PCB設計|電磁兼容設計的一般準則

電磁兼容設計的一般準則(ZT)

1.1電子線路設計準則

PCB設計/電子線路設計者往往只考慮產品的功能,而沒有將功能和電磁兼容性綜合考慮,因此產品在完成其功能的同時,也產生了大量的功能性騷擾及其它騷擾。而且不能滿足敏感度要求。

電子線路的電磁兼容性設計應從以下幾方面考慮：

1.1.1元件選擇

在大多數情況下,電路的基本元件滿足電磁特性的程度將決定著功能單元和最后的設備滿足電磁兼容性的程度。選擇合適的電磁元件的主要準則包括帶外特性和電路裝配技術。因為是否能實現電磁兼容性往往是由遠離基頻的元件響應特性來決定的。而在許多情況下,電路裝配又決定著帶外響應（例如引線長度）和不同電路元件之間互相耦合的程度。具體規則是：

⑴在高頻時,和引線型電容器相比,應優先進用引線電感小的穿心電容器或支座電容器來濾波。

⑵在必須使用引線式電容時,應考慮引線電感對濾波效率的影響。

⑶鋁電解電容器可能發生幾微秒的暫時性介質擊穿,因而在紋波很大或有瞬變電壓的電路里,應該使用固體電容器。

⑷使用寄生電感和電容量小的電阻器。片狀電阻器可用于超高頻段。

⑸大電感寄生電容大,為了提高低頻部分的插損,不要使用單節濾波器,而應該使用若干小電感組成的多節濾波器。

⑹使用磁芯電感要注意飽和特性,特別要注意高電平脈沖會降低磁芯電感的電感量和在濾波器電路中的插損。

⑺盡量使用屏蔽的繼電器并使屏蔽殼體接地。

⑻選用有效地屏蔽、隔離的輸入變壓器。

⑼用于敏感電路的電源變壓器應該有靜電屏蔽,屏蔽殼體和變壓器殼體都應接地。

⑽設備內部的互連信號線必須使用屏蔽線,以防它們之間的騷擾耦合。

⑾為使每個屏蔽體都與各自的插針相連,應選用插針足夠多的插頭座。

1.1.2電設計

每種單元都可以描述為接收一個輸入信號、并對輸入信號進行加工,然后在輸出端輸出加工過的信號。必須考慮在輸入端可能存在的不希望有的信號,也要考慮經過輸入端之外的其它通路進入的無用信號。最好在輸入點上處理這些無用信號。

1.1.2.1電源

設備電源的EMI耦合涉及對供電線上的傳導發射（主電源諧波、差?；蚬材Ｋ沧?、無線電發射機的窄帶信號）的敏感度和傳導到供電線上的發射。在設備內電源廣泛地同其它功能相連,一方面電源中產生的無用信號可以很容易地耦合到各功能單元中去,另一方面,一個單元中的無用信號可能通過電源的（公共阻抗）耦合到其它單元去。因此,從電磁兼容的觀點出發首先要關心電源。

⑴在可能的條件下,單獨為各功能單元供電。

⑵使用公共電源的所有電路盡可能彼此靠近。

⑶使用公共電源的所有電路必須互相兼容。

⑷應在交直流干線上使用電源濾波器,以防外部騷擾通過電源進入設備,防止開關瞬變和設備內部產生的其它信號進入初級電源。

⑸有效隔離電源的輸入和輸出線及濾波器的輸入和輸出線。

⑹對電源進行有效的電磁場屏蔽,特別是開關電源。

⑺開關電源會引起高頻輻射和傳導騷擾,但它又有排斥電力線瞬變的優點（典型調壓器則不能）。

⑻整流二極管應工作在最低的電流密度上（與最大額定電流成正比）。

⑼對所有電路功能狀態電源都應保持低輸出阻抗,即使在射頻范圍,輸出電容也應呈現低阻抗。

⑽保證穩壓器有足夠快的響應時間,以便抑制高頻紋波和瞬變加載作用。

⑾為穩壓二極管提供足夠的射頻旁路。

⑿合理屏蔽和小心地把高壓電源同敏感電路隔離開。

⒀電源變壓器應該是對稱平衡的,而不應該是功率配平的。

⒁對于變壓器所用鐵芯材料應取其飽和磁感應強度Bm的下限值。無論什么情況下必須保證不使鐵芯驅動到飽和狀態。

⒂變壓器鐵芯結構應優選D型和C型,E型最次之。

⒃用靜電屏蔽的電源變壓器抑制電源線上的共模騷擾,多重屏蔽隔離變壓器（超隔）有更好的性能。

1.1.2.2控制單元

⑴控制單元和設備主體往往離得較遠,因此必須正確運用接地和屏蔽方法,防止構成地環路和耦合無用信號。

⑵控制單元內主要的無用信號源是那些能突然斷開控制信號通道的元件。如開關、繼電器、可控硅整流器、開關二極管等。

⑶各種產生無用信號的開關同感性負載一起運行時,就會產生嚴重的瞬變過程。

⑷盡量減少陡峭波前瞬態過程,應限制接通和斷開時通過開關的浪涌電流。

⑸如果必要,可使用RC網絡或二級管來抑制開關瞬變。

⑹如有必要,則使用緩沖或減振器來減小繼電器觸點的振動。

1.1.2.3放大器

由于它們應用廣泛,能影響無用信號的產生和耦合,所以必須對放大器提出嚴格的電磁兼容性設計要求。

⑴放大器的布局應設計成最短的距離上傳送低電平信號,否則易引入騷擾。

⑵放大器占有帶寬應和有用信號匹配。必須控制放大器的帶外響應。帶寬過寬易將無用信號放大或產生寄生振蕩。

⑶要注意多級放大器各級之間的去耦。

⑷對所有放大器的輸入端進行去耦,只讓有用信號進入放大器。

⑸工作頻率低于1MHz的放大器,采用平衡輸入式為好（特別是音頻放大器）。

⑹運算放大器的噪聲比晶體管的噪聲電平高,為21/2倍以上。

⑺應將瞬時大電流負載的電源與運算放大器的電源分開,防止運算放大器電源線的瞬時欠壓狀態。

⑻隔離放大器的輸入變壓器,初次級間應有效地屏蔽隔離。

⑼用輸入變壓器來斷開到遠端音頻輸入電路的任何地環路。

⑽音頻輸入變壓器應是磁屏蔽的,以免拾取電源磁場騷擾。

⑾音頻放大器應該用平衡輸入式,并用屏蔽雙絞線對作輸入信號線。

⑿音頻增益（音量）控制應在高增益前置放大器之后,否則控制時它的走線上的噪聲和騷擾拾取電平將成為低電平輸入信號的可觀部分。

⒀音頻放大器若用開關電源,要用20KHz或更高的開關速度。

1.1.2.4數字電路

數字和模擬設備的發射和敏感特性不同的,一般不能用對數字信號濾波的方法來實現模擬電路電磁兼容。例如,模擬電路通常產生窄帶騷擾,并常常對連續波騷擾敏感;數字電路常常產生寬帶騷擾,并對尖峰脈沖騷擾敏感?？刂茢底蛛娐返陌l射和敏感所采用的屏蔽、濾波的范圍和程度要根據數字電路單元的性能、電路元器件的速率來決定。

數字系統誤動作的重要原因中,絕大多數起因于機殼地、信號地的電位波動。集成電路0V端電位發生變化時,它的工作狀態便不穩定,從而影響下一級輸入端狀況,下一級也會不穩定。0V線電位的變化是接地線本身有電感和直流電阻所致。

⑴必須選擇電路功能允許的最慢的上升時間和下降時間,以限制產生不必要的高頻分量。

⑵避免產生和使用不必要的高邏輯電平。如能用5V電平的就不要用12V電平。

⑶時鐘頻率應在工作允許的條件下選用最低的。

⑷要防止數據脈沖通過濾波和二次穩壓電源耦合到直流電源總線上去。

⑸數字電路的輸入、輸出線不要緊靠時鐘或振蕩器線、電源線等電磁熱線,也不要緊靠復位線、中斷線、控制線等脆弱信號線。

⑹只要可能,就應在低阻抗點上連接數字電路的輸入和輸出端,或用阻抗變換緩沖級。

⑺要嚴格限制脈沖波形的尖峰、過沖和阻尼振蕩。

⑻若用脈沖變壓器,應是有屏蔽的。

⑼必須對電源線、控制線去耦,以防止外部騷擾進入。

⑽不要用長的、非屏蔽的信號線。印制線長度達每ns上升時間大約5cm就要考慮匹配端接。

⑾注意到光電隔離器對差模騷擾有抑制效果,而對共模騷擾去沒有明顯作用。

⑿印制導線的電感分量在產生公共阻抗耦合方面起著主導作用。電源線,尤其地線條要盡量粗、短。

⒀對有暫態陡峭電源電流的器件和易受電源噪聲影響的器件,要在其近旁接入高頻特性好的電容器去耦。

⒁在每個印制板電源入口處裝1個LCL形T型濾波器防止來自電源的沖擊輸入。

⒂用屏蔽網（編織帶）和鐵氧體夾卡改善扁平電纜的抗騷擾性能。

⒃從2層印制電路板改為多層印制電路板,很容易使發射和抗擾度性能提高10倍。

⒄“五—五”規則可以幫助你決策。即時鐘頻率大于5MHz或者脈沖上升時間小于5ns,宜于選擇多層電路板。

⒅用手工布關鍵線（時鐘、高速重復控制信號、復位線、中繼線、I/O線等）。若用自動布線必須仔細檢查和修改違反EMI控制的地方。

1.1.2.5其他

⑴去耦

消除公共阻抗耦合有害影響的措施是去耦。去耦濾波器的關鍵元件是引線盡可能短的高頻電容器。

⑵隔離

①注意地環路形成共模騷擾。

②用隔離變壓器切斷地環路,最適用于信號不含直流分量時。寬帶信號不宜用它。在工業領域,把含直流分量的信號調制成交流信號,經電壓或電流互感器將其送到接收端再進行解調。非理想的變壓器在初級和次級之間存在分布電容,該分布電容允許騷擾經變壓器進行耦合,因而該分布電容的大小直接影響它的高頻隔離性能。也就是說,該分布電容為信號進人電網提供了通道。所以在選擇變壓器時,必須考慮分布電容的大小。在使用變壓器時,必須加靜電屏蔽（法拉第屏蔽）并接地,這可減小分布參數,因為靜電屏蔽破壞了初、次級問的直接耦合,困而也就能降低傳導騷擾。

為了更好地降低分布電容,提高開關變壓器的共模抑制性能,可采用三層屏蔽：第一層屏蔽連接到初級的電位端;第二層屏蔽連接到次級的低電位端,中心法拉第屏蔽連接到變壓器的外殼及安全地。

③光電耦合器隔離法。

因輸入和輸出線性關系差,不宜直接用于模擬信號,但最適于傳輸數字信號。用光脈寬調制法,就能傳輸含直流分量的模擬信號,而且有優良的線性效果。

⑶提高抵抗共模騷擾能力的方法

有時很難用隔離器件切斷地環路,例如兩設備必須直流連接。這時只能采取措施把地環路產生的共模騷擾影響抑制到最小。

①用差分放大器

直流到高頻,線性好,適于模擬信號。對稱平衡時,共模抑制很好。不平衡時,共模騷擾轉換成差模,影響程度與不平衡程度有關。

②串接共模扼流圈（中和變壓器或縱向扼流圈）。

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