EMC(电磁兼容性)

电路板整体布局及器件布置1. 一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的；在一个PCB板上，元件的布局要 求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉，过孔要尽量少；电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3： 2或4： 3； 4层板比双面板噪声低20dB。 6层板比4层板噪声低10dB。经济条件允许时尽量用多层板。2. 电路板一般分模拟电路区（怕干扰），数字电路区（怕干扰、又产生干扰），功率驱动区（干扰源），故布板时要合理地分成三区。3. 器件一般选择功耗低，稳定性好的器件，而且尽量少用高速器件。4. 线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽，最好使用大面积敷 铜，这对接地点问题有相当大的改善。5. 外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产生对外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高 的应用系统中，选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一。以8051单片机为例，最短指令周期1?s时，外时钟是12MHz。而同样速度的Motorola 单片机系统时钟只需4MHz，更适合用于工控系统。近年来，一些生产8051兼容单片机的厂商也采用了一些新技术，在不牺牲运算速度的前提下将 对外时钟的需求降至原来的1/3。而Motorola单片机在新推出的68HC08系列以及其16/32位单片机中普遍采用了内部锁相环技术，将外部时钟频 率降至32KHz，而内部总线速度却提高到8MHz乃至更高。6. 布线要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等.，它们的走向应该是呈线形的（或分离），不得相互交融。 其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形。对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。 所以“合理”是相对的。上下层之间走线的方向基本垂直。整个板子的不想要均匀，能不挤的不要挤在一齐。7. 在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和CPU的时 钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些特别是晶振下方不要走信号线。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有 可能，应另做电路板，这一点十分重要。二.地线技术1. 模拟电路和数字电路在元件布局图的设计和布线方法上有许多相同和不同之处。模拟电路中，由于放大器的存在，由布线产生的极小噪声电压， 都会引起输出信号的严重失真，在数字电路中，TTL噪声容限为0.4V0.6V,CMOS噪声容限为Vcc的0.30.45倍，故数字电路具有较强的抗干扰的 能力。良好的电源和地总线方式的合理选择是仪器可靠工作的重要保证，相当多的干扰源是通过电源和地总线产生的，其中地线引起的噪声干扰最 大。2. 数字地与模拟地分开（或一点接地），地线加宽，要根据电流决定线宽，一般来说越粗越好（100mil线经约通过1到2A的电流）。地线电源线 信号线是线宽的合理选择。3. 电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。4. 为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，在其安插一些零伏线作为线间隔离。特别是输入输出信号间，三.去耦、滤波、隔离三大技术1 .电源输入端跨接10100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好；原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印 制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110pF的但电容；对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的 电源线和地线之间直接接入退藕电容；2. 滤波指各类信号按频率特性分类并控制它们的方向。常用的有各种低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。低通滤波器用在接入的交流电源线 上，旨在让50周的交流电顺利通过，将其它高频噪声导入大地。低通滤波器的配置指标是插入损耗，选择的低通滤波器插入损耗过低起不到抑制 噪声的作用，而过高的插入损耗会导致“漏电”，影响系统的人身安全性。高通、带通滤波器则应根据系统中对信号的处理要求选择使用。3. 典型的信号隔离是光电隔离。使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本 身的噪声也不会以传导的方式传播出去。屏蔽则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源，用金属盒罩起来，可减少噪声源对单 片机系统的干扰。对特别怕干扰的模拟电路，如高灵敏度的弱信号放大电路可屏蔽起来。而重要的是金属屏蔽本身必须接真正的地。有关部门很早就认识到EMC保护的重要性，并制定了相应的设备兼容性标准。例如，IEC1000-4标准测试方法，其中包括：IEC1000-4-2静电放电（ESD）测试方法，IEC1000-4-4快速瞬变（FTB）测试方法和IEC1000-4-5高能量瞬态响应（浪涌） 测试方法，所有的测试方法都以电噪声的实际模型为准则。一、EMC保护电路：隔离因为信号电路无法承受千伏级电压，这种干扰必须排除在输入电路之前，可以将其转变成电流信号、然后转化成热量消耗掉。地回路电流可以进入接口并流过整个电路，一般需要电流隔离。在连接线较长或地回路电流较大的工业 系统中，隔离是一种行之有效的办法。一个峰值为30A的ESD脉冲在地线上会产生几十豪伏的电阻压降，但是它陡峭的上升时间（30A/ns）可以在同样的线路上（假设线电感为1nH/cm）产 生高达几百伏的感应电压，足以导致错误数据的产生，如此高的频率将产生集肤效应，使线电阻显著增加。为了抵消这种效应，需要采用大面积接地以 获得低阻特性。快速上升脉冲将产生FTB和ESD干扰，通过电容耦合到低噪声区域。在解决这个问题时，经常有人错误地在主电源变压器上增加额外的绕组来提供一个隔离的电源，这种方法只能导致干扰进一步扩散，使整个电路受到影响。一种低成本的解决方案是采用MAX253驱动器构成前向电压转换器，提供隔离电压。MAX253具有小的封装，可提供有效的噪声屏障。微型变压器要求耦合电容低于10pF、功率1W、隔离电压为1kV （见图1）。气体放电管一种充满氖气的蝶形电容器。电压超过100V时产生一个等离子区能够限制最高电压，它可以承受较大的电流，具有较小的漏电流。气体放电管可吸收高压瞬态脉冲，但是，由于生成等离子区需要一定的时间，它不能吸收快 速瞬变脉冲，不能用作主要保护手段。压敏电阻器一种由金属氧化物（主要为锌）制成的保护器件。它的功能近似于齐纳二极管，响应速度比气体放电管快，但漏电流比较高，尤其是在信号接近于钳位电压时。Transzorb二极管用于限制低压信号的快速瞬变，其功率耗散能力受其尺寸的制约。同压敏电阻类似，在接近击穿电压时有较大的漏电流。节点电容较大，在快速瞬变系统中用二极管桥退耦。ESD结构一种新颖的设计方案，它将双向二极管集成在MAX202E，MAX485E和其他RS-232/RS-485收发器芯片中（新推出的模拟开关，如MAX4558, 也集成类似功能）。它们具有低电容和低漏电流特性，适合于ESD和FTB保护。扼流圈、铁氧体能衰减高频和快变电压峰值，但不能吸收额外能量。为避免谐振，总是和电容衰减器一同使用（类似于T型结构的LC滤波器），这些器件经常用来抑制共模干扰并作为主要滤波器件。电容器是重要的保护元件之一，具体应用中需要考虑的参数包括：等效串联电IWESR）、磁感应系数、额定电流和额定电压。串联电阻是重要且廉价的保护器件之一，适当地选定电阻值和功率耗散值，可以替代许多昂贵的保护器件。二、EMC保护电路的应用：热电偶为避免由于地环路电流的影响造成信号失真，多数热电偶应用中在信号采集和信号处理之间提供电流隔离。如图2,差分信号通过多路复用器馈送到仪表放大器的输入端，然后送入A/D转换器（ADC）转换成数字信号，ADC的数字输 出信号通过光或磁耦合器传输。热电偶每个电极采用一个简单的低通RC网络（2kQ & 100nF）提供保护，另外，在电路公共端和设备机柜接地端之间还需接入一个具有高额定电压的1nF电容，该电容器将ESD干扰旁路到地，维持直流电流的隔离。它同时组成一个电 容分压器，降低隔离电源的峰值电压。为进一步限制峰值电压，可以将一个压敏电阻和该电容并联。图中2kQ电阻必须能够承受高压（8kV ESD），在FTB 和浪涌测试中能够耗散相当大的功率。但是，由于漏电流在流过该保护串联电阻时将引起静态信号误差，需考虑多路复用器、缓冲放大器等产生的漏电 流。MAX4052A多路复用器引脚兼容于工业标准器件4052，在扩展温度范围内保证最大漏电流不超过5nA，25时漏电流典型值为2pA，可能产生的最大误差只有2pV。这个误差是大多数热电偶允许接受的。如果采用仪表放大器做信号缓冲（使 用MAX4524四运算放大器），将使泄漏电流在扩展温度范围内降低到100pA，25C时典型值为1pA。另外，极低的输入失调电压温漂系数（只有0.3pV/C） 使该缓冲器非常适合于高阻抗、小幅值信号源。另外一个可替代方案是采用MAX1402单片信号采集器，该芯片内部包括S-A A/D转换器、缓冲放大器、多路复用器以及供传感器激励用的电流源，具有非常低的输入漏电流，大大简化了系统设计。图2、热电偶应用中在信号采集与信号处理之间提供隔离角度编码器角度编码器可以用来测定电机转子的位置，精密的定位系统采用双通道、正交差分正 弦信号作为高精度转子的位置指针，这样的系统经常需要采用RS-485/422串行总线来设置编码器初始化参数，有时这些传输线需在远距离传送几kHz的模拟信号或速率为几Mbit/s的数字信号（见图3）。这种情况下无法采用大阻值串联电阻或无源阻容网络作为保护电路，图中，终端电阻（通常为120ohm） 用来防止信号反射。该系统中首先需要提供ESD和FTB干扰保护，传统的数据收发器（图4）中，差分发送器输出电压由Transzorb二极管限制，接收器也带有同样的保护。为满足发送器与接收器共模电压指标的非对称性EIA-422A:-7V至+12V）,需采用不对称的保护网络。发送器和 接收器输入端具有相同的共模范围，可以采用同一个Transzorb二极管。也可以采用MAX490E RS-422收发器取代的共模范围，可以采用同一个Transzorb二极管。也可以采用MAX490E RS-422收发器取代整个保护网络，它集成有ESD和FTB保护电路。实际应用中， 收发器的地必须尽可能短距离的和机壳/大地相连接，如果采用屏蔽线，屏蔽层也需要短距离与此点相连。当两个分立的接地点之间具有较大的交换电流 时，可在屏蔽层和大地之间串联一个100Q的电阻，最好加上一个具有低ESR值的旁路电容。如果系统需要浪涌保护，则采用外部保护网络，一个可取的方法是在线路终端串联限流电阻。这在接收端很容易实现，它只会产生微小的信号跌落。在发送端则需确认大约10Q的串联电阻是否可以接受，因为MAX490E的差分输出阻 抗大约为40Q。实用电路中一般还在数据线上串接PTC保险丝（图4）。标准信号接口信号传输模式的选择取决于系统的信号源和信号传输距离，对于宽带、远距离传输，经常需要将信号转换为高电平：0V至10V、-10V至+10V、 4mA至20mA，或采用差分模拟信号，有些系统则通过有线、光纤、无线等方式传送数字信号，任何情况下，都需要将传感器尽量靠近信号源安装，以 减小噪声影响。一个10V的接口，在电机控制应用中经常用来设置目标位置，其应用环境非常嘈杂，配线一旦发生故障将导致24V工业电源损坏。信号线保护器MAX4506和MAX4507具有60Q的导通电阻和全温度范围内最大20nA的漏电流，提供了 一个极好的接口保护，当较大幅度的信号通过该芯片时，系统不受影响地通过该IC。如果干扰导致保护端信号超出电源电压（正端或者负端）线保护器 将对此故障信号呈现高阻。它可以承受36V的故障电压（断电时达土40V）。为了确保系统及其各单元必须满足的电磁兼容工作特性，国际有关机构、各国政府和军事部门以及其他相关组织制定了一系列的电磁兼容性标雕和规范。 标准和规范对设备或系统非预期发射和非预期响应作出了规定和限制，执行标猴和规范是实现电磁兼容性、提高系统性能的重要保证。电磁兼容性标准和规范是进行电磁兼容性设计的指导性文件，也是电磁兼容性试验的依据，因为试验项目、DD试方法和极限值等都是标准和规范给定 的.1.标准和规范的主要内容及特点标准和规范的区别在于：标准是一个一般性准则.由它可以导出各种规范；规范则是一个包含详细致据、必须按合同遵守的文件。标准和规范的类别 和数量是相当多的，其主要内容可以归纳为以下四部分，(1) 规定名词术语。例如中国国家军用标准oJB7285“电磁干扰和电磁兼容性名词术语”，美国军用标准M几一sTD463A电磁干扰和电磁兼容性技术 的术语定义和单位制”等。(2) 规定电磁发射和敏感度的极限值。例如，oJBl5186“军用设备和分系统咆磁发射和敏感度要求”，MILsTD461D“电磁干扰发射和敏感度控制要 求吧等。(3) 规定统一的酗试方法。例如，GJBl5286“军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量，”M 几sTcL462“磁干扰特性的测旦”等。(1)规定电磁兼容性控制方法或设计方法。例如，国家标淮oD749587“架空电力线路与调幅广播收音机、台防护间距”，GJB34487“敏感电起煤韶通 用设计规范”等。电磁兼容性标准和规范表示的概念是；如果每个部件都符合该规范的要求，则设备的电磁兼容性就能得到保证。由于电磁兼容性领域讨论和处理的是 设备或系统的非设计性能和非工作性能，例如发射机的非预期发射和接收机的非预期响应，很自然，电磁兼容性标准和规范也要强调设备或系统特性的 非预期方面，井用相应的词句描述。在使用电磁兼容性标准和规范时，一个非常重要的参数是电磁干扰安全余量(EMIsM)。这个概念既可用于传导干扰，又可用于辐射干扰。不过传导干 扰的途径一般易于确定，而接受器接收到的辐射信号却与它到源的距离以及相对于源的物理方位有关，如图L5所示。因此，辐射耦合的安全余量就应该比传导耦合的大。2.国内电磴兼容性标准和规范我国的电磁兼容性标准和规范制度 工作开展较晚，与国际发履水平有一定 差距.国内第一个无线电干扰标准是 1966年制定的JB854-66 “船用电气设 备工业无线电干扰端子电压测量方法与 允许值”，该标准是当时的第一机械工业 部的部级标准，它比美国的第一个无线 电干扰学准晚20年.近年来，本着认真 研究和哉极采用国际标准并借鉴国外先 进标准的基本方针，为制订我国的电磁 兼容性株准和加范作了大鱼工作。1981 年，由国家标准局召集有关部门和单位成立了 “全国无线电干扰标准化工作组”，提出制定 包括国家级和部级共32项电磁兼容性标准和规范的计划。这个计划的实施和完成，使我国 逐步建立了一个适合我国国情又能与国际标准接轨的电磁兼容性标准体系。与此同口寸，在 防科工委领导下，各军兵种、工业部门共同努力，参照美国军用标准和规范并结合我国 国情，制定出一系列军用电磁兼容性标准和规范。例如，1986年国防科工委正式颁布的 GJB151、GJB152和 372就是我国,雇与器”质|设备I |传导发射 I m射发射设备3传导敏感度琨射敏.感度E2设备2距离图1.5传导和播射的发射及敏感度用的电磁兼容性标准。这些标准和规范的制定和实施，使我国电子、电气产品的工作可靠性和稳定性显著提高，环境电磁污染也得到一定控制。另外，电磁兼容性标准对电子 设备和系统的研制与生产提出了新的要求，许多工厂、研究所都把电子设备的电磁兼容性设计作为重要的设计内容。我国巳颁布和实施的电磁兼容性国 家标准和国家军用标准和规范一部分列于表11中。表1-1电磁兼容性国标和国军标（部分）代 号标准和规范的名称GB3907-83工业无线电干扰基本测量方法GIM34384电动工具,家用电器和类似器件的无线电干扰特性测量方法租 允许值GB4365 舞-无线龟于扰名词术塔G 瑚824.1 84工业,科学和医疗射频设备无线电干扰的允许值GB482土 2 一 引工业，科学和医疗射频设备无线电干扰特性测羲方法GBM59 朗电气设备的抗干扰特性基本测量方法GJB7 84微波辗射安全限值GB6 113-85电磁干扰测量仪GB6H4-85广播接收机干扰特性测量方法一httpy/www. EMCC hfna. org和 号似番他卷地的名称GB6I62A5志理电及保炉岐童的旭，干执GJB72-85电Ttt*电财篆容姓名诵木语OJB15J-8S平用波冬林分*统电感发射和够度赛求GJB1628G军用设备和分，级咆眦发tt和度浦GB6270-86车弱、机%fifc火花点火发命机环场公宜无坎电ftt传性的88 方宏为允许atOB5364T6航空无税电号航站台电。邱境赛或Gg3378电电磁荣宫性试BWGJB344-fi7做感电K4K4用设什现薄OJB358 -87军Ml飞机电祐接技术要或GJB403.7-”用技术条件，*!求和测GS236-”广度牧乳干扰特性眼GB734377i0tHi-3CMHitttatftW40WM元件MWtt的潢It方法G 酊 349-87冬压架空输电戎.变电站无狡电干方法GB7432T7同1*电级被汝趣信届坟抗无线电广和骚常干扰的措祚OB7433-87对弥电成”波源信扉说抗无绞电广播他通信下找龄相标GB7434-H?柴空眼级致波透绯系统代无税电广帝佃通信干tt的指味OB74fi5-R7JC电力玫鸟混H广希帆.台陪护何距GJB47S-W生活区安全阪制GJE6-88生活K*2W射JN量方核GB9I7S朗膝境电砥放1，生板鹿GB92648H-1857接地，搭接和屏蔽的设计实例MTUB-5087B航天设备的电气搭接和闪电保护MUz-STD-ISlOD标舶搭接.接地和其他电破釜容和苒他技术MTlz-STD.461B控制电磁干扰的发射与敏窸度要求MIL-STLM62电磁干扰特性的测量MIL-STD-463A电磁干扰和电应兼容性技术的术浴定义和单位制MLSTIX469雷达工程设计的电破象容性要求MTL-E-6051D系统电匿兼容性要求MIL-B-6181D机栽设备干扰投制要求MIL-STIXI704A机载电源的特性及其应用MIL-STD-1541空间系统电破紫容性要求MIUSTD-1642空间系统装备的电磁兼容性和接地受求MIL-E-16400G海军规艇和岸用内部电于通值,导航设备般规范MILSTD-1385消除电畋场对武费危害的一般要求MIL-STD-235设计和采购电/和电子设备时.对电毯辐射环境的考虑 囹国雨磁兼容网httrr/wwEMCChinaor0代 号MIVHDBK-237MELHDBK-241, MLHDBK-241MLHDBK-253MSTD220A标鹿和规范的名称电破兼容性/电磴干扰的程序要求_电破辐射的危害性疝茹赢应荷离航和试网一二http:/www.EMCChina.org