电子产品的电磁兼容控制和设计

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电子产品的电磁兼容控制和设计

在现代社会，电子产品和电子技术已经渗透到了各个行业的许多方面。而越来越多的工业场所、办公机构和家庭，都几乎面对同样的问题：电磁干扰。因此，怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子设备、器件或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态，这不仅是用户所关心的，也是摆在电子设计人员和安装、维护人员面前的重要问题。这就是电子产品的电磁兼容性。


1．电磁兼容控制技术。


提高设备的电磁兼容性必须采用综合的骚扰抑制措施，在骚扰传播途径中层层设防，才能达到预期效果。这些措施包括：

（1）屏蔽技术。机箱（柜）屏蔽和设备内部某些元器件的屏蔽用于切断骚扰通过空间传播的途径。设备一般采用金属机箱或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽层。但实际上机箱上总是存在各式各样的孔和缝隙，例如通风孔、进出线孔、面板器件安装孔、机箱各板的连接缝隙、机箱盖和箱体之间的缝隙等，这些孔、缝都可能造成电磁波的严重泄漏，因此在设计中应遵循下面的经验公式：商用设备机箱孔缝直径d<λ/20；军用设备d<λ/50。为提高机箱的屏蔽效能，在接缝处可使用导电衬垫，通风窗可使用波导管，显示窗可使用屏蔽玻璃。


（2）滤波技术。用于切断沿导线传播的传导骚扰。电源线、信号线和控制线端口一般采用低通滤波器来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）。滤波器的安装很关键，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。同时滤波器的输入输出线要最大限度地相互隔离，不能靠近和平行走线。


除了上述的反射式滤波器之外还可以把铁氧体磁环套在整个连接线上。铁氧体磁环在高频时呈现电阻性，所以能消耗高频共模骚扰的能量，实际上是一种吸收式的低通滤波器。由于共模骚扰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，一般应放在连接线的引出处。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。


（3）接地技术。接地可以理解为接到一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止共地线干扰，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，通常与金属机架机壳相连接；为设备中各个电路提供稳定的零基准电位的工作地线；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。一般工作接地又根据供电电压、数字和模拟电路等分别设置地线。设备的地线布置一般采用树形结构，最后三类地线都连接到设备的一个接地点上。

（4）隔离技术。隔离技术是切断地环路干扰的关键技术。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，从而切断了地环路。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，例如用于工业控制的计算机，其数字输入模块大多采用光电耦合器。


（5）平衡传输。设备之间的信号传输如果能从不平衡方式改变成为平衡传输方式并与隔离技术结合，将可以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流而干扰设备的正常工作。


电磁兼容控制技术极大地依赖于新材料、新器件、新工艺的发展。例如用于去耦滤波的高频电容器，由二个引脚改变成为三个引脚，使滤波性能大为增强。表面安装（SMT）元器件由于无引脚并且贴在印制电路板上安装，所以即使在密度很高的情况下，也能保证减小电路间的相互干扰，现在已经大量运用在高速数字电子产品中。铁氧体磁珠、磁环在高频时呈电阻性，可用作吸收式高频滤波器，其性能优于电感器，并且可以做得很小，使用方便灵活，既可以套在电源线、电缆线上，也可以套在高频元器件引脚上，或直接安装在印制电路板上。用于改善机箱屏蔽性能的各种金属衬垫、导电橡胶、导电漆、透明屏蔽玻璃等不断涌现，从而有助于减小设备的辐射发射和提高抗扰度。


由此可见，随着电子产品功能的扩展和性能的提高，对用于电磁兼容控制的新材料、新器件、新技术的研究也必须加强，否则就无法真正提高电子产品的质量。






2．电磁兼容设计


    目前解决产品的电磁兼容问题常常放在检测机构对产品进行电磁兼容测试以后，甚至当产品使用后出现问题时才去补救，这样非但费时费力而且不能从根本上解决问题，因此应该在产品开发的最初阶段就进行电磁兼容设计。


    产品的电磁兼容设计应从两方面着手考虑，第一部分是产品与外界的连接界面，包括机箱；电源线、控制线、信号线等连接线的端口；第二部分是产品内部结构的设计与布置，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。


在第一部分的设计中应该考虑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。如果电子产品用于雷电多发区或有强电设备的工业场所，则还应在连接线端口设置防雷器和浪涌抑制器，防止幅度高陡度大的尖峰脉冲侵入设备。如果信号线传输的信号速率较高，则串接滤波器就可能把有用的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，即使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电连续性和一致性。具体要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有3600的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。插头和插座的金属外壳以及机壳都应有良好的搭接。


在第二部分的设计中印制电路板的设计最为重要，设计目的是使板上各部分电路之间没有相互干扰，印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求。外部的传导干扰和辐射干扰对板上的电路基本无影响。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。印制电路板布线的设计首先要选取印制板类型，然后是确定元器件在板上的位置，再依次布置地线、电源线、高速信号线，低速信号线。现在分别加以讨论

（1）印制电路板的选取

印刷电路板有单面、双面和多层板之分，单面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、高集成度芯片的高速数字电路。

（2）元器件布置

首先应对板上的元器件分组，目的是对印制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。不相容的器件要分开布置，例如发热元件远离关键集成电路，磁性元件要屏蔽。敏感器件则应远离CPU时钟发生器等等。

连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定。所有连接器最好放在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，以便减小共模电流辐射。高速器件（频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件）尽可能远离连接器。I/O驱动器则应紧靠连接器，以免I/O信号在板上长距离走线，耦合上干扰信号。

（3）地线的布置


1）布置地线时首先考虑的问题是“分地”，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。在多层印制板中有专门的地线层，在地线层上用“划沟”的方法来分地。但分地并不是把各种地完全隔离，而是在适当的位置仍需把不同的地短接起来，以保证整个地线的电连续性，短接通道有时也形象地称之为“桥”。桥应该有足够的宽度。

2）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。


3）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。


4)     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。

5）              双面板的地线通常采用井字形网状结构，即一面安排成梳形结构地线，另一面安排几条与之垂直的地线，交叉处用过孔连接。网状结构能减小信号电流的环路面积。地线应尽可能地粗，以减小地线上的分布电感。

（4）电源线的布置


印制板上的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；同时会影响集成片的响应速度和引起供电电压的振荡。一般采用滤波去耦电容和减小供电线路特性阻抗的方法来抑制电源线中存在的骚扰。

1）    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。如印刷版上布线密度较高不易达到上述要求，则可采用小型电源母线条插在板上供电。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１Ω。

2）印制电路板上的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10μF～100μF作低频滤波，再并联一只0.01—0.1μF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0.01μF的陶瓷电容进行去耦，至少每3块集成片应有一个去耦电容。去耦电容应贴近集成片安装，连接线应尽量短，最大不超过4 cm。去耦回路的面积也应尽可能减小。对于多层板，电源层和地线层之间的电容也参与去耦，主要针对频率较高的频段。如果层电容量不足，板上可再另加去耦电容。采用表面安装（SMT）的去耦电容可以进一步减小去耦回路的面积，达到良好的滤波效果。


（5）信号线的布置


1）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。


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，


2）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。


3）信号线应考虑阻抗匹配问题。


所谓阻抗匹配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。


a.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。


b.信号线拐900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450角连接。


c.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。


d.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。


4）在印制板上不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在。例如集成片上空闲的引脚、散热片、金属屏蔽罩、支架和板上没有利用的金属面等都应该就近接地线层。


干扰抑制要采取综合整治的方法，任何一种单独的抑制措施都不会达到理想效果。电磁兼容的一个基本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，因而应该站在整个系统的立场上在系统的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。