寻找EMC对策,关键在于实际产品与理论相结合

2016-03-06 08:10:16来源: 技术在线
    现在,受到EMC(电磁兼容性)问题困扰的技术人员越来越多。这是因为随着产品向多功能化、高功能化和高速化发展,EMC对策的难度也与日俱增。车载电子产品称得上是一个典型的代表。对此,日本Qualtec可靠性测试中心所长前野刚指出:“只要掌握了诀窍,就能找到EMC解决方法。”围绕EMC对策当前的课题和对策的重点,前野所长接受了记者采访。(采访人:近冈裕)

——听说以车载电子产品为代表,对于最近的电子产品,很多电路设计人员都在为EMC对策犯愁。首先请您用外行也能理解的语言,简单介绍一下EMC对策。

前野:基本来说,EMC就是指电子产品应当具备的电磁抗干扰性和耐受性。EMC有EMI(电磁干扰)和EMS(电磁耐受)两个方面。EMI是指电子产品工作时发出的电磁噪声(以下简称噪声)影响(干扰)周围其他电子产品工作的现象。EMS是指电子产品受到周围其他电子产品发出的噪声干扰的现象。

也就是说,EMC对策既要遏制自身发出的噪声,又要防止在周围噪声的影响下出现误操作。简单来说,就是防止电子产品成为噪声的“加害者”或是“被害者”。

——EMC领域现在正在发生哪些变化?

前野:之所以有很多人会受到EMC对策的困扰,是因为EMC对策的难度增加,出现的问题越来越多。最常出现的是关于高频噪声的问题。这是因为高频噪声转化成电波后容易发散,而且,拥有高频噪声对策设计经验的数字电路设计人员太少。其实在很多情况下,印刷电路板的铜箔图案(以下简称图案)也不适合抑制高频噪声。

车载电子产品等许多电子产品的数字电路正逐年向高速化发展。高速化是指时钟频率提高,1秒时间里重复的周期缩短,也就是实现了高频化。如此一来,高频噪声会随之增加。而且必须使用支持高速化的半导体。但适合高速化的半导体大多对噪声的耐受性比较差。总而言之,数字电路越向高速化、高频化发展,就越容易产生噪声、越容易受到噪声的干扰。

过去,我们身边的高频电路只有FM广播、电视机和收发器之类。日本的FM广播的频率是76~90MHz。不过,最近的车载电子产品等内嵌的数字电路的时钟频率要高于FM广播的频率。

也就是说,最近的数字电路开始频繁使用过去没有设想到的高频信号。但这些变化带来的问题,也是电路设计人员之前很少遇到的。因为不熟悉,所以设计的图案不合适,从而造成了问题。

而且,最近的产品增加了配备的接收器,而接收器对于噪声比较敏感,这也加大了EMC对策的难度。汽车过去只配备AM广播和FM广播的接收器,而现在增加了电视接收器、ETC接收器、GPS接收器和蓝牙接收器等。接收器会对非常微弱的信号作出反应,因此,电子产品必须采取精密的噪声对策,防止接收器受到干扰。

现在,面向自动驾驶的车车间通信已经在开发,今后应该会加快进度。到那时,汽车配备的无线通信媒体还会更多,EMC对策今后也会变得越来越复杂。

——不只是车载设备,数字产品、家电产品和工业设备等其他电子产品似乎也存在数字电路需要采取高频噪声对策、配备的接收器越来越多的情况。那么,在车载电子产品特有的EMC对策中,最近有没有特别引人关注的?

前野:有,就是混合动力车(HEV)和纯电动汽车(EV)用电子产品的EMC对策。HEV和EV需要向驱动电机通入大电流,并且通过PWM (脉冲宽度调制)控制来控制电机。PWM信号本身是100A级的大电流,而且是脉冲信号,因此含有大量的谐波。也就是含有大量的高频成分,很可能产生低频到高频的噪声,成为其他电子产品的干扰源。

而且,HEV的电子产品使用高电压。典型的混动系统使用650V电压。通常的汽车,也就是“12V车”可以采用“-(负极)”端直接与车体接地的“车身接地”。这是因为普通车使用的电压低,没有触电的风险。通过采用这种方式,比较容易降低电源线上的噪声。

但是对于HEV使用的高电压,就很难再直接采用车身接地的方法。因为高电压有可能导致触电。噪声对策的难度也相应提高了。而且,伴随多功能化和高功能化的发展,大量的电子产品密集地配置在一起,这也增加了EMC对策的难度。现在的汽车配备50多个电子产品。内置的MCU动辄超过100个。这些电子产品都密密麻麻地挤在狭小的空间里。

其实,电路板小型化对于EMC对策是有利的。因为小型化意味着天线变小,不容易接收到噪声。但电路板缩小后,相同的空间会挤进更多的电子产品。从而导致EMC环境恶化。

——有读者评价您的讲座“功率电子等车载电子产品的EMC兼容设计”富有实践性。为什么能做到这样呢?

前野:可能是因为我在讲课的时候,为了方便实际运用,会注意介绍电子产品产生的具体现象,并且回到基础理论的层面讲解现象。也就是尽可能将实际产品与理论结合起来,这应该是我讲课的一个特点。

学术性讲座大多是以讲解基础理论为主,虽然能够宽泛地进行学习,但运用到设计现场还存在一定难度。而拥有实务经验的讲师在讲课时会结合大量实例,虽然通俗易懂,但不具备普遍性,听众很难在实际工作中活学活用。

而且,大多数的学术性讲座没有一定基础很难听懂。而拥有实务经验的讲师教授大多是“杂学”,虽然能令听众“恍然大悟”、“点头称是”,但不深入讲解基础理论。无论是哪一种,都很难直接应用于实际工作。

因此,我的讲座综合了以实务为基础的讲座和学术性讲座。希望能够为听众正在挑战的EMC对策提供一点参考。

——这应该是实务经验丰富,而且取得了博士学位的前野老师独有的视角。请您通过具体例子,更详细地介绍一下。

前野:例如制作印刷电路板图案的“底片”。在制作过程中有“不能做的事情”和“必须做的事情”。不能做的事情之一是“不能在通用接地层上设置狭缝(去掉细长铜箔的部分)”。这是大多数电路设计人员都知道的“常识”。

比如说,有1块多层印刷电路板上设置了模拟电路、数字电路和电源电路。假设第2层是接地层,通过在图案上设置狭缝,使各条电路的接地分离(成3个)。对于这种情况,一般的讲座给出的说明是“狭缝会导致流出噪声增加。因此应当去掉狭缝,减少流出噪声”。关于狭缝的好坏,多数讲座只会讲到这里,然后就进入下一个话题。

但在我看来,正确方式应该是解释清楚为什么狭缝不好。的确,按照功能电路分离接地层也有起到良好效果的例子。但带来负面影响的情况要多得多。如果囫囵吞枣,条件反射式地记住“狭缝不好”,而不理解其中的原理,在设计现场就会被支持狭缝的上司和客户驳倒。在实际工作中,在不能设置狭缝的地方加入狭缝的情况也时有发生。

为了让大家理解原理,我讲课时首先会解释狭缝有哪些类型,然后讲解哪些狭缝好,哪些不好。然后回到基础理论的层面说明原因,让大家“信服”。

根据实践数据实践性地讲解,最后连同电磁能源的传输在内,对现象进行说明,让大家听懂。

——您现在虽然是EMC对策的专业人士,但年轻时也可能经历过失败。请问您在电装的时候,在EMC对策上吃过哪些苦头?

前野:进入电装的第3年,我作为一名技术人员,职业生涯才刚刚开始。我当时奉命设计车用收发器。因为是第一次主动参与设计,在设计的过程中,我很用心地学习。以前辈设计的取得了良好效果的接收器为基础,通过对高频放大部、频率转换部和局部振荡器进行调整,沿用中频放大器及其后续部件,总算是完成了接收器的设计。

我兴高采烈地制作出试制品,马上安装到汽车上进行测试。但没想到,试制品在单独工作时接收信号的灵敏度很高,但发动机启动后,接收灵敏度骤降。

原因说起来有点专业,是因为我为了防止大带宽的接收信号失真,在设计中频放大级时,采用了错误的参差调谐电路。因此,在经过调制后,汽车的点火噪声超过了途中的放大器接收到的信号。因为太想在接收灵敏度方面超过竞争对手厂商的产品,所以我忘了要充分考虑发动机的点火噪声的影响,真是很难为情。

有了这次失败,我第一次意识到了EMC的重要性。切身了解到了噪声有多可怕、在汽车中配备电子产品有多可怕。

——请介绍一下学习EMC对策时的重点。

前野:需要具备电磁学的思维模式。很多人以为EMC的问题可以通过高频电路技术解决,我过去也是这样想。但实际上,从电磁学角度把握能深化理解,是通往解决的一条近路。

比如说,很多人认为电流只在电路的布线(图案)中流动。但在实际的电子产品中,电路之间存在“空间耦合”。这用电磁炉的机制来解释应该比较容易理解。在电磁感应的作用下,线圈彼此分离,但能够通过空间传导高频功率。

印刷电路板中也是如此。仔细观察图案,就像是极薄的一匝线圈。这样的一匝线圈在印刷电路板内大量存在,其间就会产生空间耦合。具体包括电磁感应耦合和电容耦合。也就是说,电介质中有大量的噪声流通。理解这个现象需要一定的电磁学知识。

——哪些人员需要学习EMC对策相关知识?

前野:电子产品的电路设计人员、EMC设计审查(DR)委员,以及质检部门的工作人员。

关键字:EMC

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2016030651968.html
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