电子通讯

电子线电磁兼容性设计的具体设计规则介绍

2019-07-30 19:35

 

  电子线设计者往往只考虑产品的功能,而没有将功能和电磁兼容性综合考虑,因此产品在完成其功能的同时,也产生了大量的功能性及其它。而且,不能满足度要求。

  在大多数情况下,电的基本元件满足电磁特性的程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。选择合适的电磁元件的主要准则包括带外特性和电装配技术。因为是否能实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。而在许多情况下,电装配又决定着带外响应(例如引线长度)和不同电元件之间互相耦合的程度。具体规则是:

  ⑶铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿,因而在纹波很大或有瞬变电压的电里,应该使用固体电容器。

  ⑸大电感寄生电容大,为了提高低频部分的插损,不要使用单节滤波器,而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。

  ⑹使用磁芯电感要注意饱和特性,特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电中的插损。

  每种单元都可以描述为接收一个输入信号、并对输入信号进行加工,然后在输出端输出加工过的信号。必须考虑在输入端可能存在的不希望有的信号,也要考虑经过输入端之外的其它通进入的无用信号。最好在输入点上处理这些无用信号。

  设备电源的EMI耦合涉及对供电线上的传导发射(主电源谐波、差模或共模瞬变、无线电发射机的窄带信号)的度和传导到供电线上的发射。在设备内电源广泛地同其它功能相连,一方面电源中产生的无用信号可以很容易地耦合到各功能单元中去,另一方面,一个单元中的无用信号可能通过电源的(公共)耦合到其它单元去。因此,从电磁兼容的观点出发首先要关心电源。

  ⑷应在交直流干线上使用电源滤波器,以防外部通过电源进入设备,防止开关瞬变和设备内部产生的其它信号进入初级电源。

  ⒁对于变压器所用铁芯材料应取其饱和磁强度Bm的下限值。无论什么情况下必须不使铁芯驱动到饱和状态。

  ⑴控制单元和设备主体往往离得较远,因此必须正确运用接地和屏蔽方法,防止构成地环和耦合无用信号。

  ⑵控制单元内主要的无用信号源是那些能突然断开控制信号通道的元件。如开关、继电器、可控硅整流器、开关二极管等。

  由于它们应用广泛,能影响无用信号的产生和耦合,所以必须对放大器提出严格的电磁兼容性设计要求。

  ⑵放大器占有带宽应和有用信号匹配。必须控制放大器的带外响应。带宽过宽易将无用信号放大或产生寄生振荡。

  ⑿音频增益(音量)控制应在高增益前置放大器之后,否则控制时它的走线上的噪声和拾取电平将成为低电平输入信号的可观部分。

  数字和模拟设备的发射和特性不同的,一般不能用对数字信号滤波的方法来实现模拟电电磁兼容。例如,通常产生窄带,并常常对连续波;数字电常常产生宽带,并对尖峰脉冲。控制数字电的发射和所采用的屏蔽、滤波的范围和程度要根据数字电单元的性能、电元器件的速率来决定。

  数字系统误动作的重要原因中,绝大多数起因于机壳地、信号地的电位波动。集成电0V端电位发生变化时,它的工作状态便不稳定,从而影响下一级输入端状况,下一级也会不稳定。0V线电位的变化是接地线本身有电感和直流电阻所致。

  ⑸数字电的输入、输出线不要紧靠时钟或振荡器线、电源线等电磁热线,也不要紧靠复位线、中断线、控制线等脆弱信号线。

  ⒀对有暂态陡峭电源电流的器件和易受电源噪声影响的器件,要在其近旁接入高频特性好的电容器去耦。

  ⒄“五—五”规则可以帮助你决策。即时钟频率大于5MHz或者脉冲上升时间小于5ns,宜于选择多层电板。

  ⒅用手工布关键线(时钟、高速重复控制信号、复位线、中继线、I/O线等)。若用自动布线必须仔细检查和修改违反EMI控制的地方。

  ②用隔离变压器切断地环,最适用于信号不含直流分量时。宽带信号不宜用它。在工业领域,把含直流分量的信号调制成交流信号,经电压或电流互感器将其送到接收端再进行解调。非理想的变压器在初级和次级之间存在分布电容,该分布电容允许经变压器进行耦合,因而该分布电容的大小直接影响它的高频隔离性能。也就是说,该分布电容为信号进人电网提供了通道。所以在选择变压器时,必须考虑分布电容的大小。在使用变压器时,必须加静电屏蔽(法拉第屏蔽)并接地,这可减小分布参数,因为静电屏蔽了初、次级问的直接耦合,困而也就能降低传导。

  为了更好地降低分布电容,提高开关变压器的共模性能,可采用三层屏蔽:第一层屏蔽连接到初级的电位端;第二层屏蔽连接到次级的低电位端,中心法拉第屏蔽连接到变压器的外壳及安全地。

  因输入和输出线性关系差,不宜直接用于模拟信号,但最适于传输数字信号。用光脉宽调制法,就能传输含直流分量的模拟信号,而且有优良的线性效果。

  有时很难用隔离器件切断地环,例如两设备必须直流连接。这时只能采取措施把地环产生的共模影响到最小。

  直流到高频,线性好,适于模拟信号。对称平衡时,共模很好。不平衡时,共模转换成差模,影响程度与不平衡程度有关。

  在印制线板设计中,产品设计师往往只注重提高密度,减小占用空间,制作简单,或追求美观,布局均匀,忽视了线布局对电磁兼容性的影响,使大量的信号辐射到空间形成。

  ⑴从减小辐射的角度出发,应尽量选用多层板,内层分别作电源层、地线层,用以降低供电线,公共噪声,对信号线形成均匀的接地面,加大信号线和接地面间的分布电容,其向空间辐射的能力。

  ⑵电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低。在频率很高的情况下,电源线、地线、或印制板走线都会成为接收与发射的小天线。降低这种的方法除了加滤波电容外,更值得重视的是减小电源线、地线及其他印制板走线本身的高频。因此,各种印制板走线要短而粗,线条要均匀。

  ⑶电源线、地线及印制导线在印制板上的排列要恰当,尽量做到短而直,以减小信号线与回线之间所形成的环面积。

  有些产品,尤其是不大正规的产品,内部走线十分混乱,各种走线胡乱捆扎在一起,又没有任何屏蔽、滤波、接地措施。这种内部走线处理方法,不仅传输高、低电平信号的导线之间相互,也给后期采用屏流滤波等补救措施带来不便。正确的布线也是一种电磁兼容性设计措施,它能大大地降低,不需增加工序,却可收到较满意的效果。因此在布线时,应做到:

  ⑵传输不同电子信号的导线分组捆扎,数字信号线和模拟信号线也应分组捆扎,并保持适当的距离,以减小导线间的相互影响。

  ⑶对于产品经常用来传递信号的扁平带状线,应采用 地--信号--地--信号--地 排列方式,这样不仅可以有效地,也可明显提高其抗扰度。

  ⑷将低频进线和回线绞合在一起,形成双绞线,这样两线之间存在的电流几乎大小相等,而方向相反,其场在空间可以相互抵消,因而减小。

  ⑹功能单元和设备内电的分隔能把无用信号在有限范围内,以便使无用信号和可能的电和导线有效地去耦。

  ⑥在整个音频电周围使用磁屏蔽,以减少同电源线的耦合。可以用这样的方法来有效地减少400Hz/50Hz交流声。输入电用差分方式,输入信号用双绞线。

  举例;如在显示器中,交流电源线的插座一般都在后面板,而电源开关经常在前面板,这样机内的电源走线就很长,而许多厂家对这种情况没有采取相应的措施,如采用屏蔽线或双绞线等。这就会导致机内走线接收工作信号,并通过电源线传导出来。

  又如,在微机中,电源虽然是屏蔽的,但电源的直流输出线在屏蔽体之外,如果直流输出线过长,就很容易将主板上的接收下来,传到交流电源线上。因而在设计时,应尽量减小直流输出线的长度。另外,还可以在直流输出线上加上磁珠或铁氧体磁环。

  底板和机壳是为控制设备或功能单元中无用信号通提供屏蔽的最有效方法。屏蔽的程度取决于结构材料的选择和装配中所用的设计技术两个方面。经过设计的屏蔽仅受设计者在设计接缝、开口、穿透和对底板及机壳的搭接等方面的知识和技巧的。

  远场是辐射场—E和H矢量在时间上同相而向外辐射能量。(机箱屏蔽处理,特别是电气连续性问题的处理)

  用场论解麦克斯韦方程复杂而不实用,故用近似电理论处理。即用集中参数电容考察电场引起的耦合,用互感集中参数考察引起的耦合。

  ⑴适用于底板和机壳的大多数材料是良导体,可以屏蔽电场,如铝、铜等。主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。

  ⑶在强电磁中,要求材料能屏蔽电场和两种成分,因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效能直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。

  必须尽量减少结构的电不连续性,以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度,减少缝隙长度,在接合面加入导电衬垫,在接缝处涂上导电涂料,缩短螺钉间距等。

  ⑴在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。最坏的电搭接处对壳体的屏蔽效能降低起决定性作用。

  ⑶在可能的地方,接缝应焊接,以便接合面连续。在条件受的情况下,可用点焊、小间距铆接和螺钉连接来处理。

  ⑿导电橡胶衬垫用在铝金属表面时,要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或Monel线型衬垫将出现严重的电化学腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是雾盐下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。

  ⑴要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时屏蔽效能降低30dB以上。

  ⑶信号线,控制线进入/穿出机壳时,要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器(插座)适于这种场合使用。

  ⑷穿过屏蔽壳体的金属控制轴,应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。也可不用接地的金属轴而用其他绝缘轴贯通波导截止频率比工作频率高的圆管来作控制轴。

  ⑹当要求使用对地绝缘的金属控制轴时,可用短的隐性控制轴,不调节时用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。

  ⑾在不能从后面屏蔽器/显示器和对引线滤波时,要用与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽器/显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃,在保持合理的透光度条件下,对30~1000MHz的屏蔽效能可达50~110dB。在透明塑料或玻璃上镀上透明导电膜,其屏蔽效果一般不大于20dB。但后者可消除观察窗上的静电积累,在仪器上常用。

  以微机产品为例,由于其结构比较特殊,要得到很好的屏蔽效能确实比较困难。微机产品屏蔽效能不理想的主要因素为:

  ①微机系统内部产生的功率器件、开关器件及电流突变的信号线未加滤波、屏蔽措施,使其机壳内部场较大。

  ③微机机壳由于设通风孔、安装开关及其它部件,开有许多孔缝,上下机盖及侧板之间由于没有专门处理,接触不是很好,造成机箱本身不是一个电连续体,因而影响屏蔽效能。

  影响屏蔽效能的因素并非不能消除,但要下功夫,如提高导电涂料的性能,合理布置孔、缝的及开口方向,加装滤波器连接器、屏蔽铜网及导电衬垫,提高装配工艺水平。总之,解决这一问题需企业重视,设计人员努力。

  搭接是把一定的金属部件机械地连接在一起的过程,目的是实现低电阻的电气接触,系统电气性能的稳定,帮助实现对射频的。

  ⑶对不同金属进行搭接要注意各种金属在电化学序列表中的相对。电位差要尽可能小,并有合适的防腐蚀措施。

  ⑻不允许用导电漆来实现电的或射频搭接。导电胶连接处必须提供大约700g/cm2的压力,以导电涂复处的高导电率。导电胶的导电性要求大约为2~5mΩ/cm。

  电缆的连接能使电子/电气分系统的性能变坏。不仅因为外来信号会通过相互作用或耦合进入系统/分系统中的连接电缆,对设备构成严重;还可能因设计、分类(隔离)、捆扎和走线等不当而产生问题。

  ⑶设计时要特别注意用于低电平信号和低电的连接器,以及由于增大会引起误差而又不能探测的连接器。

  ⑷分系统间的连接电缆和连接器的设计要协调一致。(例如,不能一端要求其所有屏蔽层彼此隔开,而另一端却只给一个连接器留1根插针供屏蔽层端接。不能一端用屏蔽线控制辐射,而另一端却选用非导电涂层的连接器。)

  EMI控制的一个主要方面是把导线和电缆分成和处理功率电子类似的等级。按30dB功率电平分组的分类表如表2所示:

  ②实际捆扎时,可把标记相同的导线捆扎在同一线束内。未征得EMI控制负责人批准,不可把不同标记的导线捆扎在同一线屏蔽端接

  ③对于既属音频又属射频的电,要选用紧密的屏蔽线对。扭绞间距离越短屏蔽效果越好。屏蔽层两端要接地。

  在产品设计时,从安全角度或从功能上考虑接地的多,而从的角度考虑按地设计的少,因而在选择接地方式、接地点、接地线时,就会出现一些本可以避免的错误。此外,良好的接地设计必需有良好的装配工艺作保障,才能达到预期的目的。

  例如,微机辐射超过极限值的频率集中在30~200MHz范围之内,因此微机内部各单元及屏蔽电缆相对机壳应采用多点就近接地的方式。使用单点接地,会增加接地线的长度,如果接地线长度接近或等于信号波长的l/4时,其幅射能力将大大增加,接地线线将成为天线。一般来讲,接地线cm。屏蔽电缆的接地如图1所示。

  经常可以看到这样的产品,其内部的接地线是很细的单股线,这种在其内部通过高频电流时,由于高频很大,接地效果可想而知。因此,考虑到趋肤效应,接地线需要选用带状编织线。如果对接地要求很高,还可在其表面镀银,这主要是减小导线的表面电阻率,因而达到减小接地线接地线应与接地面良好搭接

  标准中一般,接地线与接地面的直流搭接应小于2.5mW为了高质量的接地,接地面应经过表面处理,避免氧化、腐蚀。在接地线与接地平面之间不应有

  浮地的目的是将电或设备与公共地线或可能引起环流的公共线隔离开来。缺点:由于设备不与大地直接相连,容易出现静电积累,达到一定程度后会产生击穿,这是一种性很强的源。折衷处理的办法是在浮地与大地之间接一个阻值很大的泄放电阻,以消除静电积累的影响。实现浮地的办法:变压器隔离、充电隔离。浮地除了使地线“浮”起来以外,还解决了单地系统中电位不一致带来的麻烦。

  单点接地是指接地只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各需要接地的点都直接接到这一点。如果系统工作频率很高,达到接地线长度可以与工作频率(信号的波长)相比拟的程度时就不能再用单点接地的方式了(接地效果已经不理想了),而要用多点接地的概念了。

  多点接地是指一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上,使接地线的长度为最短。接地点可以是设备的底板,也可以是贯通整个系统的地导线,还可以是设备的结构框架等。多点接地的优点是电结构比单点接地简单。由于采用了多点接地,就形成了许多接地回,因此提高接地系统的质量就变得十分重要,需要经常,保持良好的导电性能。

  混合接地:只对需要高频接地的地方采用多点接地,其余用单点接地。接地长度以0.05λ~0.15λ来衡量,超出此值的应采用多点接地。

  当屏蔽电缆传输高频信号时,电缆外层屏蔽应采用多点接地,典型的分界点是100KHz,高于此值用多点接地,低于此值用单点接地,多点接地时要做到每隔0.05λ~0.1λ有一个接地点。

  对信号线,信号回线,电源系统回线以及底板或机壳都要有单独的接地系统,然后可以将这些回线接到一个参考点上。

  对于那些将出现较大电流突变的电,要有单独的接地系统,或者有单独的接地回线以减少对其他电的瞬态耦合。

  对于最大尺寸远小于λ/4的电,使用单点接地的紧绞合线(是否屏蔽视实际情况而定),以使设备度最好。

  需要用同轴电缆传输信号时,要通过屏蔽层提供信号回。低频电可在信号源端单点接地;高频电则采用多点接地。

  从安全出发,测试设备的地线直接与被测设备的地线联接;还是从安全出发,要确保接地联接装置能够应付意外的故障电流,在室外终端接地时,能够应付电流的冲击。