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物联产品&设备电磁兼容参考设计思路

2019年我在电源网的报告主题是《物联网&智能设备:EMI的分析与设计技巧》IEC国际标准在对产品及设备进行传导和发射的测量,并对产品产生传导与辐射的值进行限制的目的是满足无线电通信要求;不能对无线电通信产生干扰。对于物联产品&设备系统本身就存在无线电通讯(WiFi & BLE)发射功率,接收灵敏度(EMS)问题;因此产品在向智能化、集成化、多功能化方向发展,在电磁兼容性能上也要有很高的要求(EMS和EMI测试均有相关要求)。

我们在如何选择适当的EMC设计方案,对产品设计的成败起到决定性作用。我对通用的工业及消费类产品的EMC思路提供参考。

1.相关的标准及判定标准

需要满足的EMS、EMI项目及评判等级可参考图1.

2.实验测试分析

干扰通常分为持续干扰和瞬态干扰两类。如广播电台、手机信号、基站等属于持续干扰。由于开关切换,电机制动等造成电网的波动,此类干扰我们称为瞬态干扰。图1中瞬态干扰包含:浪涌SURGE,静电ESD,电快速脉冲群EFT/B,电压暂降、短时中断和电压变化DIPS;持续干扰包含:传导敏感度CS,辐射敏感度RS。评判等级A所述的“性能不降低”,即干扰施加后,硬件无损害,干扰施加过程中无死机、复位、数据掉帧或误码率较高等问题,好像无干扰施加到产品一样。通常持续性的干扰的评判等级均采用此评判等级。瞬态干扰为偶然性发生,且引起的电网干扰时间不长,故暂时性能降低,也就是评判等级B.

A.EMS试验项目及干扰实质分析

浪涌SURGE:波形1.2/50us;8/20us,是一种脉冲宽度为几十个μs的脉冲,是一种传导性干扰,因其脉冲携带较强能量,故需要对所有功能端口做相应程度的防护,否则会引起内部电路元件的永久性硬损伤。

静电ESD:波形上升沿为0.7-1ns,是一种脉冲宽度为几十个ns的脉冲,因其峰值电压范围在数千至上万伏,故脉冲也具有一定的能量,须在端口做防护。由于其上升沿很陡,故其携带的高频谐波很丰富,可到几百MHZ,所以静电在仪表所有裸露的金属部件(包含端子,螺钉等)进行接触放电或孔缝(包含LED指示灯的开孔,各种散热和观察孔)时,或分别对水平耦合板和垂直耦合板间接放电时,均会在放电点瞬时形成一个高频电场,通过空间对电路进行干扰,这种干扰是共模干扰。因此,静电设计时应注意端口保护和空间高频辐射场两方面内容。

电快速脉冲群EFT/B:波形上升沿为5ns,波形为数个周期脉冲串的组合,能量很低。干扰的性质和静电一样是共模,干扰路径既包括传导也包含辐射。

传导敏感度CS:共模干扰,干扰频段从150KHZ到80MHZ。在进行项目试验时,其干扰信号源至产品的线缆长度与干扰频段(30MHZ)对应的波长λ的1/4比拟,故在施加干扰电压的调制频率超过30MHZ时,因趋肤效应,干扰信号主要以空间辐射方式出现(低于30MHZ时,主要还是以传导方式干扰)。

辐射敏感度RS:共模干扰,干扰频段从80MHZ到1GHZ。需注意:连接的线缆充当接收天线,干扰为电磁场的远场。

EMI试验项目及干扰实质分析:试验包含传导发射CE和辐射发射RE。

CE的频段为150KHZ-30MHZ

RE的频段为30MHZ-1GHZ

对于通用的物联及智能产品,主要考察其内部电源(通常为开关电源)、晶振(包括有源晶振和无源晶振)等主要骚扰源通过天线(连接线及走线)形成的传导和辐射,在设计时应注意对上述骚扰源的处理(在课题中我有分析)。

3.电磁兼容设计方法

A.电磁兼容设计的基本思路

出现EMC问题,必须有干扰源,耦合路径及敏感设备三要素,缺少任何一个环节,均不能构成EMC问题。因此,针对EMC问题,其设计就是针对三要素中的一个或几个采取技术措施,限制或消除其影响,基本思路可分为“堵”和“疏”两类。

“堵”通过增加共模滤波器,采用光耦等隔离或线缆套磁环等方式增加共模阻抗;

“疏”就是通过电容形成高频通路,将共模干扰引入阻抗更低的地(PE)或金属壳体等等。好的EMC设计往往可以通过既“堵”又“疏”的方式,在成本增加不大的情况下,可获得较好的EMC性能。

B.EMC解决手段

屏蔽&接地和滤波是EMC解决的三种方法。

4.原理图方面设计

在确定产品&设备需要满足的电磁兼容项目及试验等级后,在原理图设计时就有必要对相关试验项目进行设计,最大程度降低电磁兼容风险和节省项目开发时间。

A.端口设计

产品&设备的端口包括电源端口及信号端口,在EMC测试项目中针对端口的试验包括浪涌SURGE,静电ESD,电快速脉冲群EFT/B,传导敏感度CS,传导发射CE,电压暂降、短时中断和电压变化。

因此在设计中应遵循先进行浪涌防护后进行隔离/共模滤波的顺序进行。

B.浪涌防护设计

浪涌分为差模浪涌和共模浪涌两种。如信号端口(也包含工作电源端口)的进线和回线间为差模浪涌,电路的进线和回线分别对地(接地端子)为共模浪涌。

抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件,如气体防电管、压敏电阻、TVS等等。不同的端口根据其功能,选用不同的组合方案进行浪涌的防护。

C.共模滤波器的设计

通过在端口附近设计共模滤波器,对共模干扰进行旁路。

滤除共模干扰也可采取设计隔离元件等增大共模阻抗的方式或通过电容接地(如果端口设计有接地端子,应满足相应安全要求)的方式来实现。

设计共模滤波器,首先要注意系统经常出现的共模干扰的频段,以便选择合适的电感、电容参数。若需要同时抑制低、中、高频的共模干扰,有时可采用低频和高频共模滤波器串联的方式来解决。

目前的物联网及智能设备产品往往都会采用开关电源,由于开关电源是一个重要的对外干扰源,需要在端口设计EMI滤波器。

另外,从EMS角度考虑,由于隔离变压器的输入输出间存在较大的分布电容,高频共模干扰可以毫无衰减地从输入耦合至输出,因此也需要在开关电源前设计滤波器。

我通过我的培训课程有推荐标准的输入滤波器的电路结构及参数可供参考。

标准电路的结构如下;图2

当无PE时,输入EMI滤波器就没有Y电容的设计。共模扼流圈在绕制中会产生1%左右的漏感,可直接利用来进行差模滤波,若要加强差模滤波,则需要增加差模电感设计。需要强调的是,上面图2所示滤波器在进行PCB布板时,应尽量摆放在靠近于端口的位置,且印制线走线应注意控制环路面积,让滤波器获得最大的插入损耗。

D.敏感电路及器件设计

在设计中需要注意对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件的设计。

尽量采用抗扰度高的器件,在功能满足的情况下,尽量降低晶振的频率,尽量选择上升沿较缓的器件。

电容、电感非理想器件的寄生参数,在高频时将会大大影响其滤波效果,所以对不同频段的干扰信号应选择不同的滤波参数。

以电容为例,其频率阻抗曲线见图3.这里需要强调的是,该类器件的引线过长时,其高频下寄生参数会降低自身的谐振频率,建议尽量采用贴片器件。

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