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PCB设计中的电磁兼容性考虑

导读: 考虑电磁兼容的根本原因在于电磁干扰的存在。电磁干扰(Electromagnetic Interference,简称EMI)是破坏性电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子设备的过程。

电磁兼容的一般概念

考虑电磁兼容的根本原因在于电磁干扰的存在。电磁干扰(Electromagnetic Interference,简称EMI)是破坏性电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子设备的过程。一般来说,EMI特指射频信号(RF),但电磁干扰可以在所有的频率范围内发生。

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,简称EMC)是指电气和电子系统、设备和装置在设定的电磁环境中,在规定的安全界限内以设计的等级或性能运行,而不会由于电磁干扰引起损坏或不可接受到性能恶化的能力。这里所说的电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。这表明电磁兼容性一方面指电子产品应具有抑制外部电磁干扰的能力;另一方面,该电子产品所产生的电磁干扰应低于限度,不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。

现今的电子产品已经由模拟设计转为数字设计。随着数字逻辑设备的发展,与EMI和EMC相关的问题开始成为产品的焦点,并得到设计者和使用者很大的关注。美国通信委员会(FCC)在20世纪70年代中后期公布了个人电脑和类似设备的辐射标准,欧共体在其89/336/EEC电磁兼容指导性文件中提出辐射和抗干扰的强制性要求。我国也陆续制定了有关电磁兼容的国家标准和国家军用标准,例如“电磁兼容术语”(GB/T4365-1995),“电磁干扰和电磁兼容性术语”(GJB72-85),“无线电干扰和抗扰度测量设备规范”(GB/T6113-1995),“电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值”(GB4343-84)。这些电磁兼容性规范大大推动了电子设计技术并提高了电子产品的可靠性和适用性。

EMC在PCB设计中的重要性

随着电子设备的灵敏度越来越高,并且接受微弱信号的能力越来越强,电子产品频带也越来越宽,尺寸越来越小,并且要求电子设备抗干扰能力越来越强。一些电器、电子设备工作时所产生的电磁波,容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰,引发故障或者影响信号的传输。另外,过度的电磁干扰会形成电磁污染,危害人们的身体健康,破坏生态环境。

如果在一个系统中各种用电设备能够正常工作而不致相互发生电磁干扰造成性能改变和设备的损坏,人们就称这个系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着设备功能的多样化、结构的复杂化、功率的加大和频率的提高,同时它们的灵敏度也越来越高,这种相互兼容的状态越来越难获得。为了使系统达到电磁兼容,必须以系统的电磁环境为依据,要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射,同时又要求它本身要具备一定的抗干扰能力。只有对每一个设备都作出这两个方面的约束和改进,才能保证系统达到完全兼容。

通常认为电磁干扰的传输有两种方式:一种是传导方式;另一种是辐射方式。在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉,共同产生干扰,才使得电磁干扰变得难以控制。

常见的电磁干扰主要有以下几种:

(1)射频干扰。由于现有的无线电发射机的激增,射频干扰给电子系统造成了很大的威胁。蜂窝电话、手持无线电、无线电遥控单元、寻呼机和其他类似设备现在非常普遍。造成有害的干扰并不需要很大的发生功率。典型的故障出现在射频场强为1~10V/m的范围内。在欧洲、北美和很多亚洲国家,避免射频干扰损坏其他设备已经成为对所有产品在法律上的强制性规定。

(2)静电放电(ESD)。现代芯片工艺已经有了很大的进步,在很小的几何尺寸(0.18um)上元件已经变得非常密集。这些高速的、数以百万计的晶体管微处理器的灵敏性很高,很容易受到外界静电放电影响而损坏。放电可以是直接或辐射的方式引起。直接接触放电一般引起设备永久性的损坏。辐射引起的静电放电可能引起设备紊乱,工作不正常。

(3)电力干扰。随着越来越多的电子设备接入电力主干网,系统会出现一些潜在地干扰。这些干扰包括电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压变化、闪电瞬变和电力线谐波等。对于高频开关电源来说,这些干扰变得很显著。

(4)自兼容性。一个系统的数字部分或电路可能干扰模拟设备,在导线之间产生串绕(Crosstalk),或者一个电机可以引起数字电路的紊乱。

另外,一个在低频可以正常工作的电子产品,当频率升高时会遇到一些低频所没有的问题。比如反射、串绕、地弹、高频噪声等。

一个不符合EMC规范的电子产品不是合格的电子设计。设计产品除了满足市场功能性要求外,还必须采用适当的设计技术来预防或解除EMI的影响。

PCB设计的EMC考虑

对于高速PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)设计中EMI问题,通常有两种方法解决:一种是抑制EMI的影响,另一种是屏蔽EMI的影响。这两种方式有很多不同的表现形式,特别是屏蔽系统使得EMI影响电子产品的可能性降到了最低。

射频(RF)能量是由印制电路板(PCB)内的开关电流产生的,这些电流是数字元件产生的副产品。在一个电源分配系统中每一个逻辑状态的改变都会产生一个瞬间的电涌,大多数情况下,这些逻辑状态的改变不会产生足够的接地噪声电压造成任何功能性的影响,但当一个元件的边沿速率(上升时间和下降时间)变得相当快的时候便会产生足够的射频能量影响其他的电子元件的正常工作。

一、 PCB上电磁干扰产生的原因

不适当的做法通常会在PCB上引起超出规范的EMI。结合高频信号的特性,与PCB级的EMI相关的主要包括以下几个方面:
(1)封装措施使用不适当。如应该用金属封装的器件却用塑料封装。

(2)PCB设计不佳,完成质量不高,电缆与接头的接地不良。

(3)不适当甚至错误的PCB布局。

包括时钟和周期信号走线设定不当;PCB的分层排列及信号布线层设置不当;对于带有高频RF能量分布成分的选择不当;共模与差模滤波考虑不足;接地环路引起RF和地弹;旁路和去耦不足等等。

要实现系统级的EMI抑制,通常需要一些适当的方法:这主要包括屏蔽、衬垫、接地、滤波、去耦、适当布线、电路阻抗控制等。

二、电磁兼容的屏蔽设计

现今的电子产业界已愈来愈注意到SE/EMC(Shielding Effectiveness,SE,隔离室屏蔽效益)的需求,而随着更多电子组件的使用,电磁兼容性亦更受到关切。电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播电方法。通常包括两种:一种是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。

EMI屏蔽可使产品简单且有效的符合EMC的规范,当频率在10MHz以下时电磁波大多为传导的形式,而较高频率的电磁波则多为辐射的形式。设计时可以采用单层实心屏蔽材料、多层实心屏蔽材料、双重屏蔽或者双重以上屏蔽等新型材料进行EMI屏蔽。对于低频的电磁干扰需要用厚的屏蔽层,最合适的是使用磁导率高的材料或磁性材料,如镍铜合金等,以获得最大的电磁吸收损耗,而对于高频电磁波可使用金属屏蔽材料。

在实际的EMI屏蔽中,电磁屏蔽效能很大程度上取决于机箱的物理结构,即导电的连续性。机箱上的接缝以及开口都是电磁波的泄漏源。而且,穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降到主要原因。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离相关。通过适当地设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能。通常解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料,它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有:导电橡胶(在橡胶中掺入导电颗粒,使这种复合材料既具有橡胶的弹性,又具有金属的导电性。)、双重导电橡胶(它不是在橡胶所有部分掺入导电颗粒,这样获得的好处是既最大限度地保持了橡胶的弹性,又保证了导电性)、金属编织网套(以橡胶为芯的金属编织网套)、螺旋管衬垫(用不锈钢、铍铜或镀锡铍铜卷成的螺旋管)等。另外,当对通风量要求比较高时,必须使用截至波导通风板,这种板相当于一个高通滤波器,对高于某一频率的电磁波不衰减通过,但对于低于这一频率的电磁波则进行很大的衰减,合理应用截至波导的这种特性可以很好的屏蔽EMI的干扰。


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