何信息的电磁现象，例如：雷电、静电放电；电气设备运行中出现的电火花；晶体管、二极管关断时产生的脉冲噪声等。无用信号-功能性信号，例如广播、电视、雷达、信息技术设备等，本身是有用信号，但干扰了其它设备的正常工作，所以对敏感设备而言是无用信号。,骚扰源的研究,设备哪部分发射最大？发射的机理？（共模发射、差模发射）发射通过空间还是通过导线进行？发射能量的大小？（场强、功率、电压、电流）波形？（正弦、调制、脉冲、随机）频谱？（宽带、窄带、单频）,传输途径的研究,辐射发射RE-通过空间以电磁波的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：电波传播的规律（距离特性、方向性、波阻抗）；远场感应产生的干扰；近场耦合产生的干扰。传导发射CE-通过导线以电压电流的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：导线（信号线、电源线）的阻抗（分布参数）；地环路干扰。,敏感设备的研究,产生干扰的机理为什么电磁骚扰会使设备的性能降低或产生不希望有的响应，甚至损坏。设备的抗干扰能力-敏感度门限（数字电路、模拟电路）。,案例：脉冲针灸仪对收音机的干扰,脉冲重复频率=2.36KHz,脉宽=27s广播中波5501500KHz,短波5.8522MHz,调频88108MHz,针灸仪为什么会辐射电磁波？（天线）针灸仪工作信号是脉冲为何会影响单频接收的收音机？（频谱分析）为什么中波全干扰,短波稍好些，调频完全不干扰？（频谱分析）如何测试？（获得波形、频谱等？）是否符合标准？（3C认证？）拟采用什么控制措施？（5个基本措施）如何设计产品？（电路、布置、走线、机箱等）,骚扰的波形和频谱,EMC标准的骚扰限值是按频率规定的；EMC设计是以骚扰频率为依据的。了解骚扰的波形有助于骚扰源的定位和抑制。模拟信号的波形和频谱。数字信号的波形和频谱。脉冲信号（浪涌、电快速瞬变脉冲群、静电放电、人为脉冲等）的产生原因、波形和频谱。,数字脉冲信号的频谱分析,信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号，具有很宽的频带，从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟频率的1020倍或者为1/tr,tr为脉冲的上升沿时间，即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高，则脉冲包含的高频能量越大。,雷电的模拟波形,开路电压 1.2/50 s 绝缘跳火器件试验短路电流 8/20s导电不跳火器件试验CCITT波形 10/700 s通信设备试验,雷电模拟波形的频谱分析,雷电波形是脉冲信号，具有很宽的频带。能量主要集中在低频部分，由脉冲强度（幅度X宽度）决定。带宽可以用1/tr来估算，tr为脉冲的上升沿时间，脉冲的前沿越陡峭，则脉冲包含的高频能量越大。从电磁兼容角度应该考虑的最高频率约在300KHz10MHz。,电快速瞬变脉冲群模拟波形的频谱分析,包含很多高频成分，可达60600MHz,静电放电模拟波形的频谱分析,瞬态放电电流包含很多高频成分，可达3001000MHz,切断电感负载产生的脉冲噪声,有刷电机、继电器、电磁阀、高压点火线圈等都是电感负载。都可能产生电快速瞬变脉冲群和振铃浪涌。pip继电器端驱动线中的骚扰波形,如开关是晶闸管，关断时没有空气放电，但 仍然会产生振铃浪涌。开关电源线中的骚扰,DC-AC逆变器的干扰,DC-AC逆变器，输入300V以上直流，输出三相10KHz的PWM调制波，功率100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。,逆变器的磁场辐射,设备抗扰度的分析,设备的敏感度门限：使设备产生不希望有的响应或造成其性能降级时的骚扰电平，敏感度门限越低说明设备的扰干扰能力越差。电磁干扰安全系数：敏感度限值(dB)与现存最大干扰(dB)之差，一般要求设备的电磁干扰安全系数不小于 6dB，某些特殊设备如武器、电爆装 置等应不小于 20dB,模拟电路的敏感度,模拟电路具有一定的接收频带宽度，如果骚扰的有效频带全部或部分地落在模拟电路的接收带宽内，则骚扰就被接收并迭加在有用信号上，当干扰与有用信号相比足够大时，就会影响设备的正常工作。确定模拟电路敏感度门限的步骤：1、根据设备受损程度与输入信噪比的关系，确定输入信噪比，2、根据最小有用信号确定敏感度门限。,强信号干扰的音频整流效应,骚扰的有效频带与模拟电路的接收频带无重迭，但由于骚扰非常强，仍会产生干扰。,数字电路的敏感度,数字电路的敏感度门限：直流噪声容限、交流噪声容限、噪声能量容限。数字电路的阀值电平越高，传输延迟时间越长（即工作速度越慢）输出阻抗越低则数字电路的抗干扰性能越强。,(一）2、传导和辐射,干扰的传输途径,一.导线传导共阻抗耦合 共电源线 差模方式 共地（回流）线 差模方式地环路干扰 地电位差 共模方式 周围强场 共模方式 二.空间辐射 差模电流辐射(磁场天线)和共模电流辐射(电场天线)远场/2 电磁感应近场/2 电磁耦合,分布参数形成的阻抗,分布电容和分布电感的概念,任何二金属间都存在分布电容和电感：,各种传输线的分布参数,分布参数是固有的特性参数，只与二金属的物理尺寸、相对位置有关。实际设备中各种元器件、传输线、机箱间的分布参数是造成EMC问题的主要原因，但分布参数很难计算和测量，因此EMC分析有一定难度。,传输线的分布参数,分布参数本身很小，仅nH/m,pF/m数量级。集中参数器件来源于分布参数。分布参数在高频时有效，低频时不起作用。f10kHz L和C起主要作用，f1kHz R起主要作用。,共电源线阻抗耦合,器件 1 和器件 2共用一个电源供电，通过Zs供电线路的阻抗（主要是分布电感的感抗），互相干扰。骚扰源是差模源。,共地线（回流线）阻抗耦合,接地线的功能是保持零电位，应该没有电流，不要和回流线混淆。回流线一般接地，所以俗称地线。,（一）3、共模和差模,共模和差模,差模电流：信号线-回流线电流，大小相等方向相反；差模电压：信号线-回流线间电压；共模电流：线-大地间电流，方向相同；共模电压：线-大地间电压有用信号都是差模的，骚扰可能是差模的，也可能是共模的。,地环路干扰,地电位差产生共模的地环路干扰。骚扰电磁场在线-线间产生差模电流，在负载上引起干扰，这是差模干扰。骚扰电磁场在线-地间产生共模电流，共模电流在负载上产生差模电压，引起干扰，这是共模的地环路干扰。例如：抗扰度试验中的射频场、传导、EFT、浪涌等产生的干扰。,电流钳,可用50欧姆，9KHz30MHz的电流钳，连接到示波器可观测骚扰波形，连接到频谱仪可观测骚扰频谱。,（一）4、近场和远场,空间辐射电磁波,电场天线磁场天线根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场。设备内每个电路都可能是等效磁场天线，机壳和电缆都可能是等效电场天线的一部分。,近场与远场的比较,设备内有无数个等效磁场天线,信号源传输线负载组成电流环路，相当于磁场天线。所有信号环路、电源供电环路、输入和输出环路,都相当于磁场天线。设备辐射的磁场是设备内所有磁场天线辐射磁场的矢量迭加。,磁场天线,磁场天线,骚扰设备的等效磁场天线的差模电流辐射,平行双线环路在远场时的电场强度,敏感设备的等效磁场天线接受空间干扰,设备内的天线是互易的，既可发射，也可接收。磁场天线的接收（场-电路的干扰）：磁场通过孔缝穿 过金属屏蔽机箱。,骚扰设备的等效电场天线的共模电流辐射,共模源-由差模源（有用信号源）驱动产生 基本驱动模式：*电流驱动模式*电压驱动模式共模天线-不对称振子 天线*设备的外部连接线*设备的机箱以及内部印刷板的地线、电源面、散热片、金属支撑架等等,敏感设备的等效电场天线接收空间干扰,设备的等效电场天线也是互易的，既可发射，也可接收。外部连接电缆可接收空间干扰电磁场。电场天线的接收：（场-电缆的干扰）e=El(有效长度）地阻抗上有干扰 电压。,设备内的近场电磁耦合,设备内各个环路之间的电距离较短，一般为近场，近场的场型很复杂，不易计算，因此相互间的电磁干扰常用：分布电容耦合代替电场干扰，分布电感耦合代替磁场干扰，从而把场的问题转化为路的问题，简化了计算。电磁耦合的典型问题：线-线间的窜扰,高电压小电流的电路可看成主要是电场耦合,低电压大电流的电路可看成主要是磁场耦合,（一）5、电磁干扰耦合 方式与研究思路,案例：高频电刀对控温毯的干扰,控温毯的敏感部分：温度传感器、计算机。高频电刀（德国ERBE/ICC300型）：强骚扰源 单极切割正弦波，330KHz,570V峰值，300W。强力电凝脉冲调制波，载波1MHz，最大峰值2600V，120W。干扰现象：控温毯操作面板指示灯全亮，控温失效。,高频电刀设备的主要骚扰源？波形、频谱？电刀骚扰通过那些途径（空间？电源线？信号线？）发出？控温毯的敏感部分位置？为什么被干扰？骚扰怎样进入控温毯（空间？电源线？信号线？）是否做过电磁兼容测试？如何整改和设计产品？,EMC的研究思路,1.构成电磁干扰的三要素 电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。2.电磁兼容测试。3.电磁兼容标准。4.EMC控制技术 屏蔽、滤波、接地、隔离、平衡传输。5.电磁兼容预测、分析和设计。,（二）产品EMC接地设计,接地的内容,电路接地、机箱接地、系统接地电缆接地、器件接地、屏蔽接地安全接地、工作接地串联接地、并联接地单点接地、多点接地,接地技术,接地是提供一个等电位点或等电位面。接地的目的有二个：1、为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线称保护地线，应与真正大地相连接。2、为了保证设备的正常工作，例如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较，例如士 12V,+5V 等。信号传输也常常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较。对设备进行屏蔽时在很多情况下只有与接地相结合，才能起到应有的效果。这类地线称工作地线。,保护地线、接地电阻,工作地线,工作地线的本来目的是给电源和传输信号提供一个等电位，但在实际电路中工作地线常常兼作电源和信号的回流线。工作地线总是具有一定的电阻和分布电感，一般电阻很小可以忽略，但高频时电感的感抗不能忽略，当回流流过工作地线时就会在地线的阻抗上产生电压降，因此地线上各点的电位不同，任意二点间存在着一定的电位差，这就可能产生共阻抗干扰。,工作地线的回流线和接地线,接地线的接地方式：单点并联接地 单点串联接地 多点接地,电路接地-共地线阻抗耦合解决办法分地（回流地）,设备接地,系统的接地布置,在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分成三类。以安全为目的的保护地线，通常与金属机壳机架相连接。为设备中各个电路提供稳定的零基准电位的工作接地，其地线称为系统地线。为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。,系统间的综合接地和贯通地线,（三）产品EMC滤波设计,滤波技术的基本概念,用于切断沿导线传播的传导骚扰。EMI滤波器多为低通滤波器插入损耗定义：信号源不接滤波器直接加在负载上的电压和信号源通过滤波器后加在负载上的电压之比。,滤波技术的分类,反射式滤波器-LC低通滤波器安装在电源线、信号线和控制线端口，滤除频率较高的共模骚扰（线地间骚扰）和差模骚扰（线线间的骚扰）。吸收式滤波器-铁氧体磁环在高频时呈现电阻性，套在整个连接线上能消耗高频共模骚扰的能量。,反射式滤波器,电容滤波器 穿心电容电感滤波器 共模扼流圈,电源滤波 器,Ll和L2：几十毫亨，C1：0.0470.22微法X电容，L3和L4：几毫亨，C2和C3：几纳法Y电容。,滤波器的选择,功率配合设备的功率；插入损耗静态和动态，频率范围；漏电流-IEC435（CO）14规定：I类安全设备漏电流小于3.5mA，II类应小于0.25mA。阻抗,分布参数对插入损耗的影响,高频时 电容器是电容C和分布电感的串联电路，电感器是电感L和分布电容的并联电路。,电源滤波 器的使用,电源滤波器的正确安装,滤波器的安装直接影响到滤波性能。滤波器应该安装在机箱入口处。金属外壳和屏蔽机箱紧密搭接，搭接面积越大越好，以保证良好的低阻抗接地通道。滤波器的输入和输出线要最大限度地相互隔离，不能靠近和平行走线。滤波器的输入线贴近机箱边缘布设，远离其他信号线。,吸收式铁氧体滤波器及其等效电路,抑制原理和注意事项,铁氧体磁环在高频时呈电阻性，所以能消耗高频共模电流。铁氧体磁环不适合用于大电流的差模滤波。共模电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。磁环的内径要与导线的粗细相匹配。铁氧体磁环是否起作用取决于共模天线的阻抗。,带共模去耦器的插座,如有可能信号线最好直接采用带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器，但这种插座价格较贵。,四、产品EMC屏蔽设计,屏蔽的基本概念,切断辐射电磁噪声沿着空间的传输途径。用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。主动屏蔽-屏蔽噪声源，防止噪声源向外辐射场。被动屏蔽-屏蔽敏感设备，防止敏感设备受噪声辐射场的干扰。,屏蔽的种类和屏蔽效能,近场/2，电磁场屏蔽。屏蔽效能：SEE=SEH=SE,近场的电场屏蔽,静电场的屏蔽,近场的电场屏蔽,交变电场的屏蔽 电场屏蔽只要把任何很薄的金属体接地就能达到良好的效果。,近场的磁场屏蔽,高频磁场屏蔽-采用薄的金属良导体。,近场的磁场屏蔽,低频磁场屏蔽-采用高磁导率的铁磁性材料例如铁、硅钢片、坡莫合金等（100KHz)。,远场 的电磁场屏蔽,电磁场屏蔽可同时屏蔽电场和磁场，采用薄的金属导体材料。空间电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减，从而起到屏蔽作用。吸收损耗,反射损耗总屏蔽效能=吸收损耗+反射损耗,屏蔽效能的决定性因素,机箱的屏蔽效能由孔缝直径决定，机箱孔缝等效于二次发射天线。孔缝长度等于半波长的整数倍时，漏泄能量最大。对于固定的孔缝长度，频率越高，泄漏越严重。,机箱屏蔽,设计中使缝隙尺寸满足要求:商用设备：d/20，20dB 军用设备：d/50，28dB显示窗可使用屏蔽玻璃；接缝处应良好搭接，缩短连接螺丝的间距，可使用导电衬垫；采用波导设计,通风窗可使用波导管。,金属壳对器件内部电路的影响,1、金属壳对内部电路及引线端的分布电容较大，可能会引入更大的骚扰、增强窜扰、引起震荡等不良影响。因此内部电路的公共端应接金属壳，金属壳与所在PCB板的地连接。,2、金属壳可能使内部电路或器件的电特性发生一定的变化。3、由于金属壳的反射，内部场的分布发生变化，有些部位或有些频率的窜扰问题可能更严重。,屏蔽电缆单端接地-电场屏蔽双端接地-磁场屏蔽,双绞线的磁场屏蔽作用,屏蔽电缆和屏蔽连接器的使用,如果要求传输信号的速率较高，边缘较陡，则串接滤波器就可能把有用信号的高频部分也滤掉，从而影响信号的正常传输。这时就只能采用屏蔽的方法。屏蔽层应保持电连续性和一致性，要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。,（五）PCB板的EMC设计,印制电路板设计应遵循的主要原则,1、无论是信号环路或供电环路，电流的环路面积越小越好，尤其不能出现环套环的重叠现象。2、不相容的元器件和信号线（数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等）应相互远离，不要平行走线。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直。这样可以减少相互之间的电场和磁场耦合干扰。3、高速信号线应考虑阻抗匹配问题，即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。4、在PCB的上方不允许有任何电气上没有连接并 悬空的金属存在。,等效磁场天线的发射和接收,发射的骚扰电场强度 接收产生的骚扰电压,电流的环路面积越大，频率越高，辐射发射越大，接收的骚扰电压 也大。,减小磁场天线差模电流辐射的措施1,尽量减小环路面积(等同减小环路电感，减小环路特性阻抗）,#镜像层优先选用地层，而不是电源层.#适当选择布线层进行时钟布线,1 布线层（好）2 地层 3 布线层（最好）4 电源层5-地层6 布线层（好）(a)某六层板的分层,1 布线层（好）2 地层3 电源层4 布线层（一般）(b)四层板的分层,多层印制板的分层,四层板的时钟线跨层布置,#布线注意：时钟线跨层时，必须加接地通孔,减小磁场天线差模电流辐射的措施2,频率越高，辐射越强，所以应尽量 减小有用信号的高次谐波成分。1.模拟信号减小失真2.数字信号-增加上升时间3.无用噪声-根据产生机理进行抑制,切断电感负载产生的脉冲噪声的抑制方法 在线圈、开关触点或开关管二端并联吸收回路。在振荡回路中串接阻尼电阻。,等效电场天线的共模电流辐射的基本模式-电流驱动和电压驱动,1、电流驱动模式：信号电流 环路电感 共模源 不对称电场天线。,骚扰设备的等效电场天线的共模电流辐射,任何二点间有电位差就是共模源，如果二点有引线出去就是共模天线。当频率达到MHz级时nH的分布电感和pF级的分布电容都将对共模辐射产生重要影响。设备的共模天线的一极往往是印刷板的地和机箱，另一极是连接电缆中的地线；由于线间电容之间的耦合，整条电缆上都污染上了共模电流。连接电缆上的共模电流辐射往往是造成设备辐射超标的主要原因，机箱无法屏蔽。,2、电压驱动模式：信号电压 架空金属对地的电位差（共模源）耦合电容C 不对称电场天线。,PCB板的电磁兼容设计步骤,板和层的选择元器件的选取元器件的位置连接器引脚的安排布置地线布置电源线安排高速信号线安排低速信号线,板和层的选择,单面板和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路，多层板适用于高密度布线和集成度高的电路，从电磁兼容的角度看单面板和双面板不适宜高速数字电路，只能采用多层印制板。选用多层板时，确定层数和各层的用途。,确定层数和各层的用途：#电源平面和地平面尽量靠近，以增加层间电容，可作为电源的滤波电容的一部份，同时 大大减小了电源的分布阻抗，从而减小了公电源线阻抗耦合干扰。#布线层应尽量安排与地层相邻，以使信号环路面积降至最小从而有效减小差模辐射。元器件的选取应有利于实现电磁兼容，例如：#选用表面贴装式芯片，以减小引线脚分布参数的影响，#选择芯片时在满足产品技术指标的前提下，尽量选用低速时钟。#选用高频电容、无感电阻。,元器件的位置,首先应对板上的元器件分组，目的是对板上的空间进行分割，同组的放在一起，以便在空间上保证各组的元器件不致于相互干扰。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。大致上以信号流的方向按组布置。不相容的器件要分开布置，例如敏感器件则应远离时钟发生器等等。,输入输出芯片要位于接近连接器出口处，以免I/O信号在板上长距离走线，耦合上干扰信号。高速数字器件（频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件）应安排在远离连接器。,连接器引脚的安排,引脚应根据元器件在板上的位置确定。不相容的引脚要分开布置。各类电源引脚和数字、模拟信号线引脚都应配置相应的地引脚。,布置地线,加粗回流地线，在采用多层板时可专门设置地线面，目的是减小回流线的阻抗，从而减小共地线阻抗耦合干扰。分设回流地，即根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路分别设置地线。在多层印制板的地线层上用“划沟架桥”的方法来分地。桥应该有足够的宽度。目的也是减小共地线阻抗耦合干扰。,多层板的信号层上的高速信号轨线不能横跨地线层上的沟，避免数字信号回流绕沟而行，扩大环路面积，增加差模辐射。A/D变换器芯片如只有一个地线引脚，则该芯片应安放在连接模拟地和数字地的桥上，避免数字信号回流绕沟而行。,连接器不要跨装在地线沟上，因为沟两边的地电位可能差别较大，从而通过外接电缆产生共模辐射骚扰。高频时，双面板的梳状地线结构应该为井字形网状结构。目的是减小信号环路面积，从而减小差模电流辐射。,专用EMC地供去耦电容接地,布置电源线,电源供电线由于给板上的数字逻辑器件供电，线路中存在着瞬态变化的供电电流，因此将向空间辐射电磁骚扰；供电线路电感又将引起共阻抗耦合干扰。双面板上采用轨线对供电，轨线对应尽可能粗，而且相互靠近。供电环路面积应减小到最低程度，不同电源的供电环路不要相互重叠。,多层板的供电有专用的电源层和地线层，面积大，间距小，特性阻抗可小于。二层之间的电容也参与去耦，主要针对频率较高的频段。供电线路应加滤波器和去耦电容。在板的电源引入端使用大容量的电解电容10F100F作低频滤波，再并联一只0.010.1F的陶瓷电容作高频滤波。板上集成片的电源引脚和地线引脚之间应加0.01F的陶瓷电容进行去耦，去耦电容应贴近集成片安装，连接线应尽量短，使去耦回路的面积尽可能减小。,去耦电容的作用和选择,提供高频通路，同时提高EMI和EMS性能。式中I为门电路开启时所需瞬时电流最大值；dv为电容器上允许的电压跌落；dt为门电路开启所需时间，一般为脉冲上升时间。,大小电容并联作去耦时，大的滤低频，小的滤高频。尽量减小去耦环路面积可减小分布电感。采用三脚电容、小型电源母线等新器件。,信号线的布置,先布高速线，后布低速线。减小信号环路面积，信号环路不应重叠。这对于高速度、大电流的信号环路尤为重要。在单层和双层板上，信号线及其回流线应该紧靠在一起布置，最好是每条信号线都有自己的回流线，否则容易产生信号环路的重叠。,高速信号线要尽可能的短，以免干扰其他信号线。在双面板上，必要时可在高速信号线两边加隔离地线。多层板上所有高速时钟线都应根据时钟线的长短，采用相应的屏蔽措施。,信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排。一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域。不相容的信号线（数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等）应相互远离，不要平行走线。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直。这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰。输入输出轨线在连接器端口处应加高频去耦电容，去除高频时钟频率及其谐波。,高速信号线应考虑阻抗匹配问题，即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等物理因素有关，是信号线的固有特性。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。通常信号线的负载是芯片，基本稳定。造成不匹配的原因主要是信号线走线过程中本身的特性阻抗的变化，例如走线的宽窄不一，走线拐弯，经过过孔等。所以布线时应采取措施，使得信号线全程走线的特性阻抗保持不变。,高速信号线布置在同一层上，不经过过孔。一般数字信号线应避免穿过二个以上的过孔。信号线拐90度直角会产生特性阻抗变化，所以拐角处应设计成弧形或轨线的外侧用两个45度角连接。信号线不要离印制板边缘太近，留有的宽度应至少大于轨线层和地线层的距离（约为0.15mm）否则会引起特性阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射。时钟发生器如有多个负载，则扇出不能用树型结构走线，而应用蜘蛛网型结构走线，即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。,（六）EMC技术的综合设计,电磁兼容设计的目的,元器件,电 路,设 备,系 统,降低骚扰发射水平、切断传输途径、提高抗扰度。四个阶段都必须实现互不干扰，正常工作，达到电磁兼容。系统的电磁兼容要求应逐层向下分解，提出各阶段的电磁兼容要求。电磁兼容标准是设计和认证的依据。,EMC设计的基本思想,干扰抑制要采取综合整治的方法，层层设防，才能达到预期效果。实际上在设计中采用正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。兼容的观点就是既要对噪声源进行抑制，又要提高敏感设备的抗干扰能力，不能单纯的强调一个侧面。如果无限制的对某个侧面提出过高要求，则可能导致人力、物力和时间上的浪费，有时甚至是难以实现的，应该站在整个系统的立场上在系统的组织设计初期就考虑电磁兼容问题，并在设备制造、现场施工及使用维护中加以实施，这样才能确保整个系统的正常运转。,设计前的必要准备,调查产品（设备和系统）周围的电磁环境；调查产品（设备和系统）内强骚扰源（例如强电部分，振荡源等）、易敏感设备（例如弱电部分、传感器等），作为设计中要注意的重点。根据标准和用户要求制订设备和系统的发射限值和抗扰度指标。,EMC设计方法,问题补救法：费时费力，不能从根本上解决问题；EMC设计：在产品（设备和系统）开发的最初阶段进行。EMC设计应从两方面着手考虑：1、产品（设备和系统）与外界的连接界面，包括机箱；电源线、控制线、信号线等连接线的端口；2、产品（设备和系统）结构的设计与布置，包括印制电路板设计，各部件的电磁兼容设计，以及相互连接线的布置等等。,设备和系统的EMC抑制措施,设备的抗干扰措施和抑制设备的电磁发射措施往往是互易的。正确的屏蔽、滤波、接地、平衡、隔离措施起到的作用是双向的。正确的电路设计和布线，使设备内的骚扰能量减少了向外的发射也减弱了设备对骚扰的接收。,共电源线阻抗耦合的解决办法1、去耦电容2、减少供电线路阻抗3、电源滤波器-设备供电端口加滤波器。4、不相容电路和设备各自供电。共地线阻抗耦合的解决办法1、分地（回流地）2、减小地线的阻抗,地环路干扰的解决办法1、采用平衡电路2、隔离变压器3、共模扼流圈4、光电耦合器5、光纤传输,磁场天线差模电流辐射的解决办法1、尽量减小环路面积。2、尽量 减小有用信号(模拟、数字）的高次谐波成分,去除电磁噪声。3、采取屏蔽方法。电场天线共模电流辐射的解决办法1、使用铁氧体磁环2、共模去耦电容3、共模电源滤波器 4、采用屏蔽电缆、屏敝连接器5、改进产品内部结构的设计与布置,1、端口设计,提高机箱的屏蔽效能，在连接线端口设置滤波器，采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰。雷电多发区和有强电设备的工业场所，应在连接线端口设置防雷器和浪涌抑制器，如果信号线传输的信号速率较高，串接滤波器可能把有用的信号的高频部分也滤掉，这时就只能采用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。,隔离技术在传输线上插入隔离变压器或光电耦合器，它们只能传输有用的差模信号，不能传输共模信号，用于切断地环路干扰光电耦合器重量轻、体积小，响应速度快，又可传输直流和低频信号，因此，已广泛应用于数字信号的传输中。,平衡传输技术-设备之间的信号传输从不平衡方式改变为平衡传输方式并与隔离技术结合，可进一步抑制地环路干扰。具体作法可以是传输线中的两条线都不接地，对地平衡，发送端和接收端都采用平衡差分电路，这样两条线上的共模电流对地是平衡的，因此在负载端不能转变成差模电压而干扰设备的正常工作。,地环路干扰的抑制,采用平衡电路隔离变压器共模扼流圈光电耦合器光纤传输RS-422100Mb/s100m,2、产品内部结构的设计与布置,印制电路板设计各部件和电路的安排相互连接线的布置 电源接地,不相容的电路应远离。不相容的信号线不要平行走线。更不能绑扎在一起。,不相容电路和设备各自供电,例：开关电源的EMC设计,环路1和2差模辐射和传导；V5通过分布电容Ci和Cd产生的共模辐射；V5和V6上的反向浪涌；脉冲变压器漏磁。,开关电源的骚扰抑制方法,减小分布电容Ci和Cd；V5和V6上加吸收回路；,触发脉冲的防干扰输入电路,采用屏蔽措施：#脉冲变压器做磁屏蔽防止磁场漏泄。#整个开关电源可用多孔金属壳屏蔽起 来，引线处使用穿心电容，接缝处焊接，或用螺丝固定，注意螺丝间距要短。,开关电源的输入输出端加共模和差模滤波器；合理布置元器件，（A 是输入端整流器，B 是辘入端滤波电容（电解电容器）,C 是脉冲变压器，D 是开关管。E 是愉出端整流二极管，F 是辙出端滤波电容器，G 是交流输人端滤波器）。,布线时应注意：#尽量减小高频环路的面积，各个环路互不靠近或重迭，缩短高频信号线。#不要把开关电源的输入交流电源线和输出直流电源线靠在一起，更不能捆扎在一起。#输出直流电源线最好用双绞线，至少应紧靠在一起走线。#开关电源的输入输出电源线应尽可能远离电路中的信号线。,例：汽车控制盒的EMC设计,（七）测试故障诊断流程与整改措施,(七）1.测试故障的诊断分析,辐射发射不合格的诊断,判断不合格的主要原因：磁场天线？电场天线？大致位置？插拔电源线或电缆线法电流钳法磁场探头法电场探头法电场扫描仪,传导发射不合格的诊断,电流判断法 例如用电流钳套在单根电源线上，观测电源的电流波形。电压判断法 例如用示波器的探头接在电源的高、低电位端，观测电源的电压波形。如电源电压较高，可用高压探头。,抗扰度不合格的诊断,查找：问题出现点到骚扰施加点的骚扰传输途径。应注意：1、有时问题出现点不一定是故障发生点，而是故障发生后出现的衍生问题。2、骚扰传输途径不等同于工作信号的途径。使用：模拟源、电压探头、电流探头、电场探头、磁场探头、电流钳、匹配网络、示波器、频谱仪。,（七）2、测试中常见测试频谱超标的定位,确定频谱上的超标频率：属于那种信号？由电路哪一部分发出？测量骚扰波形，与工作电路的波形比较。超标频率很可能不是工作信号的主频率，而是工作信号的谐波，或是其他的杂波。超标频率包含的能量不一定比其他频率强，但更满足发射条件，更容易发射。采取措施后原有的超标频率压下了，但别的频率可能冒出来超标了。,例：DC-AC逆变器的干扰,DC-AC逆变器，输入300V以上直流，输出三相10KHz的PWM调制波，功率100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。,逆变器的磁场辐射,（七）3、测试故障的整改措施,辐射发射或抗扰度不合格的整改,1、磁场天线改善机箱屏蔽；非金属机箱则改善PCB板和电路的设计。（详见“减小磁场天线差模电流辐射的措施”)2、电场天线电缆上加铁氧体磁环；端口加滤波和去耦电路；采用屏蔽电缆和连接器；改进产品内部结构的设计与布置。(详见“电场天线共模电流辐射的抑制方法”),传导发射或抗扰度不合格的整改,1.电源端口加滤波器，注意选择合适的滤波器和正确的安装方法。(详见“电源滤波器”)2.改善开关电源的设计。(详见“开关电源的骚扰抑制方法”)3.信号线上传导骚扰的抑制方法同“电场天线”，但应选择频率较低的抑制器件。4.注意被测线是否和其他强干扰线贴近？,电快速瞬变脉冲群的抑制,采用地环路干扰的抑制方法：采用平衡电路隔离变压器共模扼流圈光电耦合器光纤传输,抑制浪涌和雷电干扰的原则,雷电具有很大的能量，首先应考虑避免雷击，或者使雷电的能量能以适当的方式安全泄放，以保障人身安全和设备不被烧毁。由于雷电脉冲包含高频成份，能量已被抑制在安全线以下的雷电波进入设备后，仍有可能对电路产生干扰，因此应对设备进行良好的电磁兼容设计。,浪涌抑制器件,系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲，对此我们必须采用适当的浪涌抑制器件。常用的浪涌抑制器件有气体放电管、硅雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻和固态瞬变电压抑制器SSTVS,气体放电管,响应时间约为100ns，有残留尖峰。优点是能承受很高的冲击电流，大于20kA，几十微秒。缺点是放电时呈短路状态，浪涌过后仍延续一段时间，直到电源下半周才恢复，这对内部电路的正常工作是不利的。只能用在交流电源上，如用在直流电源上则放电后可能无法恢复。使用时最好串联一个限制后续电流的电阻。,硅雪崩二极管,原理是电压钳位，响应时间小于1ns。优点：与放电短路方式相比，浪涌抑制过程中输人电源端不会短路，因此不会影响内部电路；同时响应速度快，残留尖峰很小，抑制效果好；浪涌过后即自行恢复，没有延迟时间；交直流电源都能运用。缺点：承受尖峰电流能力比放电管差。,金属氧化物压敏电阻,原理是电压钳位，响应时间小于50ns，稍慢于硅雪崩二极管，但峰值电流承受能力和能量级别比二极管高。,固体瞬变电压抑制器SSTVS,吸收了气体放电管和硅雪崩二极管的优点。浪涌侵入，超过规定电压时抑制器首先起钳位作用，象雪崩二极管一样，防止浪涌的快速上升边沿损坏内部电路，响应时间约几个纳秒。然后就象气体放电管一样短路，把浪涌中的能量泄放掉，直至泄放电流低于维持电流，抑制器恢复阻断状态。其体积很小，可以在印制电路板上表面安装，但承受电流能力还达不到气体放电管的水平,雷电保护电路的混合形式,气体放电管安排在最前面，硅雪崩二极管或金属氧化物压敏电阻安排在后面，中间用电阻或电感隔离。当浪涌侵人时，因为二极管响应速度快，可先对浪涌的快速上升沿进行钳位，大量的能量则通过放电管泄放为了防止放电管因为后级的钳位而达不到其放电起始电压，所以利用电阻或电感来隔离。,静电放电ESD,静电放电抗扰度试脸,接触放电：对EUT 的导电表面放电；空气放电：对EUT 的孔、缝和绝缘面放电；直接放电：直接对EUT 放电；间接放电：对EUT周围的垂直和水平耦合板放电。,ESD的干扰方式,传导和辐射传导方式：人手触摸印制板上的轨线、管脚、设备的 I/O接口端子、同轴插座的芯线等等，使静电放电电流直接流入设备内的电路，造成干扰。,传导干扰举例,人体电阻R=500 人体电容C=300pF 静电电压U=10KV 静电能量WE=15mJIC输入电阻Ri=5K 数字信号幅度3.5V 宽度4ns 数字信号能量Ws=9.8x10-9mJ显然静电能量WE数字信号能量Ws，集成片肯定会产生误动作，严重的还会损坏芯片。,辐射干扰举例,金属机壳内有PCB板，PCB与机壳有连接线1，分布电感为L1。机壳有接地线2，分布电感为L2。分以下情况讨论：,1、金属机壳无孔缝，无连接线1，有接地线2：,手触金属机壳时产生放电电流，沿机壳外表面通过接地线2入地。由于瞬态放电电流包含很多高频成分，可达3001000MHz,如接地线2的分布电感L2 较大，降压较大，使机壳的RF电位升高，机壳内存在瞬态高电场，通过分布电容耦合的PCB板上的到电路和元器件上，产生干扰。如PCB与机壳有连接线1，并且L1很小，则可大大减小电场耦合。,2、金属机壳有孔缝，有连接线1和接地线2：,放电电流沿机壳外表面流动时由于受孔缝的阻挡，所产生的瞬态磁场会穿过孔缝进入机壳内部，耦合到PCB板上的电路和元器件上，产生干扰，电路的环路面积越大，干扰就越大。,抑制静电放电干扰的方法,防止静电的产生：机房的工作台和地板应铺设防静电材料，操作人员不穿化纤等易产生静电的衣服，手腕处最好佩带接地扣带，保持机房的相