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pcb的emc设计 硬件emc电路设计

时间:2022-04-29 11:03:50 来源:PCBA 点击:0

pcb的emc设计 硬件emc电路设计

本文的读者对象是电子产品设计者,产品范围电源模块,包括独立于单板计算机、马达驱动器等部件或网络化的产品,例如计算机、视听设备、设备等的整个范围。

本文介绍的技术如下。

1.PCB电路设计数字电路、模拟电路、开关电源、通信装置)、设备选择

2.电缆和连接器

3.滤波器和瞬态干扰抑制

4.屏蔽

5.基板设计(包括传输线)

6.静电放电、机电设备及功率因数修正

已经有很多关于以上问题的教科书,这篇文章只提出和介绍最实用技术中的一些关键,这些内容都十分重要和实用。但是,我们并不是在这里介绍这些技术为什么有用,而是只介绍这些技术是什么,是怎么应用的。当然,理解这些技术的原理是灵活应用这些技术所必需的。可以参考其他教科书或参加训练课程。

1.PCB电路设计以及EMC设备选择

在新设计和开发项目的起始处,活动装置和活动装置的精确选择和完整PCB电路设计技术有利于以最小的成本获得EMC认证,以通过屏蔽和过滤来降低产品的附加成本、体积和重量。这些技术可以提高数字信号的完整性和模拟信号的信噪比,并且可以至少减少一次硬件和软件的重复使用,并且有助于新产品实现其功能技术的要求并尽快投入市场。这些EMC技术应被视为企业的一部分,有助于企业获得最大的商业利益。

1.1数字设备和EMC电路设计

1.1.1设备选择

大多数数字IC制造商至少可以生产一系列放射线低的设备,同时可以生产一些抗ESDI/O芯片,一些制造商提供EMC性能好VLSI(部分EMC微处理器比普通产品的放射线低40dB)。大部分数字电路采用方波信号同步,如图1所示生成谐波分量。时钟速度越高,边缘越陡,频率和谐波的发射能力也越高。因此,在满足产品技术指标的前提下,尽量选择低速时钟。HC使用时绝对不使用AC,CMOS4000可以的话就不使用HC。集成度高EMC要选择具有特性的集成电路,请如下所示。

*电源及接地销接近

*多个电源及地脚销

*输出电压变动性小

*可控制的开关速度

*符合传输路径的I/O电路

*差分信号传输

*地线反射率低

*ESD对其他干扰现象的摄动电阻

*输入容量小

*输出级别的驱动能力不超过实际应用要求

*电源瞬态电流低(有时穿透电流

这些参数的最大和最小值必须由该制造商一一指定。在不同厂家生产的具有相同型号和指标的设备可能具有显著不同EMC特性,这对于确保不断生产的产品的稳定电磁兼容性的适应性是重要的。

高科技集成电路的制造商可以提供详细的EMC设计描述,例如Intel的奔腾MMX芯片。设计者必须理解这些,严格按照要求进行。详细的EMC设计提案表明,制造商感兴趣的是选择设备时必须考虑的要素。在初期的设计阶段,如果IC的EMC特性不明,则可以通过简单的功能电路(至少时钟电路动作)进行各种EMC测试,并且能够尽可能在高速数据传输状态下完成动作。发送测试在频谱分析仪(或宽带示波器)连接了近场探头的标准测试台上容易进行,一部分元件比其他元件明显噪声小得多,测试抗扰度时采用相同的探头可以连接到信号发生器的输出端(连续射频或瞬态)。但是,当探针特化到设备上时(不仅是简单的短路环和导线),首先必须确认其功率耐受性是否满足要求。测试时近场探头为了定位ldquo需要靠近设备或PCB板。保持长袍点rdquo;为了使探针的方向最大化,首先在整个区域上进行水平和垂直扫描(使探针在各方向上相互垂直),然后集中在信号最强的区域上进行扫描。

1.1.2不得采用IC座椅

IC座对EMC不利,建议直接PCB焊接表贴芯片,更优选具有短引线和体积小的IC芯片,BGA以及芯片封装等IC是当前最佳选择。设置席(更糟糕的是插座本身有电池)上的可编程只读存储器(pROM)的发光和敏感的特性,往往会使原本良好的设计恶化。因此,应该采用直接焊接在电路基板上的表贴可编程存储器。

ZIF座)和在处理器(容易升级)上用弹簧安装散热片的母板需要追加的过滤和屏蔽,即使如此也有选择内部引线最短的表贴ZIF工作表的优点。

1.1.3回路技术

*输入和按键级别检测(不是边缘检测)

*使用前置线速度,尽可能低速顺畅的数字信号(不超过失真的界限)

*PCB模板可以控制信号边缘的速度或带宽(例如,在驱动端使用软铁氧体珠或串联电阻)。

*接近输出端集电极开路降低负荷容量,增大电阻值,以使驱动器容易拉伸

*处理器散热器与芯片之间由导热材料分开,并且多点射频被接地到处理器周围。

*电源的高品质射频旁路(去耦环)对于每个电源插销来说都很重要。

*高质量电源监视电路需要抵抗电源切断、掉落、浪涌、瞬时干扰

*需要高品质看门狗

*可编程设备不能用于看门狗或电源监视电路。

*电源监视电路和看门狗还需要适当的电路和软件技术,以根据产品的临界状态来适应许多意外情况。

*如果逻辑信号的上升/下降时间小于信号通过PCB线进行一次往返传输的时间,则应采用传输路径技术。

a、经验:每毫米轨道长度传输一次信号的时间等于36皮秒

b、为了获得最佳EMC特性,对于比a的经验提示短得多的轨道,使用传输线技术

一部分数字IC产生高电平辐射,将其附带的小金属箱焊接在PCB地线上以获得屏蔽效果。PCB上的屏蔽成本低,但不适用于需要散热和通风良好的设备。

时钟电路通常是最主要的发送源,其PCB轨道是最重要的点,优化元件的布局,使时钟成为最短,同时保证时钟线通过PCB的一面但不通过孔。当一个时钟必须通过长路径到达多个负载时,可以在负载的旁边安装时钟缓冲器,从而使得长轨道(导线)中的电流变得小得多。这里,相对失真不重要。长轨道的时钟边缘应尽量平滑,也可用于正弦波,并应由负载侧的时钟缓冲器进行整形。

1.1.4扩展光谱时钟

所谓ldquo;扩展光谱时钟rdquo;虽然这是一种可以降低辐射测量值的新技术,但是这并不是真正降低瞬时发射功率,因此对于一些高速反应装置也可能产生类似的干扰。此技术将时钟频率降低1%至63%?调制2%,使谐波分量扩散,使CISPR16或FCC发送测试中的峰值低。由于测得的传输减少量取决于带宽和测试接收机的积分时间常数,这有点投机,但是这种技术被FCC接受,并在美国和欧洲广泛应用。调制度被控制在音频范围内,并且时钟信号必须不失真。图2是时钟谐波传输的改进示例。扩展频谱时钟不能应用于严格的时间通信网络,诸如以太网、光纤、FDD、ATM、SONET和ADSL。

大部分数字电路来自发送的问题是由于同步时钟信号。由异步逻辑(例如AMULET微处理器、steveFurbe教授带领的课题组在UMIST开发中,不仅大幅降低发送量,而且还能够集中在时钟谐波上生成发送,还能够得到真正的扩散效果。

1.2模拟设备及PCB电路设计

1.2.1模拟设备的选择

从EMC的角度选择模拟设备并不像选择数字设备那样直接,同样期望尽量减小发光、转换速度、电压变动、输出驱动能力,但是对于许多有源模拟设备,抗扰度是重要的要素明确的EMC指定订单特征是相当困难的。

由于来自不同制造商的同一型号和指标的运算放大器具有显著不同的EMC性能,因此确保后续产品的性能参数的一致性是重要的。敏感的模拟设备制造商提供EMC或PCB电路设计上的噪声处理技术或PCB布局,这表明他们对用户的需求感兴趣,有助于在购买时比较优点和缺点。

1.2.2解调问题的防止

大多数模拟设备抗扰度的问题是由于射频解调。每个引脚对射频干扰非常敏感,而与所使用的反馈线路无关(参见图3),所有半导体对射频具有解调作用,但是模拟电路上的问题更严重。即使在低速运转下,也可以解调移动电话的频率和更高频率的信号,图4示出了实际产品的测试结果。

为了防止解调,当模拟电路处于干扰环境中时,需要线性稳定,尤其是反馈电路需要在宽带范围内线性稳定通常需要使用小串联电阻(约500)和约5pF的积分反馈容量串联连接的同时缓冲容性负载。

在进行稳定性和线性测试时,也可以通过沿着输入端小但陡峭的(lt;1ns)注入方波信号电容馈而发送到输出端和电源端),方波的基本频率必须在电路所预期的频带内对于电路输出,使用100MHz(至少)的示波器和探头进行过冲击和贝尔检查,对于音频或仪表电路也这样,对更快的模拟电路选择更宽的频带的示波器注意使用探测技术。

信号高度超过50%的过冲击表明电路不稳定,并且应该对过冲击提供有效的衰减,并且信号的任何长铃声(超过两个周期)或突发振动表明其稳定性不好。

在输入和输出端都没有滤波器的情况下,可以使用方波、频谱分析仪扫动频率来代替示波器(更容易理解谐振频率)

1.2.3其他模拟电路技术

一旦获得了稳定且线性的电路,所有的布线都可能被过滤,相同产品的数字电路部分总是将噪声引导到内部布线,外部布线受到外部电磁环境的骚扰。稍后将描述滤波器。

有源电路EMC不是为了实现要件而对无线频带宽度进行滤波和抑制,而是只能使用无源滤波器(优选为RC型)。积分反馈方法仅在开环增益比闭环增益大得多的情况下有效,但是在较高的频率下不能控制频率响应。

应该避免输入和输出阻抗高的电路,比较器必须具有滞后特性(正反馈)以防止噪声和干扰导致的输出误动作,并且还可以防止接近切换点的振动。不使用比实际需要快得多的输出变换比较器,保持dv/dt低的状态。

在高频模拟信号(例如射频信号)中,需要传输路径技术,根据其长度、通信的最高频率、甚至低频信号,如果是内部连接用传输路径技术抗扰度也得到改善。

部分模拟集成电路内的电路对高电场强度非常敏感,在这种情况下,可以用小金属壳将其屏蔽(允许散热的情况下),将屏蔽盒PCB焊接在接地面上。

与数字电路类似,模拟器需要向电源提供高质量的射频旁路,同时也需要低频电源旁路。模拟器的电源噪声抑制率(pSRR)相对于1kHz以上的频率微弱,需要各运转、比较器或数据转换器的模拟器电源引脚的RC或LC滤波,因此这些电源滤波器关断频率及转变频带斜率为应当补偿装置pSRR的关断频率和斜率以在期望的频带内获得期望的pSRR。

在一般的EMC设计指南中,不太涉及射频设计。这是因为射频设计者通常熟悉连续EMC现象的许多,但是应注意,本振和IF频率通常存在较大的泄漏,因此需要将重点放在屏蔽和滤波上。

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