EMC

EMC代表电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility),是一个电子工程领域的重要概念。它涉及到电子设备和系统在电磁环境中的相互影响和互操作性,以确保设备不会干扰彼此,也不会受到外部电磁干扰的影响。

本文主要通过对EMC封装成形的过程中常出现的问题(缺陷)一未填充、气孔、麻点、冲丝、开裂、溢料、粘模等进行分析与研究,并提出行之有效的解决办法与对策。

塑料封装以其独特的优势而成为当前微电子封装的主流,约占封装市场的95%以上。塑封产品的广泛应用,也为塑料封装带来了前所未有的发展,但是几乎所有的塑封产品成形缺陷问题总是普遍存在的,也无论是采用先进的传递模注封装,还是采用传统的单注塑模封装,都是无法完全避免的。相比较而言,传统塑封模成形缺陷几率较大,种类也较多,尺寸越大,发生的几率也越大。

塑封产品的质量优劣主要由四个方面因素来决定:

A、EMC的性能,主要包括胶化时间、黏度、流动性、脱模性、粘接性、耐湿性、耐热性、溢料性、应力、强度、模量等;

B、模具,主要包括浇道、浇口、型腔、排气口设计与引线框架设计的匹配程度等;

C、封装形式,不同的封装形式往往会出现不同的缺陷,所以优化封装形式的设计,会大大减少不良缺陷的发生;

D、工艺参数,主要包括合模压力、注塑压力、注塑速度、预热温度、模具温度、固化时间等。

下面主要对在塑封成形中常见的缺陷问题产生的原因进行分析研究,并提出相应有效可行的解决办法与对策。

1、封装成形未充填及其对策

封装成形未充填现象主要有两种情况:一种是有趋向性的未充填,主要是由于封装工艺与EMC的性能参数不匹配造成的;一种是随机性的未充填,主要是由于模具清洗不当、EMC中不溶性杂质太大、模具进料口太小等原因,引起模具浇口堵塞而造成的。从封装形式上看,在DIP和QFP中比较容易出现未充填现象,而从外形上看,DIP未充填主要表现为完全未充填和部分未充填,QFP主要存在角部未充填。

未充填的主要原因及其对策:

(1)由于模具温度过高,或者说封装工艺与EMC的性能参数不匹配而引起的有趋向性的未充填。预热后的EMC在高温下反应速度加快,致使EMC的胶化时间相对变短,流动性变差,在型腔还未完全充满时,EMC的黏度便会急剧上升,流动阻力也变大,以至于未能得到良好的充填,从而形成有趋向性的未充填。在VLSI封装中比较容易出现这种现象,因为这些大规模电路每模EMC的用量往往比较大,为使在短时间内达到均匀受热的效果,其设定的温度往往也比较高,所以容易产生这种未充填现象。) 对于这种有趋向性的未充填主要是由于EMC流动性不充分而引起的,可以采用提高EMC的预热温度,使其均匀受热;增加注塑压力和速度,使EMC的流速加快;降低模具温度,以减缓反应速度,相对延长EMC的胶化时间,从而达到充分填充的效果。

(2)由于模具浇口堵塞,致使EMC无法有效注入,以及由于模具清洗不当造成排气孔堵塞,也会引起未充填,而且这种未充填在模具中的位置也是毫无规律的。特别是在小型封装中,由于浇口、排气口相对较小,所以最容易引起堵塞而产生未充填现象。对于这种未充填,可以用工具清除堵塞物,并涂上少量的脱模剂,并且在每模封装后,都要用刷子将料筒和模具上的EMC固化料清除干净。

(3)虽然封装工艺与EMC的性能参数匹配良好,但是由于保管不当或者过期,致使EMC的流动性下降,黏度太大或者胶化时间太短,均会引起填充不良。其解决办法主要是选择具有合适的黏度和胶化时间的EMC,并按照EMC的储存和使用要求妥善保管。

(4)由于EMC用量不够而引起的未充填,这种情况一般出现在更换EMC、封装类型或者更换模具的时候,其解决办法也比较简单,只要选择与封装类型和模具相匹配的EMC用量,即可解决,但是用量不宜过多或者过少。

2、封装成形气孔及其对策

在封装成形的过程中,气孔是最常见的缺陷。根据气孔在塑封体上产生的部位可以分为内部气孔和外部气孔,而外部气孔又可以分为顶端气孔和浇口气孔。气孔不仅严重影响塑封体的外观,而且直接影响塑封器件的可靠性,尤其是内部气孔更应重视。常见的气孔主要是外部气孔,内部气孔无法直接看到,必须通过X射线仪才能观察到,而且较小的内部气孔Bp使通过x射线也看不清楚,这也为克服气孔缺陷带来很大困难。那么,要解决气孔缺陷问题,必须仔细研究各类气孔形成的过程。但是严格来说,气孔无法完全消除,只能多方面采取措施来改善,把气孔缺陷控制在良品范围之内。

从气孔的表面来看,形成的原因似乎很简单,只是型腔内有残余气体没有有效排出而形成的。事实上,引起气孔缺陷的因素很多,主要表现在以下几个方面:

A、封装材料方面,主要包括EMC的胶化时间、黏度、流动性、挥发物含量、水分含量、空气含量、料饼密度、料饼直径与料简直径不相匹配等;

B、模具方面,与料筒的形状、型腔的形状和排列、浇口和排气口的形状与位置等有关;

C、封装工艺方面,主要与预热温度、模具温度、注塑速度、注塑压力、注塑时间等有关。

在封装成形的过程中,顶端气孔、浇口气孔和内部气孔产生的主要原因及其对策:

(1)、顶端气孔的形成主要有两种情况,一种是由于各种因素使EMC黏度急剧-上升,致使注塑压力无法有效传递到顶端,以至于顶端残留的气体无法排出而造成气孔缺陷;一种是EMC的流动速度太慢,以至于型腔没有完全充满就开始发生固化交联反应,这样也会形成气孔缺陷。解决这种缺陷最有效的方法就是增加注塑速度,适当调整预热温度也会有些改善。

(2)、浇口气孔产生的主要原因是EMC在模具中的流动速度太快,当型腔充满时,还有部分残余气体未能及时排出,而此时排气口已经被溢出料堵塞,最后残留气体在注塑压力的作用下,往往会被压缩而留在浇口附近。解决这种气孔缺陷的有效方法就是减慢注塑速度,适当降低预热温度,以使EMC在模具中的流动速度减缓;同时为了促进挥发性物质的逸出,可以适当提高模具温度。

(3)、内部气孔的形成原因主要是由于模具表面的温度过高,使型腔表面的EMC过快或者过早发生固化反应,加上较快的注塑速度使得排气口部位充满,以至于内部的部分气体无法克服表面的固化层而留在内部形成气孔。这种气孔缺陷一般多发生在大体积电路封装中,而且多出现在浇口端和中间位置。要有效的降低这种气孔的发生率,首先要适当降低模具温度,其次可以考虑适当提高注塑压力,但是过分增加压力会引起冲丝、溢料等其他缺陷,比较合适的压力范围是8~10Mpa。

3、封装成形麻点及其对策

在封装成形后,封装体的表面有时会出现大量微细小孔,而且位置都比较集中,看上去是一片麻点。这些缺陷往往会伴随其他缺陷同时出现,比如未充填、开裂等。这种缺陷产生的原因主要是料饼在预热的过程中受热不均匀,各部位的温差较大,注入模腔后引起固化反应不一致,以至于形成麻点缺陷。

引起料饼受热不均匀的因素也比较多,但是主要有以下三种情况:

(1)、料饼破损缺角。对于一般破损缺角的料饼,其缺损的长度小于料饼高度的1/3,并且在预热机辊子上转动平稳,方可使用,而且为了防止预热时倾倒,可以将破损的料饼夹在中间。在投入料筒时,最好将破损的料饼置于底部或顶部,这样可以改善料饼之间的温差。对于破损严重的料饼,只能放弃不用。

(2)、料饼预热时放置不当。在预热结束取出料饼时,往往会发现料饼的两端比较软,而中间的比较硬,温差较大。一般预热温度设置在84-88℃时,温差在8~10℃左右,这样封装成形时最容易出现麻点缺陷。要解决因温差较大而引起的麻点缺陷,可以在预热时将各料饼之间留有一定的空隙来放置,使各料饼都能充分均匀受热。经验表明,在投料时先投中间料饼后投两端料饼,也会改善这种因温差较大而带来的缺陷。

(3)、预热机加热板高度不合理,也会引起受热不均匀,从而导致麻点的产生。这种情况多发生在同一预热机上使用不同大小的料饼时,而没有调整加热板的高度,使得加热板与料饼距离忽远忽近,以至于料饼受热不均。经验证明,它们之间比较合理的距离是3-5mm,过近或者过远均不合适。

4、封装成形冲丝及其对策

在封装成形时,EMC呈现熔融状态,由于具有一定的熔融黏度和流动速度,所以自然具有一定的冲力,这种冲力作用在金丝上,很容易使金丝发生偏移,严重的会造成金丝冲断。这种冲丝现象在塑封的过程中是很常见的,也是无法完全消除的,但是如果选择适当的黏度和流速还是可以控制在良品范围之内的。EMC的熔融黏度和流动速度对金丝的冲力影响,可以通过建立一个数学模型来解释。可以假设熔融的EMC为理想流体,则冲力F=KηυSinQ,K为常数,η为EMC的熔融黏度,υ为流动速度,Q为流动方向与金丝的夹角。从公式可以看出:η越大,υ越大,F越大;Q越大,F也越大;F越大,冲丝越严重。

要改善冲丝缺陷的发生率,关键是如何选择和控制EMC的熔融黏度和流速。一般来说,EMC的熔融黏度是由高到低再到高的一个变化过程,而且存在一个低黏度期,所以选择一个合理的注塑时间,使模腔中的EMC在低黏度期中流动,以减少冲力。选择一个合适的流动速度也是减小冲力的有效办法,影响流动速度的因素很多,可以从注塑速度、模具温度、模具流道、浇口等因素来考虑。另外,长金丝的封装产品比短金丝的封装产品更容易发生冲丝现象,所以芯片的尺寸与小岛的尺寸要匹配,避免大岛小芯片现象,以减小冲丝程度。)

5、封装成形开裂及其对策

在封装成形的过程中,粘模、EMC吸湿、各材料的膨胀系数不匹配等都会造成开裂缺陷。

对于粘模引起的开裂现象,主要是由于固化时间过短、EMC的脱模性能较差或者模具表面玷污等因素造成的。在成形工艺上,可以采取延长固化时间,使之充分固化;在材料方面,可以改善EMC的脱模性能;在操作方面,可以每模前将模具表面清除干净,也可以将模具表面涂上适量的脱模剂。对于EMC吸湿引起的开裂现象,在工艺上,要保证在保管和恢复常温的过程中,避免吸湿的发生;在材料上,可以选择具有高Tg、低膨胀、低吸水率、高黏结力的EMC。对于各材料膨胀系数不匹配引起的开裂现象,可以选择与芯片、框架等材料膨胀系数相匹配的

6、封装成形溢料及其对策

在封装成形的过程中,溢料又是一个常见的缺陷形式,而这种缺陷本身对封装产品的性能没有影响,只会影响后来的可焊性和外观。溢料产生的原因可以从两个方面来考虑,一是材料方面,树脂黏度过低、填料粒度分布不合理等都会引起溢料的发生,在黏度的允许范围内,可以选择黏度较大的树脂,并调整填料的粒度分布,提高填充量,这样可以从EMC的自身上提高其抗溢料性能;二是封装工艺方面,注塑压力过大,合模压力过低,同样可以引起溢料的产生,可以通过适当降低注塑压力和提高合模压力,来改善这一缺陷。由于塑封模长期使用后表面磨损或基座不平整,致使合模后的间隙较大,也会造成溢料,而生产中见到的严重溢料现象往往都是这种原因引起的,可以尽量减少磨损,调整基座的平整度,来解决这种溢料缺陷。

7、封装成形粘模及其对策

封装成形粘模产生的原因及其对策:A、固化时间太短,EMC未完全固化而造成的粘模,可以适当延长固化时间,增加合模时间使之充分固化;B、EMC本身脱模性能较差而造成的粘模只能从材料方面来改善EMC的脱模性能,或者封装成形的过程中,适当的外加脱模剂;C、模具表面沾污也会引起粘模,可以通过清洗模具来解决;D、模具温度过低同样会引起粘模现象,可以适当提高模具温度来加以改善。

8、结语

总之,塑封成形的缺陷种类很多,在不同的封装形式上有不同的表现形式,发生的几率和位置也有很大的差异,产生的原因也比较复杂,并且互相牵连,互相影响,所以应该在分别研究的基础上,综合考虑,制定出相应的行之有效的解决方法与对策。

来源:嘉兆科技

围观 156

EMC主要是通过测试产品在电磁方面的干扰大小和抗干扰能力的综合评定,是产品在质量安全认证重要的指标之一。很多产品在做产品安全认证时都会遇到产品测试不合格的情况,尤其是在电磁兼容测试(即EMC测试)出错频率更是普遍。当产品一旦测试不合格,那么随之而来的肯定是EMC整改通知书。在EMC整改过程中很多管理人和技术人员并不太明白该从何处入手,今天我们就来分析EMC整改常遇到的问题和一些整改建议。

首先我们来从EMC测试项目构成说起,EMC主要包含两大项:EMI(干扰)和EMS(产品抗干扰和敏感度)。当然这两大项中又包括许多小项目,EMI主要测试项:RE(产品辐射,发射)、CE(产品传导干扰)、Harmonic(谐波)、Ficker(闪烁)。EMS主要测试项:ESD(产品静电)、EFT(瞬态脉冲干扰)、DIP(电压跌落)、CS(传导抗干扰)、RS(辐射抗干扰)、Surge(雷击)、PMS(磁场抗扰)。通过这些测试项目我们不难看出EMC测试主要围绕产品的电磁干扰和敏感度两部分,如果一旦产品不符合安全认证标准需要EMC整改的时候我们可以通过降低其材料和零部件进行整改。

一、EMC整改意见:

1、在拿到整改意见书以后,需要提前定位好EMC整改计划。没有定位好计划就去盲目的整改产品就像无头的苍蝇一样到处乱动,这样只会增加整改的成本。

2、定位手段,主要可以分为两点。第一:直觉判断,需要完全依托工程师的直觉和经验来进行判断。第二:比较测试,根据测试仪器所提供的数据来进行分析问题。

二、EMC整改流程:

1、RE超标整改流程:

2、电线电缆超标整改流程:

3、信号电缆整改流程:

4、屏蔽体泄漏整改流程:

三、EMC整改的一些小建议

1、电容的滤波作用

即频率f越大,电容的阻抗Z越小。

当低频时,电容C由于阻抗Z比较大,有用信号可以顺利通过;

当高频时,电容C由于阻抗Z已经很小了,相当于把高频噪声短路到GND上去了。

2、电容滤波在何时会失效

整改中常常会使用电容这种元器件进行滤波,往往有“大电容滤低频,小电容滤高频”的说法。

以常见的表贴式MLCC陶瓷电容为例,进行等效模型如下:

容值10nF,封装0603的X7R陶瓷的模型参数如下:

由于等效模型中既有电容C,也有电感L,组成了二阶系统,就存在不稳定性。对电路回路来说,就是会发生谐振,谐振点在如下频率处:

下图是谐振曲线的示例:

即常说的在谐振点前是电容,谐振点之后就不再是电容了。

3、LC滤波何时使用

如果串联电感L,再并联组成C,就形成了LC滤波:

单独一个电容C是一阶系统,单独一个电感L也是一阶系统,在幅值衰减斜率是-20dB。但LC组成的二阶系统,幅值衰减斜率是-40dB,更靠近理想的“立陡”的截止频率的效果,即滤波效果更好。

4、PWM频率到底是多少

往往提到PWM,比如会说用20kHz PWM驱动电机等。但实际上,这个20kHz仅代表PWM的脉冲周期是50us:

那么所谓的20kHz PWM在频域上的频率点落在哪里呢,如下公式:

对于阶跃信号来说,由于上升时间tr无穷小,则频率f无穷大。当频率高了之后,寄生参数则不能在忽略,会引发很多谐振的问题。

从信号上来看,就是很陡峭的阶跃信号会有过冲和振荡的问题。简单来说就是频率f越大,则噪声所占的频率就会越宽泛,即EMC特性就会越差。

5、如何将原理图和PCB对应起来

由于细分工种的问题,原理图和PCB被割裂开来,由两组人进行分工作业:

例如在原理图上有如下的电路:

其隐含一个问题就是在PCB上其实V1的负极和C1的负极是有一条线(PCB layout工具软件中用的词比较准确,Trace,踪迹/轨迹)。

往往在设计阶段 A - > B - > C是都会关注的。如果EMC出现问题,除了要在原理图上查找电路参数的问题,还需要特别关注 C ->D ,即回流路径。

如果回流路径不顺畅,会造成信号的畸变:

比如在EMC试验时,MCU的ADC采集到的信号被干扰到了,则除了在原理图上分析外,在PCB上讲该信号高亮出来,然后再耐心寻找该信号的回流路径是否有不顺畅的地方:

对着信号线头脑中想象回流路径,有点意识流的感觉。

6、总结

来源:网络、电源Fan,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

围观 253

本文主要参考自《MICROCONTROLLER DESIGN GUIDELINES FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY》,此文虽然写在多年前,不过有很多很现实的参考意义。另外别的IC厂商也有很多的参考文档,如果大家有兴趣可以参考一下。 题外话,写这个话题主要是去剖析模块内部主要的干扰源和敏感器件,通过这些主要的东西的设计来慢慢体会模块的EMC设计,不过难免有些一鳞半爪之嫌,积累 多了可能未来在设计电路的时候在前期就很容易把问题考虑周到和细致。

1. 单片机的工作频率

1.1 单片机的设计应根据客户的需求来选择较低的工作频率

首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片机的工作电流可以变得更低,最重要的是VDD到VSS的电流峰值会更小。

当然我们这里需要做一个妥协,因为客户的要求可能是兼容的和平台化的(目前汽车电子的发展趋势就是平台化),选择较高的工作频率可以兼容更多的平台,也方便以后升级和扩展,因此要选择一个较低的可以接受的工作频率。

2. 恰当的输出驱动能力

在给定负载规范,上升和下降时间,选择适当的输出的上升时间,最大限度地降低输出和内部驱动器的峰值电流是减小EMI的最重要的设计考虑因素之一。驱动能 力不匹配或不控制输出电压变化率,可能会导致阻抗不匹配,更快的开关边沿,输出信号的上冲和下冲或电源和地弹噪声。

2.1 设计单片机的输出驱动器,首先确定模块需求的负载,上升和下降的时间,输出电流等参数,根据以上的信息驱动能力,控制电压摆率,只有这样才能得到符合模块需求又能满足EMC要求。

驱动器能力比负载实际需要的充电速度高时,会产生的更高的边沿速率,这样会有两个缺点

1. 信号的谐波成分增加了.

2. 与负载电容和寄生内部bonding线,IC封装,PCB电感一起,会造成信号的上冲和下冲。

选择合适的的di/dt开关特性,可通过仔细选择驱动能力的大小和控制电压摆率来实现。最好的选择是使用一个与负载无关的恒定的电压摆率输出缓冲器。同样的 预驱动器输出的电压摆率可以减少(即上升和下降时间可以增加),但是相应的传播延迟将增加,我们需要控制总的开关时间)。

2.2 使用单片机的可编程的输出口的驱动能力,满足模块实际负载要求。

可编程的输出口的驱动器的最简单是的并联的一对驱动器,他们的MOS的Rdson不能,能输出的电流能力也不相同。我们在测试和实际使用的时候可以选择不同的模式。实际上目前的单片机一般至少有两种模式可选择,有些甚至可以有三种(强,中等,弱)

2.3 当时序约束有足够的余量的时候,通过降低输出能力来减缓内部时钟驱动的边沿。

减少同步开关的峰值电流,和di/dt,一个重要的考虑因素就是降低内部时钟驱动的能力(其实就是放大倍数,穿通电流与之相关型很大)。降低时钟边沿的电 流,将显著改善EMI。当然这样做的缺点就是,由于时钟和负载的开通时间的变长使得单片机的平均电流可能增加。快速边沿和相对较高的峰值电流,时间更长边 沿较慢的电流脉冲这两者需要做一个妥协。


2.4 晶振的内部驱动(反向器)最好不要超过实际的需求。

这个问题,实际上前面也谈过了,当增益过大的时候会带来更大的干扰。

3. 设计最小穿通电流的驱动器

3.1 时钟,总线和输出驱动器应尽可能使得传统电流最小

穿通电流【重叠电流,短路电流】,是从单片机在切换过程中,PMOS和NMOS同时导通时候,电源到地线的电流,穿通电流直接影响了EMI和功耗。

这个内容实际上是在单片机内部的,时钟,总线和输出驱动器,消除或减少穿通电流的方法是尽量先关闭一个FET,然后再开通一个FET。当电流较大时,需要额外的预驱动电路或电压摆率。

4. 时钟的生成和分配

4.1 就单片机内部而言,我们宁可给每个部分分配时钟(尽可能小的高频时钟),当然我们需要额外的管理时钟偏移工作。这样做要比使用一个增益很大的的时钟缓冲器,驱动整个IC的时钟好很多

同步CMOS的设计,在时钟边沿产生很大的峰值电流。时钟树的结构使用(在系统时间允许的条件下),比起主时钟驱动器和时钟分配线路,将减少同步开关电流。【时钟树结构中固有的延迟时间使得开关在不同时间分离开来】

4.2 使用电源管理技术。

把时钟源尽可能靠近需要的IC,如果在一个模块内需要分配时钟的话。在不需要时钟的时候,关闭时钟源。【睡眠模式的时候通常需要做时钟的切换】

4.3 在系统的限制允许的条件下,尽量使用非重叠时钟。

非重叠时钟,是指没有同步边缘的时钟。从系统的角度来说,非重叠的时钟边沿有助于消除竞争冒险和亚稳态。从EMC的角度看,加入时钟边沿之间的过渡时间会降低峰值电流和谐波的峰值幅度。平均电流从时间跨度上来看将保持大致相同,但幅度和频谱形状会发生变化。

如果时钟间的过渡是接近的但不同步(假设边沿速度相对于时钟周期要快得多),电流波形会变平和持续时间会变长。随着过渡时间的增加,对每个边沿来说到电流波形会分离成若干个脉冲。较低的脉冲幅度相应降低了谐波的频谱幅度,电流脉冲边沿很可能依然大致相同(维持脉冲带宽)。理想情况下,两相系统中非重叠的占空比为33%,最大限度地加大时钟边沿之间的时间。然而,实际应用中不可能使用这种方式,必须做一些妥协,实际系统中不容许时钟边沿的有这么大的跨度。

4.4 使时钟电路尽量远离I / O逻辑电路,减少共模辐射问题发生的可能性。

时钟信号需要远离I / O逻辑或平行的引线。时钟暂态边沿可以耦合到I / O逻辑,产生电压的噪声。

4.5 输入引脚同步器移动远离单片机引脚区域,进入单片机的核心模块。

这项方法可以减少所需的时钟驱动器的大小,

移动同步器靠近时钟源可减少时钟信号线路长度。时钟驱动器上的电容负载部分取决于引线的寄生电容的,时钟驱动充电负荷将变小。

本文转自:张飞实战电子,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

围观 336

所谓EMC就是: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。

EMC测试包括两大方面内容:

对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;

对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试,以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。

对于从事单片机应用系统设计的工程技术人员来说,掌握一定的EMC测试技术是十分必要的。

1、单片机系统EMC测试

(1)测试环境

为了保证测试结果的准确和可靠性,电磁兼容性测量对测试环境有较高的要求,测量场地有室外开阔场地、屏蔽室或电波暗室等。

(2)测试设备

电磁兼容测量设备分为两类:一类是电磁干扰测量设备,设备接上适当的传感器,就可以进行电磁干扰的测量;另一类是在电磁敏感度测量,设备模拟不同干扰源,通过适当的耦合/去耦网络、传感器或天线,施加于各类被测设备,用作敏感度或干扰度测量。

(3)测量方法

电磁兼容性测试依据标准的不同,有许多种测量方法,但归纳起来可分为4类;传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度(抗扰度)测试和辐射敏感度(抗扰度)测试。

(4) 测试诊断步骤

(5)测试准备

①试验场地条件:EMC测试实验室为电波半暗室和屏蔽室。前者用于辐射发射和辐射敏感测试,后者用于传导发射和传导敏感度测试。

②环境电平要求:传导和辐射的电磁环境电平最好远低于标准规定的极限值,一般使环境电平至少低于极限值6dB。

③试验桌。

④测量设备和被测设备的隔离。

⑤敏感性判别准则:一般由被测方提供,并实话监视和判别,以测量和观察的方式确定性能降低的程度。

⑥被测设备的放置:为保证实验的重复性,对被测设备的放置方式通常有具体的规定。

(6)测试种类

传导发射测试、辐射发送测试、传导抗扰度测试、辐射抗扰度测试。

(7)常用测量仪

电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)测试,需要用到许多电子仪器,如频谱分析仪、电磁场干扰测量仪、信号源、功能放大器、示波器等。

由于EMC测试频率很宽(20Hz~40GHz)、幅度很大(μV级至kW级)、模式很多(FM、AM等)、姿态很多(平放、斜放等),因此正确地使用电子仪器非常重要。

测量电磁干扰的合适仪器是频谱分析仪。

频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器,它显示的波形称为频谱。

频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点,能够精确测量各个频率上的干扰强度,用频谱分析仪可以直接显示出信号的各个频谱分量。

在解决电磁干扰问题时,最重要的一个问题是判断干扰的来源。

只有准确将干扰源定位后,才能够提出解决干扰的措施。根据信号的频率来确定干扰源泉是最简单的方法,因为在信号的所有特征中,频率特征是最稳定的,并且电路设计人员往往对电路中各个部位的信号频率都十分清楚。

因此,只要知道了干扰信号的频率,就能够推测出干扰是哪个部位产生的。

对于电磁干扰信号,由于其幅度往往远小于正常工作信号,用频谱分析仪做这种测量是十分简单的。由于频谱分析仪的中频带宽较窄,因此能够将与干扰信号频率不同的信号滤除掉,精确地测量出干扰信号频率,从而判断产生干扰信号的电路。

2、电磁兼容故障排除技术

(1)传导型问题的解决

①通过串联一个高阻抗来减少EMI电流。

②通过并联一个低阻抗将EMI电流短路到地或引到其它回路导体。

③通过电流隔离装置切断EMI电流。

④通过其自身作用来抑制EMI电流。

(2)电磁兼容的容性解决方案

一种常见的现象是不把滤波电容的一侧看成直接与一个分离的阻抗相连,而看成与传输线相连。典型的情况是,当一条输入输出线的长度达到或超过1/4波长时,该传输线变“长”。

实际可以用下式近似表示这种变化:

l ≥ 55/f

式中:l单元为m,f单位为MHz。这个公式考虑了平均传播速度,它是自由空间理论的0.75倍。

a. 电介质材料及容差:电磁干扰滤波使用的大部分电容是无极性电容

b. 差模(线到线)滤波电容性电容

c. 共模(线到地/机壳)滤波电容

共模(CM)去耦通常使用小电容(10~100nF)。小电容可以将不期望的高频电流在其进入敏感电路之前或在其离噪声电路较远时就将其短路到机壳上去。为了得到良好的高频衰减电路,减小或消除寄生电感是关键之所在。因此有必要使用超短导线,尤其希望使用无引线元器件。

(3)感性、串联损耗电磁兼容解决方案

就电容而言,Zs和Z1如果不是纯电阻的话,在计算频率时,要使用它们的实际值。电容器串联在电源或信号电路时,必须满足:

①流过的工作电流不应该引起电感过热或过大的有过之而无不及降;

②流过的电流不能引起电感磁饱和,尤其是对高导磁材料是毫无疑问的。

解决方案有以下几种:

磁芯材料;

铁氧体和加载铁氧体的电缆;

电感、差模和共模;

接地扼流圈;

组合式电感电容元件。

(4)辐射型问题的解决

在很多情况下,辐射电磁干扰问题可能在传导阶段产生并被排除,还有些解决方案是可以抑制干扰装置在辐射传输通道上,就像场屏蔽那样工作。根据屏蔽理论,这种屏蔽的效果主要取决于电磁干扰源的频率、与屏蔽装置之间的距离以及电磁干扰场的特性——电场、磁场或者平面波。

①导体带。使用铜或铝带要吧简单快速地建立一种直接的屏蔽和低阻连连接或总线。它们对于临时的解决方案和相对永久的解决方案来说是很方便的。厚度在0.035~0.1mm之间,并且背面带有导电黏合剂以便安装。如果使用铜导电带,其通过电阻约 20mΩ/cm2。应用场合:电气屏蔽罩;发生故障时泄露点定位;作为一个应急的解决方案,将塑料连接器变成金属的、屏蔽普通的扁平电缆等。

②网状屏蔽带和拉链式外套。涂锡的钢网带:主要用来安装在一个已经装配好的电费护套上作为一种易安装的绷带型的屏蔽罩。为了降低电费的磁场辐射或敏感问题,钢网带是一种有效的解决方案。

拉链式屏蔽外套:当有明显迹象表明电费是主要的引起EMI耦合的原因时使用。

③EMI密封垫。应用场合:当下述条件存在,并且需要真正的SE时,EMI密封垫是最常用的解决辐射问题、敏感问题、ESD、电磁脉冲和TEMPEST问题的方法。

已经把机箱泄漏确认为主要的辐射路径。

啮合面不够光滑、平整或不够硬、本身无法提供良好的连接接触。

④窗口和通风板的EMI屏蔽:适合对孔径的屏蔽。

平面波的大概模型是:SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中,SE单位为dB;l为网格或网孔的尺寸,单位为mm;f单位为MHz。当然,随着频率的下降,网孔的屏蔽效率SE的上限受限于金属本身。

在近区场,对H场的屏蔽,其屏蔽功率SHE不受频率的影响,可由下式近似得出:

SEH≈10lg(πr/l)

其中,r为源到屏蔽罩之间的距离,l为网孔尺寸,两者单位均为mm.

⑤导电涂料:应用于在系统的塑料外壳建立EMI屏蔽罩、发送现有普通的或恶化的导电表面的屏蔽效能SE、防止ESD或静电积累现象、增大结合面或密封垫片的接触面积。

⑥导电箔:铝是一种良导体,在10MHz以下没有吸收损耗,但它对于电场的任何频率都有较好的反射损耗。应用场合请参阅有关资料。

⑦导电布:可应用于任何100kHz到GHz级频率范围需要达到30~30dB衰减的立体屏蔽场合中。

3、电磁兼容性新器件新材料的应用

3.1 电源线滤波器

电源线滤波器安装在电源线与电子设备之间,用于拟制电能传输中寄生的电磁干扰,对提高设备的可靠性有重要作用。滤波器允许一些频率通过,而对其它频率的成份加以拟制。根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求,适当选择滤波器。

3.2 信号阻隔变压器

脉冲型(数字或晶闸管门驱动)或模拟隔离式变压器与交流电源中使用的隔离变压器与交流电源中使用的隔离变压器的原理相同,但传输频带却完全不同,有用信号处理对变压器的一些性能要求(例如失真、3dB带宽、损耗、对称性、阻抗、脉冲延时等)非常严格。

这种变压器属于宽带设备,最高频率与最低频率的比值fMAX/fMIN达到数十倍。

通过在发送端或接收端切断共模地环路,隔离变压器在不改变差模信号的同时拟制共模噪声。由于共模电压是加在变压器一次侧、二次侧的两边,这种隔离器必须具有较高的击穿电压:典型值为1.5kV,某些场合则高达10kV。

信号变压器的主要优点是它的简单、耐用、持久和线性,而且价格适中。当频率增加时,其电磁兼容性能下降。

应用场合:

当需要环路隔离时,其频率范围从直流到几十MHz;

在低噪声和低失真条件下传输模拟小信号(≤10mV)时,信号线上可能存在几V至几kV的共模电压;

在晶闸管应用电路中,将触发器驱动电路与共模电压隔离;

作为一个现场解决方案,可用来切断一个地环路和搭建一个平衡连接或非平衡连接传输线路。

3.3 电源隔离变压器、电源稳压器和不间断电源

(1)电源隔离变压器

普通的隔离变压器可以在低频范围切断主电源线的接地环路。当频率升高时,电气隔离由于一次侧间寄存电容C1-2的存在而下降。为了减少寄生电容的影响,可以使用落系、螺旋状、分立式的一次和二次绕组,这样可以将寄生电容减小为原为的1/3~/10。

(2)法拉第屏蔽变压器

在一次和二次线圈之间包着一层铝箔或铜箔,并使之不与线圈接触以免形成短路。法拉第屏蔽或静电屏蔽层接地。

应用范围如下:

应用于入室电源或电源分配箱上,作为简单1:1的隔离变压器,隔离50/60Hz的地环路;

在同一系统中的某一部分重新产生对地保持中性的交流电源,与总电源分配点保持电气隔离;

应用于当系统中存在很大的对地漏电电流时,防止过渡频繁触发系统中的接地故障检测器;

可以与电源线滤波器结合使用,电源线滤波器的衰减特性仅开始于几十或几百kHz以上。

3.4 暂态抑制器

变阻器和固态变阻器(transzorbs)是具有非线性V-I特性曲线的元件,可以作为稳压元件。当电压通过该器件后就被箝位在等于或大于击穿电压VBR的电压值上。该器件的响应速度快,但在处理的能量值上有一定限制。

3.5 搭接、接地连续性和减少RF阻抗器件

①接地编织层或金属带宽而扁的导线比同样横截而积的圆导线具有较小的电感。作为优先的选择参考,可以使用:扁平金属带;带有扁平接地端子的扁平编织层;圆形、多股绞线的跳线。

②印制电路板(PCB)接地垫片。为了建立一个更直接的低阻扰电磁干扰电流接收器,需要使用接地垫片。通常在树脂型垫片中间有一个弹簧夹,用以在一边的OV铜板上和加一边PCB的安装底盘上提供较强的可靠压力。由于弹簧是铜锡材料制成的,电气接触性能良好,接触电阻为mΩ数量级。

③金属电费线槽及其肥共的金属编织层。金属电缆托架、公共导线和金属编织层的作用是传输几个相互连接的设备之间的部分接地EMI环流。可以把它看作是不同底盘或地线之间的共模短路通道,但实际上除了直流或交流50/60Hz,这种方法不能应用于较长的距离;可用于计算机室、工厂车间或其它有许多非屏蔽电费的大型场地,不可能或很难将它们换成屏蔽电费或装入管道。

④地阻抗减小,垫高的金属底板接地衬垫。为了减少传导瞬态干扰的输入和周围环境射频场对系统的影响,可以通过设置室内参考接地板或接地网络加以改善。通过这种方法,可以很容易地在高达几百MHz的频率上达到20dB的改善,也可以减少在同一个房间里的不同设备之间的地电位偏差。

另一种技术:

在室内,建议安装抬高的金属底板(RMF),利用地砖的筋条作为接地参考栅格;把把塑料减震垫片换成导电减震垫片,就可以建立很好的、持久的电气连接。

⑤临时接地板。这种后各解决方案最初是IBM公司的安装规划工程师们使用的,即安装一块铜板或电镀钢板。对于那些没有“实际地”的场合,由于临时接地板与建筑特结构之间有较大的电容(300~1000pF),这给电磁干扰滤波器、瞬态保护器和隔离变压器的法拉第屏蔽层提供了有较的吸收装置。在高频端,这种虚地比长的、绿的或黄绿的接地导线更有效。

结语

在实际EMC测试应用中,除了通过标准资格实验室的鉴定测试以外,还有两种可行的方法也是被业界所认可的:TCF(Technical Construction File)和Self Ceritification(自检证明)。

抗干扰能力测试是十分实用的测试项目。

实现电磁兼容的最好办法是,将所有的数字及模拟电路均视为对高频信号响应的电路,用高频设计方法来处理电费屏蔽、PCB布线和共模滤波。采用整块地平面和电源面也很重要,对模拟电路也该如此,这样做有利于限制高频共模环环。

大多数瞬态干扰均属高频,并产生很强的辐射能量。

来源:电磁兼容之家

围观 361

从本文开始将围绕“开关噪声-EMC”这一主题,对开关电源相关的EMC及其对策等进行解说。计划先介绍EMC相关的基础知识,然后再探讨噪声对策相关的内容。

第一篇将以“何谓EMC”为题,先来熟悉EMC相关的术语,以此作为起点。相关的英语缩写较多,EMC也是其中之一,下面将列出一些相似的缩写。如果不能很好地理解各个术语的意义,在使用时,某些情况下可能会存在无法准确传递信息、无法沟通的情况。

何谓EMC

EMC是Electromagnetic Compatibility(电磁兼容性)的缩写,在日语中多用“电磁两立性”或“电磁适合性”等字样来表达,可能还有其他一些表述方式。意为“不对其他设备产生电磁干扰,即使受到来自其他设备的电磁干扰仍保持原有的性能”,因需要兼备两种性能而被称为“电磁兼容性”。

“不对其他设备产生电磁干扰”是指如果不有意识地确保这一性能就会给其他设备带来电磁干扰。EMI(Electromagnetic Interference)是表示电磁干扰(电磁干涉、电磁妨碍)的术语。由于发射电磁波会导致干扰,所以经常与Emission(辐射、发射)这一术语成对使用。从开关电源方面讲,是指因开/关工作而产生开关噪声。

与之相反的“即使受到来自其他设备的电磁干扰”相关的术语是EMS(Electromagnetic Susceptibility)-电磁敏感性。EMS多与Immunity(耐受性、抗扰度、排除能力)成对使用。要求具备“即使受到EMI,也不会引起误动作等问题”的耐受能力。

EMI分为传导噪声(Conducted Emission)和辐射噪声(Radiated Emission)两种。这两个术语在日文中用日语表达多于用英语缩写表达。传导噪声是指经由线体或PCB板布线传导的噪声。辐射噪声是指排放(辐射)到环境中的噪声。对于这些噪声,EMS中分别都有抗扰度要求。它们的关系如下。

以上即相关术语解释及关系。简而言之,即EMC是EMI和EMS是否满足标准规范的关键。将上述解说汇总如下。

来源:电源设计技术信息网站

围观 563

在研制带处理器的电子产品时,如何提高抗干扰能力和电磁兼容性?

1、下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰:

(1) 微控制器时钟频率特别高,总线周期特别快的系统。

(2) 系统含有大功率,大电流驱动电路,如产生火花的继电器,大电流开关等。

(3) 含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。

2、为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施:

(1) 选用频率低的微控制器:

选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。同样频率的方波和正弦波,方波中的高频成份比正弦波多得多。虽然方波的高频成份的波的幅度,比基波小,但频率越高越容易发射出成为噪声源,微控制器产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。

(2) 减小信号传输中的畸变

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右,输入电容10PF左右,输入阻抗相当高,高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力,即相当大的输出值,将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端,反射问题就很严重,它会引起信号畸变,增加系统噪声。当Tpd>Tr时,就成了一个传输线问题,必须考虑信号反射,阻抗匹配等问题。

信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关,即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为,信号在印制板引线的传输速度,约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr(标准延迟时间)为3到18ns之间。

在印制线路板上,信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线,线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说,信号在印刷线路上的引线越短越好,最长不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少,最好不多于2个。

当信号的上升时间快于信号延迟时间,就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配,对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输,要避免出现Td>Trd的情况,印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。

用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则:
信号在印刷板上传输,其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

(3) 减小信号线间的交叉干扰:

A点一个上升时间为Tr的阶跃信号通过引线AB传向B端。信号在AB线上的延迟时间是Td。在D点,由于A点信号的向前传输,到达B点后的信号反射和AB线的延迟,Td时间以后会感应出一个宽度为Tr的页脉冲信号。在C点,由于AB上信号的传输与反射,会感应出一个宽度为信号在AB线上的延迟时间的两倍,即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有关,与线间距离有关。当两信号线不是很长时,AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。

CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高,噪声高,噪声容限也很高,数字电路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB线是一模拟信号,这种干扰就变为不能容忍。如印刷线路板为四层板,其中有一层是大面积的地,或双面板,信号线的反面是大面积的地时,这种信号间的交叉干扰就会变小。原因是,大面积的地减小了信号线的特性阻抗,信号在D端的反射大为减小。特性阻抗与信号线到地间的介质的介电常数的平方成反比,与介质厚度的自然对数成正比。若AB线为一模拟信号,要避免数字电路信号线CD对AB的干扰,AB线下方要有大面积的地,AB线到CD线的距离要大于AB线与地距离的2~3倍。可用局部屏蔽地,在有引结的一面引线左右两侧布以地线。

(4) 减小来自电源的噪声

电源在向系统提供能源的同时,也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线,中断线,以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路,即使电池供电的系统,电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。

(5) 注意印刷线板与元器件的高频特性

在高频情况下,印刷线路板上的引线,过孔,电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略,电感的分布电容不可忽略。电阻产生对高频信号的反射,引线的分布电容会起作用,当长度大于噪声频率相应波长的1/20时,就产生天线效应,噪声通过引线向外发射。

印刷线路板的过孔大约引起0.6pf的电容。

一个集成电路本身的封装材料引入2~6pf电容。

一个线路板上的接插件,有520nH的分布电感。一个双列直扦的24引脚集成电路扦座,引入4~18nH的分布电感。

这些小的分布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可以忽略不计的;而对于高速系统必须予以特别注意。

(6) 元件布置要合理分区

元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题,原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上,要把模拟信号部分,高速数字电路部分,噪声源部分(如继电器,大电流开关等)这三部分合理地分开,使相互间的信号耦合为最小。

G 处理好接地线

印刷电路板上,电源线和地线最重要。克服电磁干扰,最主要的手段就是接地。

对于双面板,地线布置特别讲究,通过采用单点接地法,电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的,电源一个接点,地一个接点。印刷线路板上,要有多个返回地线,这些都会聚到回电源的那个接点上,就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分,是指布线分开,而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷线路板以外的信号相连时,通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号,屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆,一端接地为好。

对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起来。

(7) 用好去耦电容。

好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。

设计印刷线路板时,每个集成电路的电源,地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能;另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。

1uf,10uf电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的,即使是用电池供电的系统也需要这种电容。

每10片左右的集成电路要加一片充放电电容,或称为蓄放电容,电容大小可选10uf。最好不用电解电容,电解电容是两层溥膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感,最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。

去耦电容值的选取并不严格,可按C=1/f计算;即10MHz取0.1uf,对微控制器构成的系统,取0.1~0.01uf之间都可以。

3、 降低噪声与电磁干扰的一些经验。

(1) 能用低速芯片就不用高速的,高速芯片用在关键地方。
(2) 可用串一个电阻的办法,降低控制电路上下沿跳变速率。
(3) 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼。
(4) 使用满足系统要求的最低频率时钟。
(5) 时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地。
(6) 用地线将时钟区圈起来,时钟线尽量短。
(7) I/O驱动电路尽量靠近印刷板边,让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波,从高噪声区来的信号也要加滤波,同时用串终端电阻的办法,减小信号反射。
(8) MCD无用端要接高,或接地,或定义成输出端,集成电路上该接电源地的端都要接,不要悬空。
(9) 闲置不用的门电路输入端不要悬空,闲置不用的运放正输入端接地,负输入端接输出端。
(10) 印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。
(11) 印制板按频率和电流开关特性分区,噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。
(12) 单面板和双面板用单点接电源和单点接地、电源线、地线尽量粗,经济是能承受的话用多层板以减小电源,地的容生电感。
(13) 时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。
(14) 模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线,特别是时钟。
(15) 对A/D类器件,数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交叉。
(16) 时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小,时钟元件引脚远离I/O电缆。
(17) 元件引脚尽量短,去耦电容引脚尽量短。
(18) 关键的线要尽量粗,并在两边加上保护地。高速线要短要直。
(19) 对噪声敏感的线不要与大电流,高速开关线平行。
(20) 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。
(21) 弱信号电路,低频电路周围不要形成电流环路。
(22) 任何信号都不要形成环路,如不可避免,让环路区尽量小。
(23) 每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
(24) 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电容时,外壳要接地。

来源:电磁兼容之家

围观 504

ESD、EMI、EMC 设计是电子工程师在设计中遇到常见难题,电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。 所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。而所谓电磁干扰是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。

EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份,所谓EMI电磁干扰,乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声;而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

在电子产品的设计中,为获得良好的EMC性能和成本比,对产品进行EMC设计是重要的;电子产品的EMC性能是设计赋予的。测试仅仅是将电子产品固有的EMC性能用某种定量的方法表征出来。

对于EMC设计来讲:

首先,应在研发前期考虑EMC设计。

如果产品设计前期不考虑EMC问题,仅寄希望于测试阶段解决(表现为通过整改来解决设计成型产品的EMC问题,这样大量的人力和物力都投入在后期的测试/验证、整改阶段)。那么,即使产品整改成功,大多情况下还是会由于整改涉及电路原理、PCB设计、结构模具的变更,导致研发费用大大增加,周期大大延长。只有在前期产品设计过程中考虑与预测EMC问题,把EMC变成一种可控的设计技术,并行和同步于产品功能设计的过程,才能一次性地把产品设计好。

其次,应该系统化的进行EMC设计。

通过设计提高电子产品的EMC性能,绝对不是企业内EMC专家一个人所赋予的,因为EMC绝对不可能脱离产品硬件、结构等实物而存在。因此,要使设计的电子产品一次取得良好的EMC性能,就需要提高产品设计工程师的EMC经验与意识问题。如硬件工程师,除了原先必须掌握的电路设计知识外,还应该掌握EMI和EMS抗干扰设计的基本知识;PCB设计工程师需要掌握相应的器件布局、层叠设计、高速布线方面的EMC设计知识;结构工程师也需要了解产品结构的屏蔽等方面的设计知识。因为这些共同参与产品设计的工程师,要去实现FMC专家在产品设计过程中所提出的意见,就要理解、领会EMC专家所提出的建议的奥秘,并与各自领域的设计特点相结合,将所有EMC问题的萌芽消灭在产品设计阶段。只有所有参与产品设计的开发人员共同提高EMC素质,才能设计出具有高性能EMC的电子产品。

一般电子产品设计时不考虑EMC问题,就会导致EMC测试失败,以致不能通过相关法规的认证。下图概述了EMC、EMI、ESD评审的要点。

电子设计中绕不开的EMC、EMI、ESD
EMC、EMI、ESD评审的要点

电子设计中绕不开的EMC、EMI、ESD
EMC、EMI、ESD评审的要点

随着电气电子技术的发展,家用电器产品日益普及和电子化,广播电视、邮电通讯和计算机及其网络的日益发达,电磁环境日益复杂和恶化,使我们逐渐关注设备的工作环境,日益关注电磁环境对电子设备的影响,电气电子产品的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)的问题越来越受到工程师和生产企业的重视。

在ESD防护中,大体可以分为两大类。

传导性ESD防护

对静电电流在电路中防护主要使用一些保护器件,在敏感器件前端构成保护电路,引导或耗散电流。此类保护器件有:陶瓷电容,压敏电阻,TVS管等。

辐射性ESD防护

对于静电产生的场对敏感电路产生影响,防护方法主要是尽量减少场的产生和能量,通过结构的改善增加防护能力,对敏感线路实施保护。对场的保护通常比较困难,在改良实践中探索出了一种叫做等位体的方法。通过有效地架接,是壳体形成电位相同体,抑制放电。事实证明此种方式有效易于实施。

防护静电的一般方法有许多,包括减少静电的积累;使产品绝缘,防止静电发生;对敏感线路提供支路分流静电电流;对放电区域的电路进行屏蔽;减少环路面积以保护电路免受静电放电产生的磁场的影响。有针对直接放电的,也有针对关联场的耦合。

来源:21ic电子网

围观 494

一、电源平面和地平面要满足20H规则

二、当电源层、底层数及信号的走线层数确定后,为使PCB具有良好的EMC性能它们之间的相对排布位置基本要求如下

1.元器件层下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层及为顶层布线提供参考平面。

2.所有信号层尽可能与地平面相邻

3.尽量避免两信号层走线相邻。如果无法避免,应加大相邻信号层的走线间距,是两层信号线走线在上下位置呈垂直走线状态

4.主电源尽可能与其对应地相邻,并尽可能减小电源和地平面之间的距离,以小于5mil为优,最好不要超过10mil

5.兼顾层压结构的对称叠层还要兼顾PCB制造工艺和控制PCB的翘曲度。通常民用产品采用IPC_II标准,要求PCB的翘曲度要小于0.75%。

6.采用偶数层结构。

三、常见的PCB叠层结构

1、四层板的叠层结构:

 a.TOP、GND02、PWR03、BOTTOM;(TOP层下面有完整的地平面为最优布线层,关键信号应该优先布置在该层。电源平面和地平面的距离不宜过厚最好不超过5mil)

 b.TOP、PWR02、GND03、BOTTOM;(此方案和方案a类似)

 c.GND01、S02、S03、GND04/PWR04(为达到一定的屏蔽效果,有时采用此方案)

2、六层板的叠层结构

 a.TOP、GND02、S03、PWR04、GND05、BOTTOM(此方案是业界主推的6层PCB的叠层设计方案,有3个布线层,一个电源平面,2个地平面。第4、5层之间的厚度要尽可能小弟3层是最佳布线层,告诉信号和高风险信      号优先布置在该层)

 b.TOP、GND02、S03、S04、PWR05、BOTTOM (当需要的布线层数多,对成本要求苛刻时可以采用此方案。该方案中S03是最优布线层)

 c.TOP、S02、GND03、PWR04、S05、BOTTOM(第3、4层之间芯板的厚度尽量小使电源阻抗较低,第1、2层要交叉走线,第5、6层要交叉走线靠近地平面的S02是最优布线层)

3、八层板的叠层结构

 a.TOP、GND02、S03、GND04、PWR05、S06、GND07、BOTTOM(业界主推的叠层方案,S03是最优布线层)

 b.TOP、GND02、S03、PWR1_04、GND05、S06、PWR2_07、BOTTOM(此方案试用于电源种类多,采用一个电源平面无法满足PCB供电需求的情况、PCB电源有交叉的情况;第3层和第6层是最佳布线层)

 c.TOP、GND1_02、S03、S04、PWR05、GND2_07、BOTTOM(此叠层结构电源平面和地平面的去耦效果很差,一般应用在布线层数要求较多且成本控制严格的设计中,如消费类平板;第2层和第6层是较好布线层,一般在平板类设计时,DDR及其他高速类的信号根据信号性质分类后布置在TOP层、第3层、第6层、第8层;叠层设计时应加大第3、4层的距离并交叉走线)

4、十层板的叠层结构

 a.TOP、GND1_02、S03、S04、GND2_05、PWR06、S07、S08、GND3_09、BOTTOM(单一电源平面的方案优先采用此叠层方案)

 b.TOP、GND1_02、S03、S04、PWR1_05、GND2_06、S07、S08、PWR2_09、BOTTOM(3、7层是最佳布线层)

 c.TOP、GND1_02、S03、GND2_04、PWR1_05、PWR2_06、GND3_07、S08、GND4_09、BOTTOM(在成本要求不高,EMC要求指标高且必须双电源平面供电要求情况下建议采用此方案;3、8层是最优布线层,可以适当加大5、6层两个电源平面的距离)

转自:听语

围观 428

PCB上模块的划分和关键器件的布局在PCB的EMC设计中有至关重要的作用。PCB上的各功能模块如频率生成器、电源模块、滤波器和晶振等PCB上的位置和方向对电磁场的发射和接收有巨大的影响。PCB上的器件可以根据 不同的标准进行划分,如按照功能、工作频率、信号类型等。

1.按照功能划分。

各电路按照实现功能的不同如时钟电路、放大电路、驱动电路、A/D D/A转换电路、I/O电路、开关电源电路和滤波电路等进行模块划分。在进行PCB设计时可以根据信号流对整个电路进行模块划分,从而保证整个电路布局的合理,达到整体布线路径断,各个模块互不交错的效果,减少各模块之间互相干扰的可能。

2.按照频率划分。

按照信号的工作频率和速度对电路模块进行划分,在布局是安装高频、中频和低频依次展开,布局互不交错。

3.按照信号类型划分。

电路模块按照数字电路和模拟电路进行划分。为了降低数字电路对模拟电路的干扰,在PCB布局是要给他们定义不同的区域,在空间上进行必要的隔离减小相互之间的耦合。对于A/D和D/A转换电路应该布放在数字电路和模拟电路交界的位置。电路模块布局的方向应该以信号的流向为前提,是信号引线最短并使模拟部分的引脚位于模拟地上方,数字部分位于数字地上方。

PCB布局是一个综合布局的过程。

电路布局的一个原则,是应该按照信号流向关系,尽可能的做到是关键的高速信号走线最短,其次考虑电路板的整齐美观。时钟信号应该尽可能端,如何无法缩短,则应该在时钟线两侧加屏蔽地线。对比较敏感的信号线也应该考虑采取一定的屏蔽措施。

时钟线有较大的对外辐射,因此应该让时钟电路尽量远离其他无关电路,另一方面要是时钟到负载的走线尽量短。在布线是优先考虑在内层走时钟线并进行必要的匹配和屏蔽处理。

低频数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放,时钟电路、高速电路和存储器等通常布放在电路板最靠近里面的位置,远离人接触的位置;中低速逻辑电路一般放置在电路板的中间位置;如何有A/D或D/A电路一般放置在电路板最中间的位置。

单板上一般都会有多个DC/DC电源,一般主电源都放置在单板电源的入口处,电源的放置应该考虑输入/输出线的顺畅,避免交叉。

线圈(包括继电器)是最有效的接收发射磁场的器件,在布局是线圈要原来EMI源(包括开关电源、时钟输出和总线驱动等)。线圈下方的PCB不能有高速走线或敏感的控制线,如果不能避免要考虑线圈的方向问题,要是场强的方向和线圈的平面平行,保证通过线圈的磁力线最少。

转自: 听语

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