1.1、结构、构架设计
结构的 EMC 设计要尽量避免共模干扰电流流过敏感电路或高阻抗的接地路径,结构设计要避免额外的容性耦合和感性耦合,结构设计时要注意良好的、低阻抗的瞬态干扰泄放电路。
1.2、屏蔽设计
屏蔽是对两个空间进行金属隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。
1)电场屏蔽
电场屏蔽是为了防止电场的影响。从场论的观点看,实质是干扰源发出的电力线被终止于屏蔽体,切断干扰源与感受器件之间的电力线交连。从电路的观点看,屏蔽体起着减少干扰源与感受器件之间分布电容的作用。
因此,我们可以巧妙设计屏蔽体的形状、恰当选择屏蔽材料如:铜、铝。在高频时,屏蔽体表面镀银以提高屏蔽效果。单就电屏蔽而言,对材料厚度没有要求,只要刚度和强度满足要求就行。并且要良好接地。
2)磁场屏蔽
一般指对直流或其他低频磁场的屏蔽,磁场屏蔽的机理主要是依赖于高磁导率材料所具有的小磁阻,起磁分路作用。也就是由磁屏蔽体为磁场提供一条低磁阻通路,使屏蔽体内部空间的磁场大大减小。
一般磁屏蔽体选用铁磁材料,如:钢板、硅钢片、高导磁率铁镍合金等。屏蔽体内腔含有磁性元件时,应使磁性元件与屏蔽体内壁留有一定间隙,防止磁短路。磁屏蔽效能随厚度提高,但一般不超过 2.5mm。还可采用多层屏蔽结构。屏蔽强磁场时,要防止屏蔽体饱和。屏蔽体的接缝、孔的长边平行于磁力线方向,圆孔的排列要使磁路长度增加量最小。屏蔽体加工成形后要退火,退火后屏蔽体不能再进行加工。
为防止电磁感应,一般还是接地为好。
3)电磁场屏蔽
电磁场屏蔽是用磁场屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施,电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡层时,会有一定的衰减,即产生屏蔽作用。
1.3 搭接、密封设计
屏蔽设计往往与搭接联系在一起,它是在两金属表面之间搭建一个低阻抗的电气连接。当两边的结构体不能很好的搭接时通常需要密封衬垫来弥补。 1.4 接地设计
1 接地是抑制噪音减少干扰的主要方法其目的有三:
1) 接地是整个电路系统中的所有单元都有一个公共的参考零电位,也就是各个电路之间没有电位差,保证电路工作系统稳定。
2) 防止外界的电磁场干扰。壳体接地为瞬态干扰提供了泄放通道,也可以使因静感应而积累在壳体的大量电荷通过大地释放。
3) 保证安全工作,当发生直接雷电的电磁感应时,可以避免电子设备的损坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与壳体相通时,可避免操作人员触电。此外许多医疗设备都与患者的身体直接相连,当机壳带有 110v 或 220v 电压时将发生生命危险。接地电流时,必须牢记:
1)一旦电流流过有限的阻抗,就会产生一定的电压降,就像欧姆定律阐述的一样,在实际的电路世界里,从来没有零伏特电位,电压或电流的单位可能在微伏或微安的范围内,但一点存在一个较小的有限制。
2)电流总是返回其源。回路可能有很多不同路径,每条路径上的电流幅值不同,这与该路径的阻抗有关。
2 、产品中电缆、连接器、接口电路与 EMC 设计按照屏蔽设计规范设计的壳体,一般很容易达到 60~80dB 的屏蔽效能,但由于往往电缆处置不当,造成系统产生严重的 EMC 问题。90%的 EMC 问题是电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接受天线和辐射天线,同时也是干扰传到的良好通道。电缆产生的辐射尤其严重。电缆之所以会辐射电磁波,是因为电缆端口处有共模电压存在,电缆在这个共模电压的驱动下,如同一根单极天线。它产生的电场辐射为:
E=12.6×10的-7次方 (fIL)(1/r)
I 是电缆中由于共模电压驱动而产生的共模电流强度;L 是电缆长度;f 是共模信号的频率;
r 是观测点到辐射源的距离。 2.1 、 接口电路解决电缆辐射的方法
接口电路的 EMC 设计包括接口电路的滤波电路设计和接口电路的保护设计。接口电路的滤波设计的目的是减少系统通过接口及电缆对外产生的辐射,抑制外界辐射和传导噪音对整机磁通的干扰;接口保护电路设计的目的是使电路可以承受一定的过压、过流的冲击。接口滤波电路和防护电力设计应遵循下面的基本设计原则:
A、 滤波和防护电路对接口信号质量的影响满足要求
B、 滤波和防护电路应根据实际需要设计,不能简单复制
C、 需要同时进行滤波电路和防护电路时,应保证先防护后滤波的原则
D、 接口芯片,包括相应的滤波、防护隔离器件等,应间可能沿信号流方向呈直线放置在接口连接器处
E、 接口信号的滤波、防护、隔离器件等尽可能靠近接口连接器处,相应的信号连接线必须尽可能短(符合工艺要求条件下的最短距离)
F、 接口变压器要就近放置在连接器附近,通常在对应接口连接器 3cm 以内
G、 模拟信号接口和数字信号接口、低速逻辑信号接口和高速逻辑信号接口等(以敏感和干扰发生程度区别),他们之间要间隔一定距离放置。当连接器之间存在相互干扰时,必须采取隔离屏蔽措施
H、 同一接口连接器里存在不同类型的信号时,必须用地针隔离这些信号,特别是对于一些比较敏感的信号。
I、 接口信号布线的线宽应始终一致,对于高速信号线,如果走线有需要弯曲的地方应采用圆弧平滑弯曲布线
J、 禁止在差分线和信号回线之间走其他信号线,差分线对应的部分应平行、就近、同层布线,且布线的长度尽可能一致。
K、 若接口信号线较长(从驱动、接收器到接口连接器超过 2.5cm),应按传输先布线方法,使布线满足规定的特性阻抗
L、 所有的信号布线不能跨面布线,除非已经过隔离滤波器
M、 接口信号线和接口芯片,必须遵守供应厂商或标准要求进行比配、滤波、隔离保护等
N、 所有信号都要进行滤波处理,只要有一个信号线上有频率较高的共模电流,他就去耦合到连接到同一个连接器上的其他导线上,造成辐射。
2.2 、连接器选择的原则
A、 接口信号连接器建议选用带屏蔽外壳的连接器,尤其是高频信号连接器
B、 连接器的金属外壳应与机壳保持良好的电连续性,对于能够 360 度环绕的连接器,则必须全方位玩绕连接,而且通常连接电阻小于 1mΩ
C、 对于不能 360°环绕连接的连接器,则建议采用对外壳四周有向上弹簧片的连接器,而弹簧片必须要有足够的尺寸和耐性(弹性),以保持与机壳有良好的点连接。
D、 滤波连接器对于产品 EMC 性能往往有很大的帮助,但其成本较高,通常在采用板内滤波、电缆屏蔽等方法能解决问题的情况下,就不采用滤波连接器。滤波连接器通常用在一些特殊的情况下,如果严格的军标要求、恶劣工业环境的小批量应用及一些特殊情况下的运用等
E、 屏蔽先的屏蔽层要尽可能与接插件外壳保持 360°的连接,对于做不到这一点的连接器,通常有其他对应的措施来保证接口的 EMC 性能
F、 如果连接器安装在线路板上,并通过线路板上的底线与机箱连接,则要注意为连接器提供一个干净的地,这个地与电路板上的信号地分开,仅通过一点接地,并且要与机箱有一个良好的搭接。、
2.3 、PCB 之间的连接设计
A、 有共模瞬态干扰电流流过互连连接器和互连电缆时,建议采用金属外壳的互连连接器,电缆采用屏蔽电缆,连接器的金属外壳与电缆的屏蔽采用 360°连接,并将互连信号中的“0v”工作地与连接器的金属外壳在 PCB 的信号输入/输出端直接互连。在不能互连时,通过旁路电容互连。对于接地设备,要将金属板接大地,使引导共模瞬态干扰电流从互连连接器的外壳和电缆的屏蔽层流过,避免共模干扰电流流过互连连接器和互连电缆中的高阻抗线缆产生瞬态压降
B、 如果只采用金属外壳和非屏蔽电缆,那么建议采用一块额外的金属板连接在互连器和非屏蔽电缆的两端,并将“0v”工作地与金属板在 PCB 的信号输入/输出端互连。在不能直接互连时,通过旁路电容互连。对于接地设备,要将金属板连接大地。 购线网www.gooxian.com 专业定制各类测试线(同轴线、香蕉头测试线,低噪线等)。
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