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硬件EMC設(shè)計規(guī)范!

硬件攻城獅 ? 來源:硬件攻城獅 ? 2023-07-31 14:21 ? 次閱讀

前言

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器EMC就圍繞這些問題進行研究。最基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來切斷干擾的傳輸途徑。廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度,但已延伸到其他學科領(lǐng)域。

本規(guī)范重點在單板的EMC設(shè)計上,附帶一些必須的EMC知識及法則。在印制電路板設(shè)計階段對電磁兼容考慮將減少電路在樣機中發(fā)生電磁干擾。問題的種類包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線產(chǎn)生的輻射和通過由互連布線和印制線形成的回路拾取噪聲等。

在高速邏輯電路里,這類問題特別脆弱,原因很多:

1、電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加,公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁;

2、信號頻率較高,通過寄生電容耦合到步線較有效,串擾發(fā)生更容易;

3、信號回路尺寸與時鐘頻率及其諧波的波長相比擬,輻射更加顯著。

4、引起信號線路反射的阻抗不匹配問題。

……

01總體概念及考慮

1、五一五規(guī)則,即時鐘頻率到5MHz或脈沖上升時間小于5ns,則PCB板須采用多層板。

2、不同電源平面不能重疊。

3、公共阻抗耦合問題。


模型:

f64955d0-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg


VN1=I2ZG為電源I2流經(jīng)地平面阻抗ZG而在1號電路感應(yīng)的噪聲電壓。


由于地平面電流可能由多個源產(chǎn)生,感應(yīng)噪聲可能高過模電的靈敏度或數(shù)電的抗擾度。

解決方法:
模擬數(shù)字電路應(yīng)有各自的回路,最后單點接地;

②電源線與回線越寬越好;

③縮短印制線長度;

④電源分配系統(tǒng)去耦。


4、減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。


5、一個重要思想是:PCB上的EMC主要取決于直流電源線的Z

f66fd5f2-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg

02布局

下面是電路板布局準則:

f67c23e8-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg


1、 晶振盡可能靠近處理器

2、 模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域

3、 高頻放在PCB板的邊緣,并逐層排列

4、 用地填充空著的區(qū)域

03布線

1、電源線與回線盡可能靠近,最好的方法各走一面。

2、為模擬電路提供一條零伏回線,信號線與回程線小與5:1。

3、針對長平行走線的串擾,增加其間距或在走線之間加一根零伏線。

4、手工時鐘布線,遠離I/O電路,可考慮加專用信號回程線。

5、關(guān)鍵線路如復位線等接近地回線。

6、為使串擾減至最小,采用雙面#字型布線。

7、高速線避免走直角。

8、強弱信號線分開。

04屏蔽

1屏蔽 > 模型:

f6b50bb8-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg

屏蔽效能SE(dB)=反射損耗R(dB)+吸收損耗A(dB)


高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射,吸收是低頻磁場屏蔽的關(guān)鍵機理。


2、工作頻率低于1MHz時,噪聲一般由電場或磁場引起,(磁場引起時干擾,一般在幾百赫茲以內(nèi)),1MHz以上,考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實體包括變壓器、傳感器放大器DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機架的屏蔽。


3、 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的,只要求高電導率材料和接地兩點。電磁屏蔽不要求接地,但要求感應(yīng)電流在上有通路,故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導率的材料做 封閉的屏蔽體,為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達到吸收的目的,對材料有厚度的要求。高頻情況下,三者可以統(tǒng)一,即用高電導率材料(如銅)封閉并接地。


4、對低頻,高電導率的材料吸收衰減少,對磁場屏蔽效果不好,需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵)。


5、磁場屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的最大線性尺寸。


6、磁耦合感應(yīng)的噪聲電壓UN=j(luò)wB.A.coso=j(luò)wM.I1,(A為電路2閉合環(huán)路時面積;B為磁通密度;M為互感;I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓,有兩個途徑,對接收電路而言,B、A和COS0必須減小;對干擾源而言,M和I1必須減小。雙絞線是個很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積,并同時在絞合的另一根芯線上產(chǎn)生相反的電動勢。


7、防止電磁泄露的經(jīng)驗公式:縫隙尺寸 < λmin/20。好的電纜屏蔽層覆視率應(yīng)為70%以上。

05接地

1、300KHz以下一般單點接地,以上多點接地,混合接地頻率范圍50KHz~10MHz。另一種分法是:< 0.05λ單點接地;< 0.05λ多點接地。


2、好的接地方式:樹形接地

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3、信號電路屏蔽罩的接地。

f6e308ce-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg


接地點選在放大器等輸出端的地線上。


4、對電纜屏蔽層,L < 0.15λ時,一般均在輸出端單點接地。L<0.15λ時,則采用多點接地,一般屏蔽層按0.05λ或0.1λ間隔接地。混合接地時,一端屏蔽層接地,一端通過電容接地。


5、對于射頻電路接地,要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實現(xiàn)接地。最好的接地線是扁平銅編織帶。當?shù)鼐€長度是λ/4波長的奇數(shù)倍時,阻抗會很高,同時相當λ/4天線,向外輻射干擾信號。


6、單板內(nèi)數(shù)字地、模擬地有多個,只允許提供一個共地點。


7、接地還包括當用導線作電源回線、搭接等內(nèi)容。

06濾波

1、選擇EMI信號濾波器濾除導線上工作不需要的高頻干擾成份,解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分,有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過渡性能最好,最能保證工作信號質(zhì)量。


一個典型信號的頻譜:

f6f9c67c-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg

f71b1a3e-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg


2、選擇交直流電源濾波器抑制內(nèi)外電源線上的傳導和輻射干擾,既防止EMI進入電網(wǎng),危害其它電路,又保護設(shè)備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 < 1MHz時占主導地位。CM在 > 1MHz時,占主導地位。


3、使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上,用作高頻電路的去耦,濾波以及寄生振蕩的抑制。


4、盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF),對進入板極的直流電源及穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出進行濾波(uF)。

f73962b4-2f57-11ee-815d-dac502259ad0.jpg

Cmin≈△I△t/△Vmax △Vmax一般取2%的干擾電平。


注意減小電容引線電感,提高諧振頻率,高頻應(yīng)用時甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問題,也是單板EMC控制的手段。

總 結(jié)

單板的干擾抑制涉及的面很廣,從傳輸線的阻抗匹配到元器件的EMC控制,從生產(chǎn)工藝到扎線方法,從編碼技術(shù)到軟件抗干擾等。

一個機器的孕育及誕生實際上是EMC工程。最主要需要工程師們設(shè)計中注入EMC意識。

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