电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)是指设备或系统在电磁环境中运行时,不会因为其他设备的合理电磁干扰而影响本机的功能和安全性,也不会对其环境中的任何设备产生不合理的电磁干扰能力。包含EMI和EMS,即不产生不合理干扰及抗干扰。
测试标准的规定工友11项测试内容:4项EMI指标,指辐射发射RE、传导发射CE、谐波电流Harmonics、闪烁Flicker;7项EMS指标,指辐射抗干扰度RS、传导抗度CS、静电抗扰度ESD、电快速瞬变脉冲群EFT/B、电压跌落与短时中断DIP/i、工频磁场抗扰度PMS、浪涌抗扰度Surge。
电磁兼容的发生机理是“干扰源、传播路径、敏感设备”,解决措施是“处理接地、壳体屏蔽、线路滤波”
1、概述
1)电磁干扰的根源是di/dt、du/dt,即较大的电压、电流突变产生很大的高频杂波;
2)电阻的高频等效特性
在频率较高时,会产生容抗和感抗;
3)电容的高频等效特性
4)电感高频等效特性
5)磁环磁珠高频等效特性
磁珠适合于线路板上的电源或信号滤波;磁环则使用与线缆上的高频滤波;
6)导线的高频等效特性
影响其高频特性的是走线电阻、走线电感、分布电容;
7)对于交流电源,电源火线和零线之间的干扰是差模干扰;
8)对于火线或零线对地的干扰为共模干扰;
2、整机外部接口
2.1、按键面膜
1)薄膜键盘电路与其相对的邻近电路之间放置一个接地的导电层;
2)薄膜键盘电路层周围涂上粘合剂或密封剂,堵住引入ESD路径;
3)按键窗口增减设计防护ESD;
2.2、电源接口
电源输入接口是EMC测试中的重点,双向传到、辐射想过都需要关注;最基础的措施就是采用电源滤波器和浪涌防护设计。
2.3、显示窗口
1)LCD、LED是引入空间辐射干扰和ESD干扰的串口,系统设计时可考虑屏蔽窗或隔离舱,显示电路部分与机内电路连接通过滤波器件相连;隔离舱位金属结构,导电部分与机壳之间形成低阻抗的连续导通连接。
3、接地
1)EMC接地泄放的是高频电流,因此接地的走线电感不能忽视;一般使用宽的铜皮;
2)接地分为四类:
a) 安全接地:将对人体有潜在危害的电流导到大地上;
b) 工作接地(数字地、模拟地、功率器件地):信号电流回流的路径,是信号系统的参考电平;
c) 防浪涌接地为外来突变的大电流干扰提供一个泄放路径,泄放电流量级远高于信号电流;
d) 浮地的屏蔽地最常见的手持设备外壳,未单独接触大地,但提供一个参考的等电位地;
3)接地规范
a) 地地之间黄绿导线直连:低电阻导通,用于中低频信号;
b) 地地之间宽扁电缆直连:高频下实现地阻抗对地导通;
c) 地地之间大阻抗连接:防静电台
d) 地地之间电容连接:直流截止,交流导通的场景;
e) 地地之间磁珠连接:弱信号的地地之间;
f) 地地之间电感连接:电感具有抑制电路状态变化的特性,用于有较大电流波动的地地
g) 地地之间小电阻连接:阻碍电流快速变化的过冲;
h) 安全地、防雷击浪涌接地的接法:两者都单独接到大地,在真正的大地处单点相接;
4、电路板
4.1 电路原理图设计
1、面膜电路:
1)面膜灯电路增加限流电阻和防静电电容,抑制非受控闪烁;
2)面膜按键电路增加R-S触发器作为按钮和设备电子线路之间配合的缓冲;
2、复位电路
1)有时间延时,避免上电初期复位;
2)复位信号优选斯密特方式,避免复位-工作-复位重复发生;
3、片选输入口和敏感电路
1)输入口参考面膜电路;
2)缓和电路的接地要分开布局;
4、电路板接口
1)在控制线和印刷版上的入口处增加RC去耦和浪涌防护器件
5、总线信号质量控制
1)信号频率高于5MHz,下降沿时间低于5ns总线,器件引脚末端串接小电阻限流,防止过冲振铃;
2)空置的IO引脚连接高阻抗;
3)IRQ引脚有预防静电释放的额措施;
4)单片机IO口控制电机等噪声器件时,加隔离如π型滤波电路
6、去耦电容
1)模拟放大器电源,在最接近电路的连接处到放大器之间加去耦电容;
2)数字集成电路,分组加去耦电容;
3)电机与发电机的电刷,在每个绕组指路上串联RC滤波电容;在电源入口处增加低通滤波措施;
7、晶振电路
1)输出串联一个低阻值电阻,削弱震荡信号上升沿、下降沿时的过冲;
2)在满足要求的情况下,MCU的晶振越低越好;
3)时钟电路、校准电路和去耦电路接近MCU防止;
4)时钟输出布线时禁止向多个部件直接串行连接;
8、显示电路的数据线加装磁环;
9、供电与驱动电路
1)驱动电路的电源要做去耦设计;
2)单片机电源加滤波电路或稳压器;
3)每一根电源线进入电子设备的地方串放一个磁珠;
4)每一个电源引脚和紧靠电子设备机箱地之间放一个顺流抑制器、金属氧化压敏电阻或高频电容;
4.2 布线
1、PCB 布线
1) 优选多层板设计,根据PIN密度
2) 禁止出现一端浮空、直角转弯、电阻不连续、宽度不一致等情况;
3) 考虑强弱电流、大小电压、高低频、输入输出、数字模拟等隔离;
4) 高速通道过孔要少;
5) 推荐地平面栅格布线;
6) 增大走线间距、减少电容耦合串扰;
2、元器件布局
1) 将具有辐射源特征的电路装在金属屏蔽内;
2) 同类型元件X\Y方向一致;
3) 元器件放置便于调试和维修;注意直插元件的间距;
3、安装固定
4、EMC元器件选型
EMC器件的选型必须按照器件的高频等效特性来考虑器件的指标,包括电阻、电容、电感、磁珠、导线及布线等;
5、接插件和电缆分类
1)接插件上的信号线,优选“信号-地-信号-地”的间隔排布;
2)带金属的接插件与地相连;
3)电缆设计时应考虑诸如直流电源线用屏蔽线、交流电用扭搅线、所有进入屏蔽区的信号线/电源线都经过滤波等;
6、机械机构:
1、材料:任何封闭的金属体,不论厚度,其屏蔽效能SE不低于80db。但在实际产品设计中会低于这个值,主要是因为有缝隙;
2、对于非金属机壳,为实现屏蔽效果,一般采用内部喷涂金属涂层的工艺;
3、金属机箱上,可泄漏电磁波频率与开口的最大直径有关,所以机箱开孔首选圆孔;
机箱箱体结合处,用耐高压硅树脂或垫圈密闭,防ESD、放水、放尘;