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高速电路的电磁兼容分析与设计

2017-07-04
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电磁兼容性是指电气和电子系统及设备在特定的电磁环境中,在规定的安全界限内以设定的等级运行时,不会由于外界的电磁干扰而引起损坏或导致性能恶化到不可挽救的程 度,同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平,不影响其他电子设备或系统的正常运行,以达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。


  1 电磁兼容产生的因素


  (1)电阻的频率特性。在数字电路中,电阻的主要作用在于限流和确定固定电平,在高频电路中,存在于电阻两端的高频寄生电容会对正常的电路特性造成破坏。同样电阻的引脚电感对电路的EMC影响很大。


  (2)电容的频率特性。电容器一般应用在电源总线,它提供去耦合、旁路和维持固定的直流电压和电流的作用。但是在高频电路中,当电路的工作频率超过了电容的自谐振频率时,其寄生电感将使电容表现为电感特性,从而失去原有的功能并影响电路的工作性能。


  (3)电感的频率特性。电感器是用来控制PCB内的EMI。当电路的工作频率增加时,电感的等效阻抗会随着频率的增加而增大,当电路的工作频率超过电感的工作频率上限时,电感将会影响电路的正常工作。


  (4)导线的频率特性。PCB上的走线和元器件的引脚导线都有寄生电感和电容,这些寄生电感和电容会影响到导线的频率特性,从而有可能在元器件和导线之 间产生谐振,致使导线成为电磁干扰的重要发射天线。通常,导线在低频段表现为电阻特性,在高频段则表现为电感特性,因此在PCB上,导线的长度一般要求小 于工作频率波长的二十分之一,以避免导线成为电磁干扰的发射源。


  (5)静电。静电放电问题已经成为电子产品的一大公害,可能给产品带来永久性的损坏,因此在产品设计中,必须采取相应的静电防护措施。常用的防静电措施包括选择具有防静电材料,采用电气隔离措施,提高产品的绝缘强度以及设置良好的静电屏蔽层和泄放通道等。


  (6)电源。随着高频开关电源的广泛应用和电力系统负荷的不断增加,电源对产品的干扰问题逐渐成为影响产品EMC特性的一个重要因素。因此,一些易受干 扰的敏感设备已经不直接采用交流供电而改用直流供电,这样虽然增加了系统的复杂性和成本,但是有效提高了系统工作的稳定性。


  (7)雷电。雷电实质上是一种正负电荷中和的强静电放电过程,由此产生的强电磁脉冲导致各种电子设备受损的主要原因。雷电对电子设备的影响包括直击雷和 感应雷两种,现在各种室内使用的电子设备,一般不容易遭受直击雷的影响,但是依然容易受到感应雷的损害。为了确保电子设备的安全运行,必须对电子设备进行 防雷击保护。常用的防雷措施包括设置避雷针、安装避雷器和避雷线等。


  2 电磁兼容产生的要素


  理论和实践的研究证明,不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:存在一定的干扰源、有干扰的完整耦合通道、有被干扰对象的响应。


       2.1 电磁干扰源


  电磁干扰源指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。高频电路对电磁干扰尤为敏感,因而需要采取多种措施来抑制电磁干扰。经过理论与实验分析得知:高频电路中,电磁干扰主要来自以下几个方面:


  (1)器件工作的噪声干扰


  (a)数字电路工作时产生电磁干扰。


  (b)信号电压、电流变化产生的电磁场干扰。


  (2)高频信号噪声干扰


  (a)串扰:是指一个信号在传输通道上传输时,因电磁耦合而对相邻的传输线产生不期望的影响,在被干扰信号表现为被注入了一定的耦合电压和耦合电流。过大的串扰可能引起电路的误触发、时序延时,导致系统无法正常工作。


  (b)回波损耗:当高频信号在电缆及通信设备中传输时,遇到波阻抗不均匀点时,就会对信号形成反射,这种反射不但导致信号的传输损耗增大,并且会使传输信号畸变,对传输性能影响很大。


  (3)电源噪声干扰


  PCB中的电源噪声主要由电源自身产生或受扰感应的噪声组成,主要表现为:

①电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声;

②共模场干扰;

③差模场干扰;

④线间干扰;

⑤电源线耦合。


  (4)地线噪声干扰


  由于地线上存在电阻、阻抗,当电流通过地线时,就会产生压降,当电流足够大或工作频率足够高时,这个压降会大到足以对电路造成干扰。地线导致的噪声干扰主要包括地线环路干扰和公共阻抗耦合干扰。


  (a)地线环路干扰:当多个功能单元连接在地线上时,如果地线中的电流足够大,则会在设备间的连接电缆上产生压降。由于各个电路间的电气特性不平衡,每 根导线上的电流会不同,因此产生差模电压,从而对电路造成影响。此外外部电磁场也有可能在地线环路中感应出电流,从而导致干扰。


  (b)公共阻抗耦合干扰;当多个功能单元公用同一段地线时,由于地线阻抗的存在,各个单元的地电位之间会发生相互调制,从而导致各个单元信号间相互耦合产生干扰,在高频电路中,电路处于高频工作状态,地线阻抗往往较大,此时的公共阻抗耦合干扰尤其明显。


  消除公共阻抗耦合的途径有两个:一个是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方 式避免容易相互干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。如前所述,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的 电感。这包括使用扁平导体做地线,用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中专门用一 层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地,并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在 实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于相互干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分 类,然后在同类电路内部用串联单点接地,不同类型的电路采用并联单点接地。


  2.2 抑制耦合通道


  高速电路中电磁干扰的主要耦合通道包括辐射耦合、传导耦合、电容耦合、电感耦合、电源耦合以及地线耦合等。


对于辐射耦合来说,其主要抑制方法是采取电磁屏蔽,将干扰源与敏感对象有效隔离。


  对于传导耦合来说,其主要的方法是在信号布线的时候,合理安排高速信号线的走向。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,以免发生信号反馈或串扰,可在 两条平行线间增设一条地线加以隔离。对于外连信号线来说,应尽量缩短输入引线,提高输入端阻抗。对模拟信号输入线最好加以屏蔽,当板上信号导线阻抗不匹配 时,会导致信号反射,当印制导线较长时,线路电感会导致减幅振荡。通过串入阻尼电阻(阻值通常取22~2 200 hm,典型值为470 hm),可有效抑制振荡,增强抗干扰能力,改善波形。


  对于电感、电容的耦合干扰来说,可采用如下两个方面进行抑制:一方面是选择合适的 元器件,对于电感电容,应该根据不同元器件的频率特性来选择,对于其他元器件,则应选择寄生电感、电容较小的器件。另一方面是合理地进行布局和布线,要尽 量避免长距离平行布线,电路中电气互连点间的布线力求最短。信号(特别是高频信号)线的拐角应设计成45度走向或称圆形、圆弧形,切忌画成小于或等于90 度角度形状。相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线的形式以减少过孔的寄生电容和电感,过孔和管脚之间的引线越短越好,并可以考虑并联打多个过孔或 微型过孔以减少等效电感。选用元器件封装时,应选择标准封装,以减少因封装不匹配而导致的引线阻抗及寄生电感。


  对于电源耦合以及地耦合 来说,首先应注意降低电源线和地线阻抗,对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象需采取必须措施。在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容 以缩短开关电流的流通途径。将电源线和地线设计成格子形状,而不用梳子形状,这是因为格子状能显著缩短线路环路,降低线路阻抗,减少干扰。当印制电路板上 装有多个集成电路,且部分元件功耗较大,地线出现较大电位差,形成公共阻抗干扰时,宜将地线设计成封闭环路,这种环路无电位差,具有更高的噪声容限。应尽 量缩短引线,将各集成电路的地以最短距离连到电路板的入口地线,降低印制导线产生的尖峰脉冲。让地线、电源线的走向与数据传输方向一致,以提高电路板的噪 声容限。尽量采用多层印制电路板,降低接地电位差,减少电源线阻抗和信号线间串扰。当没有多层板而不得不使用双面板时,必须尽量加宽地线线条,通常地线应 加粗到可通过3倍于导线实际流过的电流量为宜,或采用小型母线方式,将公共电源线和地线尽量分布于印制板两面的边缘。在电源母线插头处接入 1μF~10μF的钽电容器进行去耦,并在去耦电容并联一个0.01 μF~0.1μF的高频陶瓷电容器。


  2.3 保护敏感对象


  对敏感对象的保护主要集中在两个方面,一方面是切断敏感对象与电磁干扰之间的通道。另一方面就是降低敏感对象的敏感度。


  电子设备的敏感度是一柄双刃剑,一方面使用者希望电子装置的灵敏度高,以提高对信号的接受能力;另一方面,灵敏度高也意味着受噪声影响的可能性越大。因此电子设备的敏感度应根据具体情况来确定。


对于模拟电子设备来说,通常采用的方法是采用优选电路,比如设计低噪声电路、减少带宽、抑制干扰传输、平衡输入、抑制干扰及选用高质量电源等。通过这些方法可以有效降低电子设备对电磁干扰的敏感度,提高设备的抗干扰能力。


  对于数字式电子设备来说,应在工作指标许可的情况下,采用直流噪声容限高的数字电路,例如CMOS数字电路的直流噪声容限远高于TTL数字电路的直流噪 声容限;在工作指标许可的情况下,尽量采用开关速度低的数字电路,因为开关速度越高,由它引起的电压或电流的变化也就越快,从而越容易产生电路间的耦合干 扰;在电路可接受的前提下,尽可能提高门槛电压,利用在电路前设置分压器或稳压管的方法来提高门槛电压;采用负载阻抗匹配的措施,即使负载阻抗等于信号线 的波阻抗,消除数字信号在传输过程中由于折射和反射的作用而产生的畸变。通常情况下,对敏感对象的保护需要与对干扰源的屏蔽以及对耦合通道的抑制结合起来 使用,并且需要在实践中根据实际情况进行反复实验,以达到最好的防护效果。


  总结


  高速电路板的电磁兼容分析与设计是一个系统性很强的工作,需要大量的工作经验积累。电磁兼容设计是关系电子系统是否能实现功能、满足设计指标的关键之一,随着电子系统的复杂程度增加,工作频率增高,电磁兼容设计在电子设计中的地位将越来越突出,越来越重要。


 来源: EDN电子技术设计




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