一個產(chǎn)品出CE與UL要測哪些項目?
有哪位大哥能說一下說的具體一點.
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@dysy
不好意思,由于我本來不是學電子的,所以冒昧問個問題:EMC是什么意思呀?具體是什么字母的縮寫?多謝大哥大姐賜教!
摘 要 EMC是業(yè)界的一個難點;文章介紹了EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設計法;給企業(yè)提供了對待EMC的建議;作者認為EMC改進要如診治疾病一樣對癥施治;作者倡導堅持EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題-進行EMC設計.
關(guān)鍵詞 EMC 規(guī)律 改進 設計 建議
Abstract EMC is the difficult topic to manufacturer. In this article, EMC three rules & EMC three factors & EMI characteristic & EMC design in five aspects of the situation are introduced. Good advices are put forward. EMC improvement must accord to the case just as doctor curing patient. Writer sparkplug making use of EMC rules and solving EMC problem- implementing EMC design as soon as possible.
Keywords EMC rule improvement design advices
EMC是產(chǎn)品認證的重要內(nèi)容
隨著我國加入WTO,無論是走向國際大市場的中國產(chǎn)品,還是涌向中國市場的外國產(chǎn)品,幾乎都要進行各種各樣的產(chǎn)品認證.產(chǎn)品認證,從國際貿(mào)易角度看,實質(zhì)上是技術(shù)性貿(mào)易壁壘.我們只有不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量, 突破技術(shù)壁壘,才能開拓海外市場,促進外貿(mào)發(fā)展.
國內(nèi)新的3C認證替代了原來的CCIB和CCEE認證, “CCC”是我國強制性產(chǎn)品認證標志—— China Compulsory Certification的英文縮寫,只有取得3C認證的產(chǎn)品才能進入國內(nèi)市場. 3C認證對機電、電器產(chǎn)品的安全性能、EMC等方面作了詳細規(guī)定.
EMC是多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點
大力發(fā)展電子、信息產(chǎn)業(yè)為主體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),是我們的既定方針.當今是一個連科技也在追趕潮流的時代,機電產(chǎn)品日新月異,“輕薄短小和多功能化”成為時尚,數(shù)碼產(chǎn)品、機電一體化產(chǎn)品、信息家電、多媒體設備等技術(shù)含量較高的產(chǎn)品層出不窮,更新?lián)Q代速度日益加快,芯片集成度和產(chǎn)品工作速度不斷提高,伴隨的電磁騷擾問題日益復雜.
目前,我國整體EMC研究起步較晚,許多企業(yè)對EMC認知度不夠,缺乏EMC方面的經(jīng)驗和測試設備,在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝和元器件的選擇上都有不同程度的困惑,產(chǎn)品生產(chǎn)出來后往往EMC不能符合標準要求.EMC問題是當前多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點!從事機電產(chǎn)品制造的廣大企業(yè)皆有同感,解決EMC問題,比之解決產(chǎn)品的安全問題要困難得多.這就更加加劇了有些企業(yè)面對品牌競爭和價格競爭,偏向于降低成本、犧牲EMC要求的現(xiàn)象.
機電產(chǎn)品3C認證的指標涉及產(chǎn)品的安全、EMC兩個方面.從認證檢測來看,產(chǎn)品達不到“3C”認證要求的主要原因是EMC方面過不了關(guān).事實上,無論日常檢驗還是各種產(chǎn)品認證中,EMC測試通不過的情況比較普遍.
隨著3C認證順利開展,部分企業(yè)在EMC問題上愁眉不展,幫助企業(yè)是我們光榮職責.此稿沒有復雜的理論分析和推導,只是扼要地介紹EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設計法;一方面力求實用,另一方面意圖拋磚引玉.
認識和利用EMC領域三個重要規(guī)律
作者認為:EMC不是光靠理論就能完全解決的,EMC是一項實踐工程.從事EMC行業(yè),如能深刻領會以下三個EMC領域重要規(guī)律,實踐中堅持運用,必然收到事半功倍的效果.
1) 規(guī)律一、EMC費效比關(guān)系規(guī)律: EMC問題越早考慮、越早解決,費用越小、效果越好.
在新產(chǎn)品研發(fā)階段就進行EMC設計,比等到產(chǎn)品EMC測試不合格才進行改進,費用可以大大節(jié)省,效率可以大大提高;反之,效率就會大大降低,費用就會大大增加.
經(jīng)驗告訴我們,在功能設計的同時進行EMC設計,到樣板、樣機完成則通過EMC測試,是最省時間和最有經(jīng)濟效益的.相反,產(chǎn)品研發(fā)階段不考慮EMC,投產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)EMC不合格才進行改進,非但技術(shù)上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費,甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設計、PCB設計的缺陷,無法實施改進措施,導致產(chǎn)品不能上市.
2) 規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴重.
高頻信號電流流經(jīng)電感最小路徑.當頻率較高時, 一般走線電抗大于電阻,連線對高頻信號就是電感,串聯(lián)電感引起輻射.電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的,最惡劣的情況就是開路之天線形式.對應處理方法就是減少、減短連線,減小高頻電流回路面積,盡量消除任何非正常工作需要的天線,如不連續(xù)的布線或有天線效應之元器件過長的插腳.
減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一,就是想方設法減小高頻電流環(huán)路面積S.
3) 規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高,引起的EMI輻射越嚴重,電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大.
減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二,就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f,即減小騷擾電磁波的頻率f.
本文以下內(nèi)容,就是利用以上三個規(guī)律,倡導趁早考慮EMC問題,介紹EMC設計和EMC問題改進.
改進EMC問題,如同診治疾病
如果產(chǎn)品沒有通過EMC測試,我們從測量結(jié)果中,只能知道哪些頻率點“超標”了,而這些頻率的電磁騷擾是從哪里出來的,往往是工程師門最不容易發(fā)現(xiàn)、最難解決的問題.產(chǎn)品EMC問題,說難亦難,說易亦易.就如給病人治病一樣,關(guān)鍵是看你這個病是可治愈的還是不治之癥,對可治之癥能否辨證施治.中醫(yī)看病,講究望聞切診問;現(xiàn)代醫(yī)學多講究量血壓、BT、CT、化驗等,目的都是為了查清病灶、病因,做到因病施治.
同樣,改進EMC問題,看成為診治疾病,就是科學性與趣味性的結(jié)合.首先,根據(jù)EMI產(chǎn)生的途徑和機理,也就是EMC問題產(chǎn)生的要素,針對EUT(被測試樣品,下同)的電路原理,先作一些判斷,比如IT類設備和AV音視頻類設備引起EMC問題的原因或者內(nèi)部騷擾源是什么,先進行推斷,再結(jié)合測試項目測試圖透過現(xiàn)象看本質(zhì),分析超差原因--把騷擾源搞清楚,把騷擾途徑摸透徹,以便有的放矢.
分析超差原因,可使用高頻示波器或頻譜分析儀加上近場探頭驗證分析結(jié)果,從頻域到時域,再從頻域到時域,分析、尋找產(chǎn)生EMC問題的對應電路和器件.
EMC問題三要素
開關(guān)電源及數(shù)字設備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波,因此會產(chǎn)生很強的輻射.電磁干擾包括輻射型(高頻) EMI、傳導型(低頻)EMI,即產(chǎn)生EMC問題主要通過兩個途徑:一個是空間電磁波干擾的形式;另一個是通過傳導的形式,換句話說,產(chǎn)生EMC問題的三個要素是:電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備.輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環(huán)境;傳導干擾是通過電源線騷擾公共電網(wǎng)或通過其他端子(如:射頻端子,輸入端子)影響相連接的設備.
傳導、輻射
騷擾源-----------------------------(途徑)------------------------------ 敏感受體
近場耦合
IT、AV設備可能的騷擾源
A) FM接收機、TV接收機本機振蕩,基波及諧波由高頻頭、本機振蕩電路產(chǎn)生;
B) 開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及高次諧波,同步信號方波及高頻諧波,行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場信號及高頻諧波;
C) 數(shù)字電路工作需要的各種時鐘信號及高頻諧波、以及它們的組合,各種時鐘如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;
D) 數(shù)字信號方波及高頻諧波,晶振產(chǎn)生的高次諧波,非線性電路現(xiàn)象(非線性失真、互調(diào)、飽和失真、截止失真)等引起的無用信號、雜散信號;
E) 非正弦波波形,波形毛剌、過沖、振鈴,電路設計存在的寄生頻率點.
F) 對于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場.
電磁騷擾的特性
① 單位脈沖的頻譜最寬;
② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積,高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度;
③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數(shù)字電路才能按一定的時序工作,使晶振產(chǎn)生的騷擾呈現(xiàn)覆蓋帶
寬、騷擾電平高的特點;
④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時,EMI輻射和接受最嚴重;收發(fā)天線面積越大, EMI危害逾大;
⑤ 騷擾途徑:輻射,傳導,耦合和輻射、傳導、耦合的組合.
⑥ 電源線傳導騷擾主要由共模電流產(chǎn)生;
⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環(huán)路產(chǎn)生.
EMC設計
前面已經(jīng)提過,EMC的根本問題,解決EMC問題的根本辦法,無論從市場經(jīng)濟的原則出發(fā),還是從其它方面考慮,都是趁早進行EMC設計.從設計立項的一開始,就把EMC要求納入設計任務書,作為設計的輸入之一.EMC設計,簡單地說,就是仔細預測可能發(fā)生的各種EMC問題,進行方案和電路的優(yōu)化選型,尋找一
種優(yōu)化電路、機械結(jié)構(gòu)和PCB的設計解決方案,提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量,確保達到功能和性能指標的情況下,兼顧成本效益,避免EMC問題.
為抑制和消除騷擾源,減小高頻信號頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗耦合或感應耦合,選用
低速、低輻射器件,選用屏蔽機箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施.
一般來說,EMC設計可分五個層次.以下為五個層次EMC設計要點:
1)的方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結(jié)構(gòu)設計;
對于產(chǎn)品的成功與否,第一層次設計是最基本、最重要的,任何錯誤都意味著該產(chǎn)品項目徹底失
敗.這一層主要EMC考慮體現(xiàn)在:
a) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,盡量選用本身發(fā)射小的芯片,如翻轉(zhuǎn)時間長、工作速率低的器件,多地線腳的芯片(芯片實質(zhì)就是集成度較高的電路模塊,封裝時多裝地線腳,可以減小高速差模電流環(huán)面積S,相應地減小芯片的發(fā)射);避免使用大功率、高損耗器件,它們往往是大的輻射源;
b) 保證所選器件不工作在非線性區(qū),以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源.
c) 電路和機械結(jié)構(gòu)設計除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外,主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;
d) 電路設計或方案應不使數(shù)字信號波形產(chǎn)生過沖,應使無用的諧波振蕩幅度最小,使無用的高次諧波成分最少,避免引發(fā)強烈的電磁騷擾;
e) 對集總參數(shù)電路,增加阻尼、 減小Q值,防止振蕩;
2)PCB的EMC設計;
對于產(chǎn)品的成功與否, PCB的EMC設計是重要的一環(huán).PCB設計不合理,會產(chǎn)生無法補救的后果;
PCB良好的EMC設計,有事半功倍的效果.PCB的EMC設計應遵循以下內(nèi)容:
a) 盡量減小所有的高速信號及時鐘信號線構(gòu)成的環(huán)路面積,連接線要盡可能短,并使信號線緊鄰地回路;
b) 使用小型化器件和多層線路板,多層印制板可緊縮布線空間,高頻特性好,容易實現(xiàn)EMC;
c) 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號的屏蔽和隔離要求,先確定所需信號層數(shù),然后考慮成本的前提下,增加地平面和電源層是PCB EMC設計最好的措施之一;
d) 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣,元件面下面為地平面,關(guān)鍵電源平面與其對應的地平面相鄰,相鄰層的關(guān)鍵信號不跨區(qū),所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號與地平面相鄰,盡量避免兩信號層相鄰;
e) 個別電源層、地層不能作為一個連續(xù)的平面時,采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng),有效減小電流環(huán)路面積,減小公共阻抗R,加大信號與地層分布電容;
f) 線路板布線設計時順序考慮:電源和地/時鐘線/信號線,布線應該短、直、粗、勻,不要直角和突變,不應有“之”字形,用圓角代替尖銳走線,盡可能加寬電源和地的布線,電源和地層的分割,盡量符合微帶線和帶狀線要求;
g) 走線盡可能遠離騷擾源,布線考慮鐵氧體材料的使用,預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
3)電與接地、高速信號線路及內(nèi)部線纜的EMC設計;
PCB的EMC設計中也提到供電與接地、高速信號線路的EMC設計,此外,還應遵循以下內(nèi)容:
a)芯片間使用低阻抗地連接(地平面),不同芯片供電腳間阻抗盡量小,芯片供電腳(意思是離芯片供電腳很近的供電線上)與地間接高頻旁路電容,供電布線預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
b) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環(huán)面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣,關(guān)鍵電源線與其對應的地線相鄰,所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號線與地線相鄰,盡量避免兩信號線相鄰;
c) 為避免接地線長度過長(接近λ/4),可采用多點就近接地,接地線高頻阻抗要小;
d) 減小電纜的天線效應及減小偶極子天線效應,跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜,內(nèi)導線采用多股雙絞線,使空間場互抵,屏蔽層可作為回線;
e) 機內(nèi)采用屏蔽線防止感應噪聲;
f) 濾波器的輸入輸出線應拉開距離,忌并行走線,以免影響濾波效果;
h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射;
4) 屏蔽設計;
屏蔽好的要求有三:完整的電連續(xù)體;濾波措施;良好的接地.
對于信息技術(shù)IT類設備,當主板及配置選定的情況下,提高整機的屏蔽效果和各個部分的隔離效果
非常重要,尤其個人計算機和液晶顯示器.這里只說屏蔽設計:
a)計算機機殼內(nèi)騷擾場強較大,機殼塑料部分未涂導電材料或所涂導電材料不佳,機箱有孔洞、縫隙,不
是一個完整電連續(xù)體,進出線濾波不好,最終都可導致輻射騷擾超出限值.機箱為了更好屏蔽電磁輻射,既能照顧到機箱的散熱需求,又能有效地防止電磁波的衍射,開孔尺寸一般不超過4mm;
b) 根據(jù)產(chǎn)品實際進行屏蔽設計,端口、通風孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考
慮的因素;
c) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導電材料的外殼(接縫處要噴涂導電材料);
d) 為了將輻射減到最小,盡量使用通過了CQC (EMC方面)自愿認證的機箱;
e) 為保證機箱的密封性,要使用精密模具沖壓成型,設計適當?shù)膹楛c和卷邊;
f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等
5)輸入/輸出的濾波設計
電源線濾波和信號線濾波的重要性并不亞于機箱屏蔽,濾波關(guān)鍵是針對EMC要求,兼顧達標和經(jīng)濟的原則.在I/O接口部位,一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器.在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸波作用.設計或使用信號線濾波器時,濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男?
號頻率.
a)傳導騷擾問題處理的方法主要是低通濾波.在1MHz以上時,傳導發(fā)射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的,須綜合運用抑制傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施,如屏蔽、去耦和濾波;
右圖是一個高性能電源濾波電路,有二級共模和一級差模濾波,共模和差模騷擾抑制能力較強,適用于要求抑制較強騷擾發(fā)射的
場合.
b)濾波電路的衰減性能與源和負載的阻抗關(guān)系很大,失配越大,濾波器衰減電磁騷擾的效果越好.大多數(shù)情況下,電源線表現(xiàn)為低阻抗,則濾波器的輸入端應為高阻抗.另一方面,設備既可能為高阻抗,也可能為低阻抗.對于線性電源高阻抗,為獲得阻抗失配,負載端應設計為低阻抗.對于開關(guān)電源和同步電機這樣的低阻抗設備,負載端設
計為高阻抗.
c) 減共模和差模電容,加減共模和差模線圈,調(diào)整電容參數(shù)和線圈匝數(shù),共模和差模插入損耗對頻率的曲線都可改變.濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流.它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容.
共模電容的容量越大,共模阻抗越小,共模騷擾抑制效果越好,但安全標準規(guī)定泄漏電流不能過大.
d) 電源濾波器安裝位置應靠近電源線入口處,如能做成與接口一體化更好.對于金屬屏蔽機箱,選用獨立電源屏蔽濾波器,安裝在電源線入口處,并確保濾波器外殼與設備機箱(地)良好電接觸,這樣的效果是最
好的.濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構(gòu)件上.
給企業(yè)的建議
一、 了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法
則,堅持利用EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題;遇到PCB必須重新設計或結(jié)構(gòu)必須重新設計時,大家只有后悔EMC考慮得遲了.治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲,解決EMC問題是一樣的道理.
二、 當產(chǎn)品的EMC不符合要求需要整改時,首先要如同治病一樣,診斷出電磁騷擾源、耦合途徑,
然后利用EMC設計要點中提到的方法,對癥下手,綜合運用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實施改進.
改進途中,測試再不通過,先檢討問題判斷是否正確?對策是否失誤?使用器件參數(shù)是否需要調(diào)整?不要一下子就改變初衷,應不慌不忙.整改時要特別注意,正確診斷出電磁騷擾源、耦合途徑后,采用EMC抑制器件時,不但要選擇合適,而且所用器件要貨真價實,才不會久治不愈.
三、 工廠應對關(guān)鍵生產(chǎn)工序進行識別,關(guān)鍵工序操作人員應加以培訓,制定相應的工藝作業(yè)指
導書或標準樣件(可以采取拍照給出圖片的方式),使生產(chǎn)過程受控.取最簡化而且EMC又有一定裕量的樣機作為標準件,核對生產(chǎn)、裝配工藝,檢驗時,著重進行EMC關(guān)鍵元器件和材料的檢驗/驗證,以及裝配工藝一致性檢查.
四、 為驗證產(chǎn)品持續(xù)符合標準要求,工廠應在適當階段對產(chǎn)品進行確認檢驗(本身不具備檢測條件
時,抽樣送有能力的機構(gòu)進行檢驗),以確保產(chǎn)品持續(xù)符合EMC要求,萬一變化亦能及時發(fā)現(xiàn).
五、 當產(chǎn)品EMC關(guān)鍵件要改變、調(diào)整時,應用新的器件替換原器件重新制造幾臺樣機進行測試,確認EMC關(guān)鍵件改變和調(diào)整對整機EMC的影響.
小結(jié)
了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法,EMC會變得有規(guī)可循的,堅持EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題,即可省時省力,事半功倍.
在EMC工作方面,比照老中醫(yī)看病方式,據(jù)癥施治,有意識帶點人性化,能提高解決問題的興趣.
EMC 90%是設計出來的,整改出來的極少、極少.治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲.道理簡單,更需重視.
關(guān)鍵詞 EMC 規(guī)律 改進 設計 建議
Abstract EMC is the difficult topic to manufacturer. In this article, EMC three rules & EMC three factors & EMI characteristic & EMC design in five aspects of the situation are introduced. Good advices are put forward. EMC improvement must accord to the case just as doctor curing patient. Writer sparkplug making use of EMC rules and solving EMC problem- implementing EMC design as soon as possible.
Keywords EMC rule improvement design advices
EMC是產(chǎn)品認證的重要內(nèi)容
隨著我國加入WTO,無論是走向國際大市場的中國產(chǎn)品,還是涌向中國市場的外國產(chǎn)品,幾乎都要進行各種各樣的產(chǎn)品認證.產(chǎn)品認證,從國際貿(mào)易角度看,實質(zhì)上是技術(shù)性貿(mào)易壁壘.我們只有不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量, 突破技術(shù)壁壘,才能開拓海外市場,促進外貿(mào)發(fā)展.
國內(nèi)新的3C認證替代了原來的CCIB和CCEE認證, “CCC”是我國強制性產(chǎn)品認證標志—— China Compulsory Certification的英文縮寫,只有取得3C認證的產(chǎn)品才能進入國內(nèi)市場. 3C認證對機電、電器產(chǎn)品的安全性能、EMC等方面作了詳細規(guī)定.
EMC是多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點
大力發(fā)展電子、信息產(chǎn)業(yè)為主體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),是我們的既定方針.當今是一個連科技也在追趕潮流的時代,機電產(chǎn)品日新月異,“輕薄短小和多功能化”成為時尚,數(shù)碼產(chǎn)品、機電一體化產(chǎn)品、信息家電、多媒體設備等技術(shù)含量較高的產(chǎn)品層出不窮,更新?lián)Q代速度日益加快,芯片集成度和產(chǎn)品工作速度不斷提高,伴隨的電磁騷擾問題日益復雜.
目前,我國整體EMC研究起步較晚,許多企業(yè)對EMC認知度不夠,缺乏EMC方面的經(jīng)驗和測試設備,在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝和元器件的選擇上都有不同程度的困惑,產(chǎn)品生產(chǎn)出來后往往EMC不能符合標準要求.EMC問題是當前多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點!從事機電產(chǎn)品制造的廣大企業(yè)皆有同感,解決EMC問題,比之解決產(chǎn)品的安全問題要困難得多.這就更加加劇了有些企業(yè)面對品牌競爭和價格競爭,偏向于降低成本、犧牲EMC要求的現(xiàn)象.
機電產(chǎn)品3C認證的指標涉及產(chǎn)品的安全、EMC兩個方面.從認證檢測來看,產(chǎn)品達不到“3C”認證要求的主要原因是EMC方面過不了關(guān).事實上,無論日常檢驗還是各種產(chǎn)品認證中,EMC測試通不過的情況比較普遍.
隨著3C認證順利開展,部分企業(yè)在EMC問題上愁眉不展,幫助企業(yè)是我們光榮職責.此稿沒有復雜的理論分析和推導,只是扼要地介紹EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設計法;一方面力求實用,另一方面意圖拋磚引玉.
認識和利用EMC領域三個重要規(guī)律
作者認為:EMC不是光靠理論就能完全解決的,EMC是一項實踐工程.從事EMC行業(yè),如能深刻領會以下三個EMC領域重要規(guī)律,實踐中堅持運用,必然收到事半功倍的效果.
1) 規(guī)律一、EMC費效比關(guān)系規(guī)律: EMC問題越早考慮、越早解決,費用越小、效果越好.
在新產(chǎn)品研發(fā)階段就進行EMC設計,比等到產(chǎn)品EMC測試不合格才進行改進,費用可以大大節(jié)省,效率可以大大提高;反之,效率就會大大降低,費用就會大大增加.
經(jīng)驗告訴我們,在功能設計的同時進行EMC設計,到樣板、樣機完成則通過EMC測試,是最省時間和最有經(jīng)濟效益的.相反,產(chǎn)品研發(fā)階段不考慮EMC,投產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)EMC不合格才進行改進,非但技術(shù)上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費,甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設計、PCB設計的缺陷,無法實施改進措施,導致產(chǎn)品不能上市.
2) 規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴重.
高頻信號電流流經(jīng)電感最小路徑.當頻率較高時, 一般走線電抗大于電阻,連線對高頻信號就是電感,串聯(lián)電感引起輻射.電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的,最惡劣的情況就是開路之天線形式.對應處理方法就是減少、減短連線,減小高頻電流回路面積,盡量消除任何非正常工作需要的天線,如不連續(xù)的布線或有天線效應之元器件過長的插腳.
減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一,就是想方設法減小高頻電流環(huán)路面積S.
3) 規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高,引起的EMI輻射越嚴重,電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大.
減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二,就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f,即減小騷擾電磁波的頻率f.
本文以下內(nèi)容,就是利用以上三個規(guī)律,倡導趁早考慮EMC問題,介紹EMC設計和EMC問題改進.
改進EMC問題,如同診治疾病
如果產(chǎn)品沒有通過EMC測試,我們從測量結(jié)果中,只能知道哪些頻率點“超標”了,而這些頻率的電磁騷擾是從哪里出來的,往往是工程師門最不容易發(fā)現(xiàn)、最難解決的問題.產(chǎn)品EMC問題,說難亦難,說易亦易.就如給病人治病一樣,關(guān)鍵是看你這個病是可治愈的還是不治之癥,對可治之癥能否辨證施治.中醫(yī)看病,講究望聞切診問;現(xiàn)代醫(yī)學多講究量血壓、BT、CT、化驗等,目的都是為了查清病灶、病因,做到因病施治.
同樣,改進EMC問題,看成為診治疾病,就是科學性與趣味性的結(jié)合.首先,根據(jù)EMI產(chǎn)生的途徑和機理,也就是EMC問題產(chǎn)生的要素,針對EUT(被測試樣品,下同)的電路原理,先作一些判斷,比如IT類設備和AV音視頻類設備引起EMC問題的原因或者內(nèi)部騷擾源是什么,先進行推斷,再結(jié)合測試項目測試圖透過現(xiàn)象看本質(zhì),分析超差原因--把騷擾源搞清楚,把騷擾途徑摸透徹,以便有的放矢.
分析超差原因,可使用高頻示波器或頻譜分析儀加上近場探頭驗證分析結(jié)果,從頻域到時域,再從頻域到時域,分析、尋找產(chǎn)生EMC問題的對應電路和器件.
EMC問題三要素
開關(guān)電源及數(shù)字設備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波,因此會產(chǎn)生很強的輻射.電磁干擾包括輻射型(高頻) EMI、傳導型(低頻)EMI,即產(chǎn)生EMC問題主要通過兩個途徑:一個是空間電磁波干擾的形式;另一個是通過傳導的形式,換句話說,產(chǎn)生EMC問題的三個要素是:電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備.輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環(huán)境;傳導干擾是通過電源線騷擾公共電網(wǎng)或通過其他端子(如:射頻端子,輸入端子)影響相連接的設備.
傳導、輻射
騷擾源-----------------------------(途徑)------------------------------ 敏感受體
近場耦合
IT、AV設備可能的騷擾源
A) FM接收機、TV接收機本機振蕩,基波及諧波由高頻頭、本機振蕩電路產(chǎn)生;
B) 開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及高次諧波,同步信號方波及高頻諧波,行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場信號及高頻諧波;
C) 數(shù)字電路工作需要的各種時鐘信號及高頻諧波、以及它們的組合,各種時鐘如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;
D) 數(shù)字信號方波及高頻諧波,晶振產(chǎn)生的高次諧波,非線性電路現(xiàn)象(非線性失真、互調(diào)、飽和失真、截止失真)等引起的無用信號、雜散信號;
E) 非正弦波波形,波形毛剌、過沖、振鈴,電路設計存在的寄生頻率點.
F) 對于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場.
電磁騷擾的特性
① 單位脈沖的頻譜最寬;
② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積,高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度;
③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數(shù)字電路才能按一定的時序工作,使晶振產(chǎn)生的騷擾呈現(xiàn)覆蓋帶
寬、騷擾電平高的特點;
④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時,EMI輻射和接受最嚴重;收發(fā)天線面積越大, EMI危害逾大;
⑤ 騷擾途徑:輻射,傳導,耦合和輻射、傳導、耦合的組合.
⑥ 電源線傳導騷擾主要由共模電流產(chǎn)生;
⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環(huán)路產(chǎn)生.
EMC設計
前面已經(jīng)提過,EMC的根本問題,解決EMC問題的根本辦法,無論從市場經(jīng)濟的原則出發(fā),還是從其它方面考慮,都是趁早進行EMC設計.從設計立項的一開始,就把EMC要求納入設計任務書,作為設計的輸入之一.EMC設計,簡單地說,就是仔細預測可能發(fā)生的各種EMC問題,進行方案和電路的優(yōu)化選型,尋找一
種優(yōu)化電路、機械結(jié)構(gòu)和PCB的設計解決方案,提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量,確保達到功能和性能指標的情況下,兼顧成本效益,避免EMC問題.
為抑制和消除騷擾源,減小高頻信號頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗耦合或感應耦合,選用
低速、低輻射器件,選用屏蔽機箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施.
一般來說,EMC設計可分五個層次.以下為五個層次EMC設計要點:
1)的方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結(jié)構(gòu)設計;
對于產(chǎn)品的成功與否,第一層次設計是最基本、最重要的,任何錯誤都意味著該產(chǎn)品項目徹底失
敗.這一層主要EMC考慮體現(xiàn)在:
a) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,盡量選用本身發(fā)射小的芯片,如翻轉(zhuǎn)時間長、工作速率低的器件,多地線腳的芯片(芯片實質(zhì)就是集成度較高的電路模塊,封裝時多裝地線腳,可以減小高速差模電流環(huán)面積S,相應地減小芯片的發(fā)射);避免使用大功率、高損耗器件,它們往往是大的輻射源;
b) 保證所選器件不工作在非線性區(qū),以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源.
c) 電路和機械結(jié)構(gòu)設計除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外,主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;
d) 電路設計或方案應不使數(shù)字信號波形產(chǎn)生過沖,應使無用的諧波振蕩幅度最小,使無用的高次諧波成分最少,避免引發(fā)強烈的電磁騷擾;
e) 對集總參數(shù)電路,增加阻尼、 減小Q值,防止振蕩;
2)PCB的EMC設計;
對于產(chǎn)品的成功與否, PCB的EMC設計是重要的一環(huán).PCB設計不合理,會產(chǎn)生無法補救的后果;
PCB良好的EMC設計,有事半功倍的效果.PCB的EMC設計應遵循以下內(nèi)容:
a) 盡量減小所有的高速信號及時鐘信號線構(gòu)成的環(huán)路面積,連接線要盡可能短,并使信號線緊鄰地回路;
b) 使用小型化器件和多層線路板,多層印制板可緊縮布線空間,高頻特性好,容易實現(xiàn)EMC;
c) 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號的屏蔽和隔離要求,先確定所需信號層數(shù),然后考慮成本的前提下,增加地平面和電源層是PCB EMC設計最好的措施之一;
d) 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣,元件面下面為地平面,關(guān)鍵電源平面與其對應的地平面相鄰,相鄰層的關(guān)鍵信號不跨區(qū),所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號與地平面相鄰,盡量避免兩信號層相鄰;
e) 個別電源層、地層不能作為一個連續(xù)的平面時,采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng),有效減小電流環(huán)路面積,減小公共阻抗R,加大信號與地層分布電容;
f) 線路板布線設計時順序考慮:電源和地/時鐘線/信號線,布線應該短、直、粗、勻,不要直角和突變,不應有“之”字形,用圓角代替尖銳走線,盡可能加寬電源和地的布線,電源和地層的分割,盡量符合微帶線和帶狀線要求;
g) 走線盡可能遠離騷擾源,布線考慮鐵氧體材料的使用,預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
3)電與接地、高速信號線路及內(nèi)部線纜的EMC設計;
PCB的EMC設計中也提到供電與接地、高速信號線路的EMC設計,此外,還應遵循以下內(nèi)容:
a)芯片間使用低阻抗地連接(地平面),不同芯片供電腳間阻抗盡量小,芯片供電腳(意思是離芯片供電腳很近的供電線上)與地間接高頻旁路電容,供電布線預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;
b) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環(huán)面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣,關(guān)鍵電源線與其對應的地線相鄰,所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號線與地線相鄰,盡量避免兩信號線相鄰;
c) 為避免接地線長度過長(接近λ/4),可采用多點就近接地,接地線高頻阻抗要小;
d) 減小電纜的天線效應及減小偶極子天線效應,跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜,內(nèi)導線采用多股雙絞線,使空間場互抵,屏蔽層可作為回線;
e) 機內(nèi)采用屏蔽線防止感應噪聲;
f) 濾波器的輸入輸出線應拉開距離,忌并行走線,以免影響濾波效果;
h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射;
4) 屏蔽設計;
屏蔽好的要求有三:完整的電連續(xù)體;濾波措施;良好的接地.
對于信息技術(shù)IT類設備,當主板及配置選定的情況下,提高整機的屏蔽效果和各個部分的隔離效果
非常重要,尤其個人計算機和液晶顯示器.這里只說屏蔽設計:
a)計算機機殼內(nèi)騷擾場強較大,機殼塑料部分未涂導電材料或所涂導電材料不佳,機箱有孔洞、縫隙,不
是一個完整電連續(xù)體,進出線濾波不好,最終都可導致輻射騷擾超出限值.機箱為了更好屏蔽電磁輻射,既能照顧到機箱的散熱需求,又能有效地防止電磁波的衍射,開孔尺寸一般不超過4mm;
b) 根據(jù)產(chǎn)品實際進行屏蔽設計,端口、通風孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考
慮的因素;
c) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導電材料的外殼(接縫處要噴涂導電材料);
d) 為了將輻射減到最小,盡量使用通過了CQC (EMC方面)自愿認證的機箱;
e) 為保證機箱的密封性,要使用精密模具沖壓成型,設計適當?shù)膹楛c和卷邊;
f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等
5)輸入/輸出的濾波設計
電源線濾波和信號線濾波的重要性并不亞于機箱屏蔽,濾波關(guān)鍵是針對EMC要求,兼顧達標和經(jīng)濟的原則.在I/O接口部位,一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器.在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸波作用.設計或使用信號線濾波器時,濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男?
號頻率.
a)傳導騷擾問題處理的方法主要是低通濾波.在1MHz以上時,傳導發(fā)射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的,須綜合運用抑制傳導發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施,如屏蔽、去耦和濾波;
右圖是一個高性能電源濾波電路,有二級共模和一級差模濾波,共模和差模騷擾抑制能力較強,適用于要求抑制較強騷擾發(fā)射的
場合.
b)濾波電路的衰減性能與源和負載的阻抗關(guān)系很大,失配越大,濾波器衰減電磁騷擾的效果越好.大多數(shù)情況下,電源線表現(xiàn)為低阻抗,則濾波器的輸入端應為高阻抗.另一方面,設備既可能為高阻抗,也可能為低阻抗.對于線性電源高阻抗,為獲得阻抗失配,負載端應設計為低阻抗.對于開關(guān)電源和同步電機這樣的低阻抗設備,負載端設
計為高阻抗.
c) 減共模和差模電容,加減共模和差模線圈,調(diào)整電容參數(shù)和線圈匝數(shù),共模和差模插入損耗對頻率的曲線都可改變.濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流.它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容.
共模電容的容量越大,共模阻抗越小,共模騷擾抑制效果越好,但安全標準規(guī)定泄漏電流不能過大.
d) 電源濾波器安裝位置應靠近電源線入口處,如能做成與接口一體化更好.對于金屬屏蔽機箱,選用獨立電源屏蔽濾波器,安裝在電源線入口處,并確保濾波器外殼與設備機箱(地)良好電接觸,這樣的效果是最
好的.濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構(gòu)件上.
給企業(yè)的建議
一、 了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法
則,堅持利用EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題;遇到PCB必須重新設計或結(jié)構(gòu)必須重新設計時,大家只有后悔EMC考慮得遲了.治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲,解決EMC問題是一樣的道理.
二、 當產(chǎn)品的EMC不符合要求需要整改時,首先要如同治病一樣,診斷出電磁騷擾源、耦合途徑,
然后利用EMC設計要點中提到的方法,對癥下手,綜合運用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實施改進.
改進途中,測試再不通過,先檢討問題判斷是否正確?對策是否失誤?使用器件參數(shù)是否需要調(diào)整?不要一下子就改變初衷,應不慌不忙.整改時要特別注意,正確診斷出電磁騷擾源、耦合途徑后,采用EMC抑制器件時,不但要選擇合適,而且所用器件要貨真價實,才不會久治不愈.
三、 工廠應對關(guān)鍵生產(chǎn)工序進行識別,關(guān)鍵工序操作人員應加以培訓,制定相應的工藝作業(yè)指
導書或標準樣件(可以采取拍照給出圖片的方式),使生產(chǎn)過程受控.取最簡化而且EMC又有一定裕量的樣機作為標準件,核對生產(chǎn)、裝配工藝,檢驗時,著重進行EMC關(guān)鍵元器件和材料的檢驗/驗證,以及裝配工藝一致性檢查.
四、 為驗證產(chǎn)品持續(xù)符合標準要求,工廠應在適當階段對產(chǎn)品進行確認檢驗(本身不具備檢測條件
時,抽樣送有能力的機構(gòu)進行檢驗),以確保產(chǎn)品持續(xù)符合EMC要求,萬一變化亦能及時發(fā)現(xiàn).
五、 當產(chǎn)品EMC關(guān)鍵件要改變、調(diào)整時,應用新的器件替換原器件重新制造幾臺樣機進行測試,確認EMC關(guān)鍵件改變和調(diào)整對整機EMC的影響.
小結(jié)
了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法,EMC會變得有規(guī)可循的,堅持EMC規(guī)律,趁早考慮和解決EMC問題,即可省時省力,事半功倍.
在EMC工作方面,比照老中醫(yī)看病方式,據(jù)癥施治,有意識帶點人性化,能提高解決問題的興趣.
EMC 90%是設計出來的,整改出來的極少、極少.治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲.道理簡單,更需重視.
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