电磁干扰

熟悉电源电路设计的朋友们都知道,在LED电源的设计过程中,电磁干扰EMI是个不小的难题,那么如何能解决这个问题?本文将从这一角度来分享对电磁兼容性的处理,让电磁干扰不再是难题!

电磁兼容(EMC)是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收,以及这种能量所引起的有害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下,涉及电磁现象的 不同设备都能够正常运转,而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。习惯上说,EMC包含EMI(电磁干扰)和EMS(电磁敏感性)两个 方面。

电磁干扰(EMI)是指任何在传导或电磁场伴随着电压、电流的作用而产生会降低某个装置、设备或系统的性能,或产生不良影响的电磁现象。

LED电源电磁干扰,工程师要考虑的主要方面有:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。

一,影响EMC的几个因素

(1)驱动电源的电路结构

最初的LED电源就是线性电源,但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量。线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有将压装置,一般的都是变压器,再经过整流输出直流电压。虽然笨重,发热量大,优点是,对外干扰小,电磁干扰小,也容易解决。

而现在使用比较多的LED开关电源,都是以PWM形式的LED驱动电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小,因此功率半导体器件上所产生的损耗也很小。缺点比较明显的是,电磁干扰(EMI)也更严重。

(2)开关频率

LED电源的电磁兼容出现问题一般是开关电路的电源中。而开关电路是开关电源的主要干扰源之一。

开关电路是LED驱动电源的核心,开关电路主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。

这种高频脉冲干扰产生的主要原因是:开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载。

开关脉冲尖峰

图1:开关脉冲尖峰的产生

导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,电路中形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。

高频脉冲产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在LED电源系统中,开关电路产生电流尖峰信号,而当负载电流变化时也会产生电流尖峰信号。这就电磁干扰根源之一。

(3)接地

在所有EMC题目中,主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在开关电路频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。

(4)PCB设计

适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

(5)智能LED电源的复位电路设计

在LED电源中,有不少智能LED电源采用单片机控制,并且有的LED电源采用单片机控制开关电路的占空比,单片机的看门狗系统对整个LED电源的运行起着特别重要的作用,由于所有的干扰源不可能全部被隔离或往除,一旦进进CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:

①外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。这样,假如程序系统陷进一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。

②现在越来越多的LED电源都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了,但是,有些智能LED电源的控制电路复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失往监控作用。

二,对干扰措施的硬件处理方法

要解决LED驱动电源的电磁干扰问题,可从以下几个方面入手:

1. 减少开关电源本身的干扰

①软开关技术:在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的du/dt和di/dt,使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠。

②开关频率调制技术:通过调制开关频率fc,把集中在fc及其谐波2fc、3fc…上的能量分散到它们周围的频带上,以降低各个频点上的EMI幅值。

③元器件的选择:选择不易产生噪声、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值得注意的是,二极管和变压器等绕组类元器件的选用。反向恢复电流小、恢复时间短的快速恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。

④合理使用电磁干扰滤波器:EMI滤波器的主要目的之一,电网噪声是电磁干扰的一种,它属于射频干扰(RFI),其传导噪声的频谱大致为10KHz~30MHz,最高可达150MHz。

在一般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的干扰较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。欲削弱传导干扰,最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。

LED电源一般采用简易式单级EMI滤波器,主要包括共模扼流圈和滤波电容。

图2为常用的LED电源滤波器,L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。当出现共模干扰时,由于L中两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不容易通过,故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性,断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。

图2:常用的LED电源滤波器

⑤EMI滤波器能有效抑制开关电源适配器的电磁干扰

图3中曲线a为不加EMI滤波器时开关电源适配器上0.15MHz~30MHz传导噪声的波形。

曲线b是加入EMI滤波器后的波形,它能将电磁干扰衰减50分贝(Uv)~70分贝(uV)。显然,插入EMI滤波器的效果更佳。

设置电磁干扰滤波器加入前后传输到负载上的噪声电压分别为U1和U2,计算公式是20lgU1/U2。

插入损耗用分贝dB表示,分贝值愈大,说明抑制噪声干扰的能力愈强。

测量加入损耗的电路如图3所示。e是噪声信号发生器,Zi是信号源的内部阻抗,ZL是负载阻抗,一般取50欧姆。噪声频率范围可选10KHz~30MHz。首先要在不同频率下分别测出加入EMI滤波器前后负载两端的噪声压降U1、U2,再代入公式20lgU1/U2计算出每个频点的插入损耗值,最后汇出插入损耗曲线。

图3:加入EMI滤波器前后的情况

2. 切断干扰信号的传播途径;

①电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。

②改善PCB板的电磁兼容性设计

PCB是LED电源系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对LED电源系统的电磁兼容性影响很大。

实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对LED电源系统的可靠性产生不利影响。

PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地,其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。

图4:正确选择选择主滤波电容引脚作为集中接地点

还有,一般变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为50HZ左右,而地线布线不当导致的交流声,由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ,仔细区分还是可以察觉的。

正确的布线方法是如图4,选择主滤波电容引脚作为集中接地点,强、弱信号地线严格区分开,在总接地点汇总。

因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。

3. 增强受干扰体的抗干扰能力。

在LED电源系统中输进/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:

①采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进进。

②在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。

③防雷击措施

室外使用的LED电源系统或从室外排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(TransientVoltageSuppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。

因此,LED电源电磁电磁干扰要控制技术主要有:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。能正确合理的对这些问题进行解决,通过LED驱动电源顺利通过3C认证,不是问题!

来源:EDN电子技术设计

围观 184

单端数据传输仅使用一条信号线,其电势被看作接地。在信号线为信号电流提供正向通道时,接地线会提供回流通道。图 1 显示了单端传输通道的基本原理图。

图 1 单端传输通道

单端接口的主要优点可概括为简洁性和较低的实施成本。然而,它们极易受噪声拾取的影响,因为引入到信号或者接地通道的噪声直接加到接收机输入,从而引起伪接收机触发。另一个问题是串扰,特别是在一些更高频率条件下,其为邻近信号和控制线路之间的电容和电感耦合。最终,由于信号线迹和接地层之间的物理差异,单端系统中产生的横向电磁波 (TEM) 会辐射到电路环境中,从而成为邻近电路的巨大电磁干扰源(EMI)。

差动信号传输使用由两条导线组成的信号对:一个用于正向电流,而另一个用于返回电流。每个信号导线均有一个共模电压 VCM,其由 50% 差动驱动器输出 VOD 叠加,但极性相反(参见图 2)。

图 2 差动传输通道

当差动对的导线彼此接近时,引入到两个导线的电耦合外部噪声均匀地表现为接收机输入端的共模噪声。具有差动输入的接收机仅受信号差的影响,但不受共模信号的影响。因此,接收机不但抑制了共模噪声,同时还保持了信号完整性。

图 3 从单导线周围的大散射磁场和差动信号线对紧耦合导线回路之外的小散射磁场辐射出的 TEM 波

紧电子耦合还有另外一个好处。两个导线中大小相等但极性相反的电流,会形成一些相互抵消的磁场。两个导线的 TEM 波,现在其磁场被抢走,因此无法辐射到环境中。只有一些非常小的导线环路外部边缘电场可以辐射,从而产生极小的 EMI。

应用

紧靠系统控制器使用时,单端接口允许相对较高的频率(高达 70 MHz)。差动接口具有极高的抗噪性,可以大大低低 EMI,因此可以在高达 500 MHz 甚至更高的频率下传输数据。

最常用的数据转换器接口是内部集成电路总线 (I2C)、串行外设接口总线 (SPI) 和低压差动信号传输接口 (LVDS)。

来源:畅学电子(changxuedianzi)

围观 290

随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域,单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。

如果一个单片机系统符合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:
① 对其它系统不产生干扰;
② 对其它系统的发射不敏感;
③ 对系统本身不产生干扰。

假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多电磁发射源,如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真,在系统中应该把它们去掉。另外,在单片机系统中,最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

1、干扰的耦合方式

(1)传导性EMI

一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前,用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

(2)公共阻抗耦合

当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

(3)辐射耦合

经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

(4)辐射发射

辐射发射有两种基本类型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

2、影响EMC的因数

① 电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

② 频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

③ 接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时,可采用单点接地方法,但不适于高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

⑤ 电源去耦。当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt 产生大范围高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3、印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证明,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,如果印刷板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

3.1 PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB,应遵循以下一般性原则。

(1)特殊元器件布局

首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则:

① 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。

② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③ 重量超过15 g的元器件,应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印刷板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

(2)一般元器件布局

根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:

① 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。

② 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③ 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列,这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量

④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。

(3)布线

布线的原则如下:
① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加线间地线,以免发生反馈
② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1~0.2 mm。
③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

(4)焊盘

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。

3.2 PCB及电路抗干扰措施

印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。

(1)电源线设计

根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻;同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。(2)地线设计

在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。

在地线设计中应注意以下几点:

① 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。

② 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。

③ 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。

④ 接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

(3)退耦电容配置

PCB设计的常规做法之一,是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。

退耦电容的一般配置原则是:
① 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。
② 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01 pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容。
③ 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。
④ 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

此外,还应注意以下两点:
① 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2 kΩ,C取2.2~47μF。
② CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

(4)振荡器

几乎所有的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

(5)防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千A的电流。

转自:电磁兼容之家

围观 396

电子设备的电子信号和处理器的频率不断提升,电子系统已是一个包含多种元器件和许多分系统的复杂设备。高密和高速会令系统的辐射加重,而低压和高灵敏度 会使系统的抗扰度降低。

因此,电磁干扰(EMI)实在是威胁着电子设备的安全性、可靠性和稳定性。我们在设计电子产品时,PCB板的设计对解决EMI问题至关重要。

本文主要讲解PCB设计时要注意的地方,从而减低PCB板中的电磁干扰问题。

电磁干扰(EMI)的定义

电磁干扰(EMI,Electro MagneTIc Interference),可分为辐射和传导干扰。辐射干扰就是干扰源以空间作为媒体把其信号干扰到另一电网络。而传导干扰就是以导电介质作为媒体把一 个电网络上的信号干扰到另一电网络。在高速系统设计中,集成电路引脚、高频信号线和各类接插头都是PCB板设计中常见的辐射干扰源,它们散发的电磁波就是 电磁干扰(EMI),自身和其他系统都会因此影响正常工作。

针对电磁干扰(EMI)的PCB板设计技巧

现今PCB板设计技巧中有不少解决EMI问题的方案,例如:EMI抑制涂层、合适的EMI抑制零件和EMI仿真设计等。现在简单讲解一下这些技巧。

1、共模EMI干扰源(如在电源汇流排形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端形成的电压降)

  •  在电源层用低数值的电感,电感所合成的瞬态信号就会减少,共模EMI从而减少。

  •  减少电源层到IC电源引脚连线的长度。

  •  使用3-6 mil的PCB层间距和FR4介电材料。

2、电磁屏蔽

  •  尽量把信号走线放在同一PCB层,而且要接近电源层或接地层。

  •  电源层要尽量靠近接地层

3、零件的布局 (布局的不同都会影响到电路的干扰和抗干扰能力)

  •  根据电路中不同的功能进行分块处理(例如解调电路、高频放大电路及混频电路等) ,在这个过程中把强和弱的电信号分开,数字和模拟信号电路都要分开

  •  各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐,这样可以提高电路的抗干扰能力和减少被干扰的机会。

  •  易受干扰的零件在布局时应尽量避开干扰源,例如数据处理板上CPU的干扰等。

4、布线的考虑(不合理的布线会造成信号线之间的交叉干扰)

  •  不能有走线贴近PCB板的边框,以免于制作时造成断线。

  •  电源线要宽,环路电阻便会因而减少。

  •  信号线尽可能短,并且减少过孔数目。

  •  拐角的布线不可以用直角方法,应以135°角为佳。

  •  数字电路与模拟电路应以地线隔离,数字地线与模拟地线都要分离,最后接电源地。

  •  减少电磁干扰是PCB板设计重要的一环,只要在设计时多往这一边想自然在产品测验如EMC测验中便会更易合格

转自:博客园 - 苍月代表我

围观 381

目前,许多大学及科研单位都进行了开关电源EMI(Electromagnetic Interference)的研究,他们中有些从EMI产生的机理出发,有些从EMI 产生的影响出发,都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案,并为开关电源EMI 的抑制措施提出新的参考建议。

开关电源电磁干扰的产生机理

开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种,若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明:

1、二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

2、开关管工作时产生的谐波干扰

功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。

3、交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。

开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

4、其他原因

元器件的寄生参数,开关电源的原理图设计不够完美,印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置,具有很大的随意性,PCB的近场干扰大,并且印刷板上器件的安装、放置,以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置,开关电源的电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器 和高平变压器,相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高(从几十千赫和数兆赫兹),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板 (PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。

EMI测试技术

目前诊断差模共模干扰的三种方法:射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法,但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单(见图1),测量结果可直接与标准限值比较,但只能测量共模干 扰。噪声分离网络是最理想的方法,但其关键部件变压器的制造要求很高。

几种有效的开关电源电磁干扰抑制措施

目前抑制干扰的几种措施

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是 消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径(见图2);第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措 施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如,功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安 装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过器 件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断了 射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射,电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩 与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干 扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥 静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线 后,最终都与大地相连。

在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现 “一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地, 需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、 高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。

滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电 源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器, 并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。

几种有效的开关电源电磁干扰抑制措施

EMI滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施,可以滤除多种原因产生的传导干扰。图3是一种由电容、电感组成的EMI滤波器,接在开关电源的 输入端。电路中,C1、C5是高频旁路电容,用于滤除两输入电源线间的差模干扰;L1与C2、C4;L2与C3、C4组成共模干扰滤波环节,用于滤除电源线与地之间非对称的共模干扰;L3、L4的初 次级匝数相等、极性相反,交流电流在磁芯中产生的磁通相反,因而可有效地抑制共模干扰。测试表明,只要适当选择元器件的参数,便可较好地抑制开关电源产生 的传导干扰。

现有的抑制措施大多从消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径出发,这确是抑制干扰的一种行之有效的办法,但很少有人涉及直接控制干扰源,消除干扰,或提高受扰设备的抗扰能力,殊不知后者还有许多发展的空间。

改进措施的建议

目前从电磁干扰的传播途径出发来抑制干扰,已渐进成熟。我们的视点要回到开关电源器件本身来。从多年的工作实践来看,在电路方面要注意以下几点:

(1)印制板布局时,要将模拟电路区和数字电路区合理地分开,电源和地线单独引出,电源供给处汇集到一点;PCB布线时,高频数字信号线要用短线,主要信号线最好集中在PCB板中心,同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。其次,可以根据耦合系数来布线,尽量减少干扰耦合。(见表1)

几种有效的开关电源电磁干扰抑制措施

(2)印制板的电源线和地线印制条尽可能宽,以减小线阻抗,从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。

(3)器件多选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度,以减小元件分布电感的影响。

(4)在Vdd及Vcc电源端尽可能靠近器件接入滤波电容,以缩短开关电流的流通途径,如用10μF铝电解和0 1μF电容并联接在电源脚上。对于高速数字IC的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容,因为钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。

结论

产生开关电源电磁干扰的因素还很多,抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种噪声会使开关电源得到更广泛的应用。

转自:电子工程世界

围观 349

一直以来,设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼,尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰,设计人员通常会在设计原理图和绘制布局时,通过降低高di / dt的环路面积以及开关转换速率来减小噪声源。

但是,有时无论布局和原理图的设计多么谨慎,仍然无法将传导EMI降低到所需的水平。这是因为噪声不仅取决于电路寄生参数,还与电流强度有关。另外,开关打开和关闭的动作会产生不连续的电流,这些不连续电流会在输入电容上产生电压纹波,从而增加EMI。

因此,有必要采用一些其他方法来提高传导EMI的性能。本文主要讨论的是引入输入滤波器来滤除噪声,或增加屏蔽罩来锁住噪声。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图1 EMI滤波器示意简图

图1是一个简化的EMI滤波器,包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。 通常,DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声),CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。 但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。

图2显示了一个不带滤波器的输入引线噪声,包括正向噪声和负向噪声,并标注了这些噪声的峰值水平和平均水平。 其中,该被测系统主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1输出5V/5A,并给后续芯片TPS65263QRHBRQ1供电,同时输出1.5V/3A,3.3V/2A以及1.8V/2A。 这两个芯片都工作在2.2MHz的开关频率下。 另外,图中显示的传导EMI标准是CISPR25 Class 5(C5)。有关该系统的更多信息,请查阅应用笔记SNVA810。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图2 C5标准下的噪声特性(无滤波器)

图3显示了增加一个DM滤波器后的EMI结果。 从图中可以看出,DM滤波器衰减了中频段DM噪声(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高频段噪声(30MHz至100MHz)也有所降低,但仍超过限制水平。这主要是因为DM滤波器对于高频段CM噪声的滤除能力有限。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图3 C5标准下的噪声特性(带DM滤波器)

图4显示了增加CM和DM滤波器后的噪声特性。 与图3相比,CM滤波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪声。 并且EMI性能也通过了CISPR25 C5标准。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图4 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器)

图5显示了不同布局下带CM和DM滤波器的噪声特性,其中滤波器与图4相同。但与图4相比,整个频段的噪声增加了大约10dBμV/ m,高频噪声甚至还超出CISPR25 C5标准的平均值。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图5 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器,不同布局)

图4和图5之间噪声结果的不同主要是由于PCB布线差异所致,如图6所示。图5的布线中(图6的右侧),大面积覆铜(GND)包围着DM滤波器,并和Vin走线形成了一些寄生电容。 这些寄生电容为高频信号旁路滤波器提供了有效的低阻抗路径。 因此,为了最大限度地提高滤波器的性能,需要移除滤波器周围所有的覆铜,如图6左侧的布线。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图6 不同的PCB布线

除了增加滤波器外,另一种优化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 这是因为连接着GND的金属屏蔽罩可以阻止噪声向外辐射。 图7推荐了一种屏蔽罩的摆放方法。该屏蔽罩恰好覆盖了板上所有的元器件。

图8显示了增加滤波器和屏蔽罩之后的EMI结果。 如图所示,整个频段的噪声几乎都被屏蔽罩消除,EMI性能非常好。 这主要是因为等效为天线的长输入引线会耦合大量辐射噪声,而屏蔽罩恰好隔绝了它们。在本设计中,中频噪声也会采用这种方式耦合到输入引线上。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图7 带屏蔽罩的PCB 3D模型

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图8 C5标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽罩)

图9也显示了带滤波器和屏蔽罩的噪声特性。与图8 不同的是,图9中屏蔽罩是一个金属盒,它包裹了整个电路板,且只有输入引线裸露在外面。 虽然有了这个屏蔽罩,但一些辐射噪声仍然可以绕过EMI滤波器并耦合到PCB上的电源线,这将会导致比图8更差的噪声特性。有趣的是,图4,图8和图9中(相同的布局布线)高频带的噪声特性几乎相同。 这是因为在增加EMI滤波器后,能耦合到输入线上的高频段辐射噪声几乎已经不存在了。

不再头疼EMI问题,有效降低传导辐射干扰技巧集锦
图9 C5标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽金属盒)

综合来说,增加EMI滤波器或者屏蔽罩都能有效的改善EMI性能。但是与此同时,滤波器的布局布线以及屏蔽罩的摆放位置需要仔细斟酌。

转自:电磁兼容之家

围观 378

低功耗、高速度、高集成度的LSI电路是成众多电子产品的首要考虑,这也就导致装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。此外,大功率家电及办公自动化设备的增多,以及移动通信、无线网络的广泛应用等,又大大增加了电磁骚扰源。这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注。

电磁兼容

采用一定的技术手段,使同一电磁环境中的各种电子、电气设备都能正常工作,并且不干扰其他设备的正常工作,这就是电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,缩写为EMC)。

在国家标准GB/T4365-1995中对电磁兼容严格的定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

电磁兼容性包括两方面:电磁干扰(electromagnetic interference ;EMI)、电磁耐受(electromagnetic susceptibility; EMS)。

一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI

EMI指的是电气产品本身通电后,因电磁感应效应所产生的电磁波对周围电子设备所造成的干扰影响;
EMS则是指电气产品本身对外来电磁波的干扰防御能力。
其中EMI包括:CE(传导干扰),RE(辐射干扰),PT(干扰功率测试)等等。
EMS包括:ESD(静电放电),RS(辐射耐受),EFT/B(快速脉冲耐受),surge(雷击),CS(传导耐受)等。
一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI
常见的骚扰源

显然,EMC 设计的目的就是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中能够实现电磁兼容。换而言之,就是说设计的电子设备或系统必须能够满足EMC 标准规定的两方面的能力。

常见EMC测试项目

一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI

电磁干扰(EMI)的原理

EMI的产生原因

各种形式的电磁干扰是影响电子设备兼容性的主要原因。因此,了解电磁干扰的产生原因是抑制电磁干扰,提高电子产品电磁兼容性的重要前提。电磁干扰的产生可以分为:

1.内部干扰内部电子元件之间的相互干扰

(1)工作电源通过线路的分布电源和绝缘电阻产生漏电造成的干扰。
(2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合,或导线之间的互感造成的影响。
(3)设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身及其他元件的稳定性造成的干扰。
(4)大功率和高点压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其他部件造成的干扰。

2.外部干扰——电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的影响。

(1)外部高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统。
(2)外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统。
(3)空间电磁对电子线路或系统产生的干扰。
(4)工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰。

电磁干扰的传播途径

1.当干扰源频率较高,且干扰信号波长比被干扰对象结构尺寸小,则干扰信号可认为是辐射场,以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量,并进入被干扰对象的通路。
2.干扰信号以漏电和耦合的形式,通过绝缘电介质,经公共阻抗的耦合进入被干扰系统。
3.干扰信号可通过直接传导方式进入系统。

改善电磁兼容性的措施

要改善电子产品的电磁兼容性,接地、屏蔽和滤波是抑制EMI的基本方法。

1.接地

接地就是一个系统内电气与电子元件至地参考点之间的电传导路径。接地除了提供设备的安全保护地以外,还提供设备运行所必需的信号参考地。理想的接地平面是一个零电位、零阻抗的物理体,它可作为电路中所有信号点评的参考点,并且任何干扰信号通过它,都不会产生电压降。但是,理想的接地平面是不存在的,这就需要我们考虑和分析地电位分布,进行接地设计与研究,找出合适的接地电位。

一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI

接地的方式可分为:浮地、单点接地、多点接地、混合接地。对于电路系统来说可选择:电路接地、电源接地和信号接地等方法。

2.屏蔽

屏蔽就是用导电或电磁体的封闭面将其内外两侧空间进行电磁性隔离。主要抑制过空间的辐射干扰。分为电磁屏蔽、电场屏蔽和磁场屏蔽。

屏蔽的设计既可以针对干扰源,也可以针对被干扰体。对于干扰源,设计屏蔽部分可以使其减小对周边其他设备的影响

对于被干扰体,则可减小外界干扰电磁波对本设备的影响。

主动屏蔽:把干扰源置于屏蔽体之内,防止电磁能量和干扰信号泄漏到外部空间。
被动屏蔽:把敏感设备置于屏蔽体内,使其不受外部干扰的影响。

3.滤波

滤波的含义是指从混有噪声或干扰的原信号中,提取到有用信号的一门技术,滤波器是实现滤波的元器件。

事实上,器件在工作时,也会产生各种各样的噪声。开关电源就是一种很强的干扰源,它产生的EMI信号即占有很宽的频率范围,又具有较大的振幅。这些噪声随着信号的传播,对下一级的元器件产生了干扰,这样的干扰一级级的累积,最终可能导致整个电路的不正常工作。假设在产生噪声大,对下级器件干扰明显的器件输出信号之后做一次滤波,将噪声信号滤掉,它对下级产生的干扰便会降低,系统便能稳定的工作。

EMC滤波器的分类

① 反射式滤波器
由电感器和电容器组成,利用反射或旁路,使干扰信号不能通过。

② 损耗滤波器
选用具有高损耗系数或高损耗角正切的材料,把高频电磁能量通过涡流转换成热能。
例如:铁氧体管,铁氧体磁环,磁环扼流圈等。

③ 有源滤波器
使用晶体管等有源器件,以较小的体积和重量可以提供较大值的等效L和C。
有源电感滤波器:用晶体管模拟电感线圈的频率特性(f越高,阻抗越大)。
有源电容滤波器:用晶体管模拟电容器的频率特性(f越高,阻抗越小)。
对消滤波器(陷波器):能产生与干扰信号幅度相同,相位相反(差180°)的电流,把干扰信号抵消。

电磁兼容认证

产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求,经过认证机构测试确认,并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求。

在我国EMC认证已纳入3C认证范围(中国强制认证,英文名称为“China Compulsory Certification”,英文缩写为“CCC”,也可简称为“3C”),国家对有强制性电磁兼容国家标准或强制性电磁兼容行业标准以及标准中有电磁兼容强制条款的产品实行安全认证制度,对这些实施电磁兼容安全认证的产品在进入流通领域实施强制性监督管理(没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域)。

对有推荐性电磁兼容国家标准或推荐性电磁兼容行业标准的产品实行合格认证制度,企业可以根据自愿的原则向认证机构申请认证。

一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI
中国3C认证标志

一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI
CE认证标志(欧共体)

EMC认证机构:中国电磁兼容认证委员会 (CEMC)
一文看懂电磁兼容EMC和电磁干扰EMI

认证测试必须在国家技术监督局认可的EMC测试机构进行。

电磁兼容技术包括了对电磁学、电子学、材料学、等多方面知识的综合。随着电子产品的日益普及以及对电磁危害的逐渐认识,减小电磁干扰已经成为了目前电子科学界的重要课题,如今的电路都已集成化、模块化,所以现在的电路分析和设计也可以说成是系统的分析和设计,相信对这门技术的深入研究会对今后的电子产品性能的提高有显著影响。

来源: eechina.com

围观 446

一、影响EMC的因数

1、频率

高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

2、电压

电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

3.接地

在所有EMC题目中,主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。

4、电源往耦

当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt产生大范围的高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

5、PCB设计

适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

二、对干扰措施的硬件处理方法

1、输入/输出的电磁兼容性设计

在单片机系统中输进/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:

①采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进进。

②在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。

2、振荡器

大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜伏的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

3、印刷线路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,假如印刷电路板的两条细平行线靠的很近,会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。

4、防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。

5、单片机复位电路的设计

在单片机系统中,看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用,由于所有的干扰源不可能全部被隔离或往除,一旦进进CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:

①外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。然而,他们各有优缺点,大部分专用“看门狗”芯片对低频“喂狗”信号不能响应,而高频“喂狗”信号都能响应,使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作,这样,假如程序系统陷进一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而,我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。

②现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了,但是,有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失往监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好,一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行,假如有一定错误则该“喂狗”操纵无效,这样就大大进步了复位电路的可靠性。

三、对干扰措施的软件处理方法

电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下(比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下)是无法完全消除的,终极将会进进CPU处理的的核心单元,这样在一些大规模集成电路经常会受到干扰,导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,往往会在强干扰下发生翻转,使原来存储的“0”变为“1”,或者“1”变为“0”;一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变;更严重的会破坏一些重要的数据参数等;造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。

1、对RAM和FLASH(ROM)的检测

在编制程序时我们最好是写进一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码,看有无发生错误,一旦发生要立即纠正,纠正不了的要及时给出错误指示,以便用户往处理。

另外,在编制程序时加进程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加进三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时,在程序的运行状态中要引进标志数据和检测状态,从而及时发现和纠正错误产生。

2、程序会由于电磁干扰大致会一下几种情况:

①程序跑飞。这种情况是最常见的干扰结果,一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可,对整个运行系统的不会产生太大的影响。

②死循环或不正常程序代码运行。当然这种死循环和不正常程序代码并非设计职员有意写进的,我们知道程序的指令是由字节组成的,有的是单字节指令而有的是多字节指令,当干扰产生后使得PC指针发生变化,从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可猜测的可执行的程序代码,那么,这种错误是致命的,它会有可能会往修改重要的数据参数,有可能产生不可猜测的控制输出等一系列错误状态。

3、对重要参数储存的措施

一般情况下,我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理,主要思想是在数据写进时,根据写进的数据天生一定位数的校验码,与相应的数据一起保存起来;当读出时,同时也将校验码读出,进行判决。假如出现一位错误则自动纠正,将正确的数据送出,并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据;假如出现两位错误则产生中断报告,通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的,具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计,能大大进步系统的抗干扰能力,从而进步系统的可靠性。

检错与纠错原理:
首先来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加进不同方式的冗余码,以便在信息读出的时候依靠多余的监视码或校码码来发现或自动纠正错误。

针对误码发生的特点,即错误发生的随机性和小概任性,它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位(bit),因此,假如能够设计自动纠正一位错误,而检查两位错误的编码方式。就可以大大进步系统的可靠性。

来源:EMC

围观 472

对电磁干扰的设计我们主要从硬件和软件方面进行设计处理,下面就是从单片机的PCB设计到软件处理方面来介绍对电磁兼容性的处理。

一、影响EMC的因数

1、电压

电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

2、频率

高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

3、接地

在所有EMC题目中,主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。

4、PCB设计

适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

5、电源往耦

当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt产生大范围的高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

二、对干扰措施的硬件处理方法

1、印刷线路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,假如印刷电路板的两条细平行线靠的很近,会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。

2、输入/输出的电磁兼容性设计

在单片机系统中输进/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:

①采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进进。

②在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。

3、单片机复位电路的设计

在单片机系统中,看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用,由于所有的干扰源不可能全部被隔离或往除,一旦进进CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:

①外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。然而,他们各有优缺点,大部分专用“看门狗”芯片对低频“喂狗”信号不能响应,而高频“喂狗”信号都能响应,使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作,这样,假如程序系统陷进一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而,我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。

②现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了,但是,有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失往监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好,一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行,假如有一定错误则该“喂狗”操纵无效,这样就大大进步了复位电路的可靠性。

4、振荡器

大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜伏的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

5、防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。

三、对干扰措施的软件处理方法

电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下(比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下)是无法完全消除的,终极将会进进CPU处理的的核心单元,这样在一些大规模集成电路经常会受到干扰,导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,往往会在强干扰下发生翻转,使原来存储的“0”变为“1”,或者“1”变为“0”;一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变;更严重的会破坏一些重要的数据参数等;造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。

1、程序会由于电磁干扰大致会一下几种情况:

①程序跑飞。

这种情况是最常见的干扰结果,一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可,对整个运行系统的不会产生太大的影响。

②死循环或不正常程序代码运行。

当然这种死循环和不正常程序代码并非设计职员有意写进的,我们知道程序的指令是由字节组成的,有的是单字节指令而有的是多字节指令,当干扰产生后使得PC指针发生变化,从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可猜测的可执行的程序代码,那么,这种错误是致命的,它会有可能会往修改重要的数据参数,有可能产生不可猜测的控制输出等一系列错误状态。

2、对重要参数储存的措施

一般情况下,我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理,主要思想是在数据写进时,根据写进的数据天生一定位数的校验码,与相应的数据一起保存起来;当读出时,同时也将校验码读出,进行判决。假如出现一位错误则自动纠正,将正确的数据送出,并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据;假如出现两位错误则产生中断报告,通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的,具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计,能大大进步系统的抗干扰能力,从而进步系统的可靠性。

检错与纠错原理:

首先来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加进不同方式的冗余码,以便在信息读出的时候依靠多余的监视码或校码码来发现或自动纠正错误。

针对误码发生的特点,即错误发生的随机性和小概任性,它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位(bit),因此,假如能够设计自动纠正一位错误,而检查两位错误的编码方式。就可以大大进步系统的可靠性。

3、对RAM和FLASH(ROM)的检测

在编制程序时我们最好是写进一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码,看有无发生错误,一旦发生要立即纠正,纠正不了的要及时给出错误指示,以便用户往处理。

另外,在编制程序时加进程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加进三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时,在程序的运行状态中要引进标志数据和检测状态,从而及时发现和纠正错误产生。

来源:网络(版权归原著作者所有)

围观 435
订阅 RSS - 电磁干扰