《嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析》读书笔记(七)


电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)是指设备或系统在电磁环境中运行时,不会因为其他设备的合理电磁干扰而影响本机的功能和安全性,也不会对其环境中的任何设备产生不合理的电磁干扰能力。包含EMI和EMS,即不产生不合理干扰及抗干扰。

测试标准的规定工友11项测试内容:4项EMI指标,指辐射发射RE、传导发射CE、谐波电流Harmonics、闪烁Flicker;7项EMS指标,指辐射抗干扰度RS、传导抗度CS、静电抗扰度ESD、电快速瞬变脉冲群EFT/B、电压跌落与短时中断DIP/i、工频磁场抗扰度PMS、浪涌抗扰度Surge。

电磁兼容的发生机理是“干扰源、传播路径、敏感设备”,解决措施是“处理接地、壳体屏蔽、线路滤波”

1、概述

  1)电磁干扰的根源是di/dt、du/dt,即较大的电压、电流突变产生很大的高频杂波;

  2)电阻的高频等效特性

  在频率较高时,会产生容抗和感抗;

  3)电容的高频等效特性

  

  4)电感高频等效特性

  5)磁环磁珠高频等效特性

磁珠适合于线路板上的电源或信号滤波;磁环则使用与线缆上的高频滤波;

  6)导线的高频等效特性

  影响其高频特性的是走线电阻、走线电感、分布电容;

  7)对于交流电源,电源火线和零线之间的干扰是差模干扰;

  8)对于火线或零线对地的干扰为共模干扰;

2、整机外部接口

  2.1、按键面膜

    1)薄膜键盘电路与其相对的邻近电路之间放置一个接地的导电层;
    2)薄膜键盘电路层周围涂上粘合剂或密封剂,堵住引入ESD路径;
    3)按键窗口增减设计防护ESD;

  2.2、电源接口

    电源输入接口是EMC测试中的重点,双向传到、辐射想过都需要关注;最基础的措施就是采用电源滤波器和浪涌防护设计。

  2.3、显示窗口

    1)LCD、LED是引入空间辐射干扰和ESD干扰的串口,系统设计时可考虑屏蔽窗或隔离舱,显示电路部分与机内电路连接通过滤波器件相连;隔离舱位金属结构,导电部分与机壳之间形成低阻抗的连续导通连接。

3、接地

  1)EMC接地泄放的是高频电流,因此接地的走线电感不能忽视;一般使用宽的铜皮;

  2)接地分为四类:

    a) 安全接地:将对人体有潜在危害的电流导到大地上;
    b) 工作接地(数字地、模拟地、功率器件地):信号电流回流的路径,是信号系统的参考电平;
    c) 防浪涌接地为外来突变的大电流干扰提供一个泄放路径,泄放电流量级远高于信号电流;
    d) 浮地的屏蔽地最常见的手持设备外壳,未单独接触大地,但提供一个参考的等电位地;

  3)接地规范

    a) 地地之间黄绿导线直连:低电阻导通,用于中低频信号;
    b) 地地之间宽扁电缆直连:高频下实现地阻抗对地导通;
    c) 地地之间大阻抗连接:防静电台
    d) 地地之间电容连接:直流截止,交流导通的场景;
    e) 地地之间磁珠连接:弱信号的地地之间;
    f) 地地之间电感连接:电感具有抑制电路状态变化的特性,用于有较大电流波动的地地
    g) 地地之间小电阻连接:阻碍电流快速变化的过冲;
    h) 安全地、防雷击浪涌接地的接法:两者都单独接到大地,在真正的大地处单点相接;

4、电路板

  4.1 电路原理图设计

    1、面膜电路:
      1)面膜灯电路增加限流电阻和防静电电容,抑制非受控闪烁;
      2)面膜按键电路增加R-S触发器作为按钮和设备电子线路之间配合的缓冲;

    2、复位电路
      1)有时间延时,避免上电初期复位;
      2)复位信号优选斯密特方式,避免复位-工作-复位重复发生;

    3、片选输入口和敏感电路
      1)输入口参考面膜电路;
      2)缓和电路的接地要分开布局;

    4、电路板接口
      1)在控制线和印刷版上的入口处增加RC去耦和浪涌防护器件

    5、总线信号质量控制
      1)信号频率高于5MHz,下降沿时间低于5ns总线,器件引脚末端串接小电阻限流,防止过冲振铃;
      2)空置的IO引脚连接高阻抗;
      3)IRQ引脚有预防静电释放的额措施;
      4)单片机IO口控制电机等噪声器件时,加隔离如π型滤波电路

    6、去耦电容
      1)模拟放大器电源,在最接近电路的连接处到放大器之间加去耦电容;
      2)数字集成电路,分组加去耦电容;
      3)电机与发电机的电刷,在每个绕组指路上串联RC滤波电容;在电源入口处增加低通滤波措施;

    7、晶振电路
      1)输出串联一个低阻值电阻,削弱震荡信号上升沿、下降沿时的过冲;
      2)在满足要求的情况下,MCU的晶振越低越好;
      3)时钟电路、校准电路和去耦电路接近MCU防止;
      4)时钟输出布线时禁止向多个部件直接串行连接;

    8、显示电路的数据线加装磁环;

    9、供电与驱动电路
      1)驱动电路的电源要做去耦设计;
      2)单片机电源加滤波电路或稳压器;
      3)每一根电源线进入电子设备的地方串放一个磁珠;
      4)每一个电源引脚和紧靠电子设备机箱地之间放一个顺流抑制器、金属氧化压敏电阻或高频电容;

  4.2 布线

    1、PCB 布线

      1) 优选多层板设计,根据PIN密度
      2) 禁止出现一端浮空、直角转弯、电阻不连续、宽度不一致等情况;
      3) 考虑强弱电流、大小电压、高低频、输入输出、数字模拟等隔离;
      4) 高速通道过孔要少;
      5) 推荐地平面栅格布线;
      6) 增大走线间距、减少电容耦合串扰;

    2、元器件布局
      1) 将具有辐射源特征的电路装在金属屏蔽内;
      2) 同类型元件XY方向一致;
      3) 元器件放置便于调试和维修;注意直插元件的间距;

3、安装固定
4、EMC元器件选型

EMC器件的选型必须按照器件的高频等效特性来考虑器件的指标,包括电阻、电容、电感、磁珠、导线及布线等;

5、接插件和电缆分类

  1)接插件上的信号线,优选“信号-地-信号-地”的间隔排布;
  2)带金属的接插件与地相连;
  3)电缆设计时应考虑诸如直流电源线用屏蔽线、交流电用扭搅线、所有进入屏蔽区的信号线/电源线都经过滤波等;

6、机械机构:

  1、材料:任何封闭的金属体,不论厚度,其屏蔽效能SE不低于80db。但在实际产品设计中会低于这个值,主要是因为有缝隙;
  2、对于非金属机壳,为实现屏蔽效果,一般采用内部喷涂金属涂层的工艺;
  3、金属机箱上,可泄漏电磁波频率与开口的最大直径有关,所以机箱开孔首选圆孔;
  机箱箱体结合处,用耐高压硅树脂或垫圈密闭,防ESD、放水、放尘;

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