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1、電磁兼容報(bào)告題 目:如何保證電子設(shè)備的電磁兼容性專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 日 期: 如何保證電子設(shè)備的電磁兼容性一、 電子通信設(shè)備為什么要保證電磁兼容性:1、電磁能的廣泛應(yīng)用: 電和磁無時(shí)無刻不在影響著人們的生活及生產(chǎn),電磁能的廣泛應(yīng)用,使工業(yè)技術(shù)的發(fā)展日新月異。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電子,電氣設(shè)備進(jìn)入了人們生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,例如:(1) 通信:電話、電報(bào)、傳真、光纖通信、廣播電視。(2) 家用電器:電磁爐,微波爐,遙控玩具。(3) 生物醫(yī)學(xué):診斷(CT)、理療(高頻、微波)、手術(shù)(激光、微波手術(shù)刀)。(4) 工業(yè)應(yīng)用:電解(電解鋁、生產(chǎn)電石)、電鍍、加熱或烘干、高頻爐。(5
2、) 農(nóng)業(yè)應(yīng)用:滅蟲、育苗、磁化水。(6) 軍事應(yīng)用:雷達(dá)、電子對(duì)抗、激光武器、電磁武器。2、電磁干擾:電磁能在為人類創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí),也帶來一定的危害,被稱為電磁污染,研究電磁污染是環(huán)境保護(hù)中的重要分支。以往人們把無線電通訊裝置受到的干擾,稱為電磁干擾,表明裝置受到外部干擾侵入的危害,其實(shí)它本身也對(duì)外部其他裝置造成危害,即成為干擾源。因此必須同時(shí)研究裝置的干擾和被干擾,對(duì)裝置內(nèi)部的組織和裝置之間要注意其相容性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,日益廣泛采用的微電子技術(shù)和電氣化的逐步實(shí)現(xiàn),形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界空間電磁能量平均每年增長(zhǎng)7%-14%,在有限的空間和有限的頻率資源條件下,由于各種電
3、子、電氣設(shè)備的數(shù)量與日俱增,使用的密集程度越來越大,電磁干擾的嚴(yán)重性也就越來越突出。不斷研究和解決電磁環(huán)境中設(shè)備之間以及系統(tǒng)間相互關(guān)系的問題,促進(jìn)了電磁兼容技術(shù)的迅速發(fā)展。3、電磁輻射的危害:電磁能的廣泛應(yīng)用一方面推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步,豐富了人類的物質(zhì)文化生活,同時(shí)也使空間各種頻率的電磁輻射越來越強(qiáng),對(duì)人類造成了危害。例如可能干擾廣播、電視、通信信號(hào)的接收;可能干擾電子儀器、設(shè)備的正常工作,造成信息失誤、控制失靈等事故;可能引燃一些易燃易爆的物質(zhì),引起爆炸和火災(zāi);較強(qiáng)的電磁輻射對(duì)人體的健康有很大的影響。例如,廣州的白云機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)就曾經(jīng)受到的嚴(yán)重干擾。2002年1月20日,廣州白云機(jī)場(chǎng)由于附近無線
4、尋呼臺(tái)發(fā)射機(jī)群信號(hào)的干擾,迫使導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)閉通信扇面,導(dǎo)致大量的飛機(jī)在空中盤旋等待,使90多架航班延誤,6000多旅客滯留機(jī)場(chǎng)。美國(guó)航空無線電委員會(huì)也曾在一份文件中提到,一位旅客在飛機(jī)上使用調(diào)頻收音機(jī)使飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的指示偏離10度以上??梢?,抑制電子設(shè)備間的電磁干擾非常重要,為了防止一些電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾影響或破壞其它電子設(shè)備的正常工作,各國(guó)政府或一些國(guó)際組織都相繼提出或制定了一些對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾有關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn),符合這些規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品就可稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)不是恒定不變的,而是天天都在改變,這也是
5、各國(guó)政府或經(jīng)濟(jì)組織,保護(hù)自己利益經(jīng)常采取的手段。二、 電磁兼容的基本原理及保證電磁兼容性的設(shè)計(jì)方法;1、 電磁兼容性定義:電磁兼容是新的邊緣學(xué)科,隨著數(shù)字計(jì)算技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用而日益受到關(guān)注。電磁兼容(EMC)對(duì)于設(shè)備或系統(tǒng)的性能指標(biāo)來說,應(yīng)為“電磁兼容性”,但作為一門學(xué)科來說,應(yīng)為“電磁兼容(學(xué))”。電磁兼容性:英文全稱 Electromagnetic Compatibility,簡(jiǎn)稱EMC。不同的組織對(duì)其有不同的定義。(1) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4365-1995電磁術(shù)語(yǔ)的定義:設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。 (2
6、) 美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義:一個(gè)裝置能在其所處的電磁環(huán)境中滿意地工作同時(shí)又不向該環(huán)境及同一環(huán)境中的其他裝置排放超過允許范圍的電磁擾動(dòng)。(3) 國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)的定義:電磁兼容是設(shè)備的一種能力。它在其電磁環(huán)境中能完成它的功能,并不在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾。 盡管定義略有差異,但EMC基本包括兩個(gè)方面的要求:(1) 電磁干擾:是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾(ElectromagneticDisturbance)不能超過一定的限值;(2) 電磁耐受:另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一 定程度的抗擾度,即電磁敏感性。(Electromag
7、neticSusceptibility,即EMS)。2、 電磁兼容研究?jī)?nèi)容:(1) 電磁騷擾源:包括自然騷擾源和人為騷擾源,研究干擾產(chǎn)生的機(jī)理、騷擾源的輻射特性以及如何抑制騷擾的發(fā)射。(2) 騷擾信號(hào)的特性和傳播:主要研究騷擾信號(hào)的頻譜、帶寬、極化特性、共模騷擾和差模騷擾、近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)以及騷擾信號(hào)的耦合通道和傳播方式。(3) 接收器的研究:接收器對(duì)騷擾信號(hào)的響應(yīng)、騷擾信號(hào)對(duì)接收器的危害、接收器的電磁敏感性和抗干擾能力。(4) 測(cè)量技術(shù)的研究:電磁環(huán)境測(cè)量、輻射敏感性測(cè)量、輻射騷擾的測(cè)量、傳導(dǎo)敏感性測(cè)量。(5) 抗干擾技術(shù)的研究:屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、接地和搭接技術(shù)的深入研究,電子、電氣設(shè)備的電
8、磁兼容設(shè)計(jì),頻譜的利用與管理。(6) 電磁兼容性設(shè)計(jì):設(shè)備內(nèi)部的電路、器件不互相干擾,設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾強(qiáng)度低于規(guī)定的限值。(7) 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究:指定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各個(gè)頻段各類型的電子、電氣設(shè)備的輻射騷擾限值和對(duì)敏感度的要求,標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)騷擾的測(cè)量方法、儀器設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地等做了統(tǒng)一的規(guī)定。三、 電子設(shè)備可能面臨的電磁干擾及解決方法1,電子設(shè)備可能面臨的電磁干擾1.1、電磁干擾類型:(1) 按傳播途徑分類:包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾,例如通過導(dǎo)線傳輸?shù)尿}擾,通過等效電容耦合的騷擾,通過等效電感耦合的騷擾等;輻射干
9、擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備,例如通過近區(qū)場(chǎng)感應(yīng)耦合的騷擾,通過遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射耦合的騷擾等。(2) 按干擾來源分類:包括自然干擾和人為干擾自然干擾包括雷電產(chǎn)生的干擾和宇宙噪聲,例如太陽(yáng)黑子活動(dòng)造成的無線電干擾。人為干擾是指在人類的生活、交通、生產(chǎn)、等活動(dòng)中產(chǎn)生的電磁干擾。(3) 按信號(hào)的功能分類:包括功能性干擾和非功能性干擾功能性干擾是指設(shè)備正常工作時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾。例如廣播、電視、通信發(fā)射設(shè)備和雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)對(duì)其他設(shè)備的干擾。非功能性干擾是指無用的電磁泄漏產(chǎn)生的干擾,例如各家用電器在利用電磁能時(shí)伴有電磁輻射的泄漏。(4) 按特性分類
10、:分為射頻干擾、工頻干擾、靜態(tài)場(chǎng)干擾;連續(xù)干擾、脈沖干擾等。1.2、電磁干擾的三要素:(1) 電磁騷擾源:指產(chǎn)生電磁騷擾的元器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。(2) 騷擾信號(hào)耦合的通道:指騷擾信號(hào)傳播的途徑,包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。(3) 對(duì)此類騷擾敏感的儀器設(shè)備:被干擾體,對(duì)此類騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。1.3、電磁干擾源電磁干擾源可以分為自然騷擾源和人為騷擾源兩大類,其中人為騷擾源又可按照如下分類:(1) 按使用功能:利用電磁波傳遞信息的:比如廣播、電視、通信設(shè)備、雷達(dá)等,這些設(shè)備都希望信號(hào)越強(qiáng)越好,可能對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾稱之為功能性騷擾源。利用電磁能伴有電磁輻射的:微波爐、微波醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)
11、工具、電弧焊機(jī),這些稱之為非功能性騷擾源。(2) 按輻射頻率分類:射頻電磁場(chǎng):廣播、電視、通信、雷達(dá)發(fā)射設(shè)備、ISM設(shè)備。工頻電磁場(chǎng):高壓輸電線路、電氣化鐵路。靜電場(chǎng):工業(yè)中的生產(chǎn)工藝過程中,由于摩擦、分離產(chǎn)生的靜電。恒定磁場(chǎng):工業(yè)電解、磁性材料等行業(yè)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)。(3) 按傳輸方式分類:傳導(dǎo)騷擾源:a功能性傳導(dǎo)騷擾源:指系統(tǒng)中某一設(shè)備正常工作對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾,例如各種振蕩器、信號(hào)發(fā)生器,其中功能性騷擾源具有確定的頻率。b非功能性傳導(dǎo)騷擾源:指線路上由于接觸不良、放電現(xiàn)象或電流的突然變化產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾,其信號(hào)的頻譜一般很寬。輻射騷擾源:a功能性輻射騷擾源:包括各種振蕩器、信號(hào)發(fā)生器,廣
12、播、電視、通信、雷達(dá)發(fā)射設(shè)備。b非功能性輻射騷擾源:包括ISM設(shè)備的電磁泄漏、高壓輸電線路的電暈放電和火花放電,振蕩器、信號(hào)發(fā)生器、廣播、電視、通信雷達(dá)發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波、各種交調(diào)干擾。2,電磁干擾的解決辦法電磁干擾的抑制要從干擾源、傳播途徑、接收器三個(gè)方面著手,切斷干擾耦合的途徑,干擾的影響也將被消除。常用的方法有濾波、降低或消除公共阻抗、屏蔽、隔離等。2.1屏蔽技術(shù):屏蔽是防止輻射騷擾的主要手段,所謂屏蔽就是采用一定的技術(shù)手段,把電磁場(chǎng)限制在一定的空間范圍之內(nèi),可以分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽:把騷擾源置于屏蔽體之內(nèi),防止電磁能量和騷擾信號(hào)泄漏到外部空間;被動(dòng)屏蔽:把敏感設(shè)備置于屏
13、蔽體內(nèi),使其不受外部騷擾的影響。按場(chǎng)的類型,屏蔽又可以分為靜電屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。2.1.1靜電屏蔽:用于屏蔽電場(chǎng)或變化緩慢的交變電場(chǎng),屏蔽體選用良導(dǎo)體。(1)主動(dòng)屏蔽:屏蔽騷擾源,導(dǎo)體殼接地。對(duì)于靜電場(chǎng),導(dǎo)體殼接地,導(dǎo)體殼的外表面沒有電荷分布,屏蔽是完全的。對(duì)于騷擾源是電荷變化的,導(dǎo)體殼的外表面出現(xiàn)電荷分布,屏蔽是不完全的。(2)被動(dòng)屏蔽:屏蔽敏感設(shè)備,原理上導(dǎo)體殼可以不接地。導(dǎo)體殼內(nèi)是等位體,導(dǎo)體殼內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為0。導(dǎo)體殼不接地時(shí),導(dǎo)體上的縫隙,孔洞都可能引起電力線的泄漏,降低屏蔽效果;接地時(shí),導(dǎo)體殼內(nèi)、外靜電電位都為0,可防止電力線的泄漏,提高屏蔽效果。2.1.2磁場(chǎng)屏蔽:磁場(chǎng)屏蔽用于
14、屏蔽恒定磁場(chǎng)或變化緩慢的交變磁場(chǎng),屏蔽體選用高磁體選用高磁導(dǎo)率材料。屏蔽原理:屏蔽殼與空氣并聯(lián),B線集中在屏蔽殼的壁內(nèi)(稱為聚磁作用),殼內(nèi)B約為0,實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽不可能把磁力線完全集中在屏蔽體內(nèi),總有一些泄漏,采用雙層屏蔽可以提高屏蔽效果。2.1.3電磁屏蔽:電磁屏蔽用于屏蔽高頻電磁場(chǎng),屏蔽體選用于導(dǎo)體殼。(1)屏蔽原理:指利用導(dǎo)電材料或鐵磁材料制成的部件對(duì)大容量汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部進(jìn)行屏蔽,以降低由定子繞組端部漏磁在結(jié)構(gòu)件中引起的附加損耗與局部發(fā)熱的措施。在通信方面屏蔽就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域金屬的隔離,以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講,就是用屏蔽體將
15、元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來,防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來,防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。(2)應(yīng)用范圍:導(dǎo)電漆、EMI導(dǎo)電漆噴涂技術(shù)具有高導(dǎo)電性、高電磁屏蔽效果、噴涂操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于通訊制品、電腦、便攜式電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)硬件(服務(wù)器等)、醫(yī)療儀器、家用電子產(chǎn)品和航天及國(guó)防等電子設(shè)備的EMI屏蔽。2.2濾波技術(shù):2.2.1電磁干擾(EMI)濾波器:EMI濾波器基本的工作原理與普通濾波器一樣,都是允許有用信號(hào)的頻率分量通過、去除不需要的頻率分量。EMI濾波器要能有效地濾除信號(hào)中的騷擾信號(hào)分量。(1)技術(shù)指標(biāo):任何一種產(chǎn)品
16、都有它特定的性能指標(biāo),或者是客戶所期望的,或者是某些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的。 EMI濾波器最重要的技術(shù)指標(biāo)是對(duì)干擾的抑制能力,常常用所謂的插入損耗來表示,它的定義是:沒有接入濾波器時(shí)從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比,用分貝(dB)表示。(2)元件選擇:濾波電容的選擇:與一般的濾波器不同,EMI濾波器典型結(jié)構(gòu)中電容使用了兩種下標(biāo),接于相線和中線之間,稱為差模電容,接于相線或中線與地之間,稱為共模電容,下標(biāo)X和Y不僅表明了它在濾波電路中的作用,還表明了它在濾波電路中的安全等級(jí)。在設(shè)計(jì)或選用濾波器時(shí)都必須充分考慮這兩類電容的安全性能,因?yàn)樗苯雨P(guān)系到濾波網(wǎng)絡(luò)的安全性能
17、。濾波電感的選擇:電感的取值、材料的選取原則從以下幾個(gè)方面考慮:第一,磁芯材料的頻率范圍要寬,要保證最高頻率在1GHz,即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率;第二,磁導(dǎo)率高,但是在實(shí)際中很難滿足這一要求,所以,磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體或者鐵粉芯,更好的材料如微晶等。2.2.2反射式濾波器:反射式濾波器由電感器和電容器組成,利用反射或旁路,使騷擾信號(hào)不能通過。(1)低通濾波器:使低頻信號(hào)通過,高頻信號(hào)衰減;用于電源電路時(shí),使市電(50HZ)通過,高頻騷擾信號(hào)衰減;用于放大器電路或發(fā)射機(jī)輸出電路時(shí),使基波通過,諧波和其他騷擾信號(hào)衰減。(2)高通濾波器:抑制低頻騷擾信號(hào)。(3)
18、帶通濾波器:只允許某一頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過。2.2.3損耗濾波器:損耗濾波器選用具有高損耗系數(shù)或高損耗角正切的材料,把高頻電磁能量通過渦流轉(zhuǎn)換成熱能。2.3接地和搭接技術(shù):安全接地方法:(1)單點(diǎn)接地:低頻時(shí)采用,一般是300kHz以下,3MHz以下有時(shí)也可以用;或接地線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的四分之一。UA = (I1 + I2 + I3)R1;UB = (I1 + I2 + I3)R1 +(I2 + I3)R2;UC = (I1 + I2 + I3)R1 +(I2 + I3)R2 + I3R3;可以看出ABC各點(diǎn)的電位不僅不為0,而且受其他電路的影響,從防止和抑制干擾的角度,這種接地方法不好。但
19、是這種接地方法的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,各電路的接地線短,電阻較小,在設(shè)備機(jī)柜中是常用的一種接地方式。采用這種接地方式要注意把最低電平電路放在靠近A處,以使B點(diǎn)和C點(diǎn)的電位升高最小。(2)多點(diǎn)接地:每一個(gè)設(shè)備、電路各自用接地線分別就近接地,高頻電路一般都采用多點(diǎn)接地。每個(gè)電路對(duì)地的電位是為了降低地電位,接地線應(yīng)盡可能短,以便降低接地線的阻抗。多地接地的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,接地線短;缺點(diǎn)是地線回路增多,會(huì)出現(xiàn)一些工阻抗耦合。(3)混合接地:有些設(shè)備既有高頻又有低頻電路,可采用混合接地。高頻電路用多點(diǎn)接地,低頻用單點(diǎn)接地。2.4瞬態(tài)騷擾抑制:2.4.1傳導(dǎo)騷擾:產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾的三個(gè)要素是騷擾源、騷擾信號(hào)耦合的通道
20、和敏感設(shè)備,抑制傳導(dǎo)騷擾還是從這三個(gè)方面入手,采用的技術(shù)包括屏蔽技術(shù),濾波技術(shù)、接地和搭接技術(shù)、電路的布局和配線。2.4.2開關(guān)操作騷擾:在電氣和機(jī)電設(shè)備中常見的一種瞬態(tài)干擾是由繼電器、馬達(dá)、變壓器等電感器件和開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的。開關(guān)的觸點(diǎn)在斷開和閉合過程中會(huì)產(chǎn)生電弧,在電路和空間中產(chǎn)生電磁騷擾。其抑制方法為:感性負(fù)載兩端或開關(guān)觸點(diǎn)兩端采取抑制措施,也可以兩種方法同時(shí)采用。(1)感性負(fù)載:給感性負(fù)載提供續(xù)流通路,減小感性負(fù)載對(duì)電容的充電作用,降低負(fù)載兩端電壓,并消耗電路中的能量,使這一瞬態(tài)過程迅速衰減。(2)開關(guān)觸點(diǎn):通過對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)的處理同樣可以達(dá)到抑制開關(guān)操作過程中所產(chǎn)生的瞬變騷擾。給開關(guān)提供一
21、個(gè)分流通路,抑制開關(guān)的觸點(diǎn)電壓,從而避免形成電弧。2.4.3靜電放電防護(hù):兩種不同介質(zhì)互相摩擦后會(huì)產(chǎn)生靜電,靜電感應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生靜電。帶正負(fù)電荷的導(dǎo)體相接觸時(shí),帶電物體上的電荷會(huì)通過接地導(dǎo)體泄放,這就是靜電放電現(xiàn)象。抑制靜電放電的騷擾的措施:改善工作環(huán)境,消除靜電放電的源;隔離導(dǎo)體,避免產(chǎn)生直接放電;減少孔縫,避免放電電磁場(chǎng)竄入;對(duì)出入線纜濾波,防止經(jīng)線纜進(jìn)入。2.5其他抗干擾技術(shù):調(diào)頻:調(diào)頻傳輸?shù)目垢蓴_性能比較好。編碼:編碼傳輸也可以防止信號(hào)在傳輸過程中被干擾。光電變換傳輸:將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸,以防止電磁騷擾。四、 PCB電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí),需要注意哪些問題,并闡述清楚原理。印制線路板(P
22、CB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件,它提供電路元件和器件之間的電氣連接,它是各種電子設(shè)備最基本的組成部分,它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。隨著信息化社會(huì)的發(fā)展,各種電子產(chǎn)品經(jīng)常在一起工作,它們之間的干擾越來越嚴(yán)重,所以,電磁兼容問題也就成為一個(gè)電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。同樣,隨著電于技術(shù)的發(fā)展,PCB的密度越來越高,PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)電路的干擾及抗干擾能力影響很大。要使電子電路獲得最佳性能,除了元器件的選擇和電路設(shè)計(jì)之外,良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個(gè)非常重要的因素。1,PCB設(shè)計(jì)中的常見干擾PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容問題,首先應(yīng)該了解PCB中各種電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和傳播途徑
23、,然后才能依此提出相應(yīng)的解決方案。通常PCB中存在的電磁干擾有:傳導(dǎo)干擾、串音干擾以及輻射干擾。產(chǎn)生干擾的根源是電路中電壓或電流的變化。1.1傳導(dǎo)干擾傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)線耦合及共模阻抗耦合來影響其它電路。例如噪音通過電源電路進(jìn)入某一系統(tǒng),所有使用該電源的電路就會(huì)受到它的影響。噪音通過共模阻抗耦合的,電路與電路共同使用一根導(dǎo)線獲取電源電壓和接地回路,如果其中一個(gè)電路的電壓突然需要升高,那么另一電路必將因?yàn)楣灿秒娫匆约皟苫芈分g的阻抗而降低。對(duì)于地回路也是如此。1.2串音干擾串音干擾是一個(gè)信號(hào)線路干擾另外一鄰近的信號(hào)路徑。它通常發(fā)生在鄰近的電路和導(dǎo)體上,用電路和導(dǎo)體的互容和互感來表征。例如,PCB
24、上某一帶狀線上載有低電平信號(hào),當(dāng)平行布線長(zhǎng)度超過10cm時(shí),就會(huì)產(chǎn)生串音干擾。由于串音可以由電場(chǎng)通過互容,磁場(chǎng)通過互感引起,所以考慮PCB帶狀線上的串音問題時(shí),最主要的問題是確定電場(chǎng)(互容)、磁場(chǎng)(互感)耦合哪個(gè)是主要的。1.3輻射干擾輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。 PCB中的輻射干擾主要是電纜和內(nèi)部走線間的共模電流輻射干擾。當(dāng)電磁波照射到傳輸線上時(shí),將出現(xiàn)場(chǎng)到線的耦合問題,沿線引起的分布小電壓源可分解為共模(CM)和差模(DM)分量。共模電流指兩導(dǎo)線上振幅相差很小而相位相同的電流,差模電流則是兩導(dǎo)線上振幅相等而相位相反的電流。2,PCB上元器件布局圖1:印制板元器件布置圖首先,
25、要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí),印制線條長(zhǎng),阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;過小,則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后再確定特殊元件的位置。最后,根據(jù)電路的功能單元,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。電子設(shè)備中數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路的元件布局和布線其特點(diǎn)各不相同,它們產(chǎn)生的干擾以及抑制干擾的方法不相同。此外高頻、低頻電路由于頻率不同,其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時(shí),應(yīng)該將數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路分別放置,將高頻電路與低頻電路分開。有條件的應(yīng)使之各自隔離或單獨(dú)做成一塊電路板。此外,布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、弱信號(hào)的器件分布及信號(hào)傳輸方向途徑等問
26、題。在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時(shí),應(yīng)按照?qǐng)D1的方式排列元器件。在元器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題。原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號(hào)部分,高速數(shù)字電路部分,噪聲源部分(如繼電器,大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開,使相互間的信號(hào)耦合為最小。如圖1所示。時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲,要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。如有可能,應(yīng)另做電路板,這一點(diǎn)十分重要。PCB元器件通用布局要求:電路元
27、件和信號(hào)通路的布局必須最大限度地減少無用信號(hào)的相互耦合:(1) 低電子信號(hào)通道不能靠近高電平信號(hào)通道和無濾波的電源線,包括能產(chǎn)生瞬態(tài)過程的電路。(2) 將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開,避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。(3) 高、中、低速邏輯電路在PCB上要用不同區(qū)域。(4) 安排電路時(shí)要使得信號(hào)線長(zhǎng)度最小。(5) 保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過長(zhǎng)的平行信號(hào)線。(6) 電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近EMI源,并放在同一塊線路板上。(7) DC/DC變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置,以使其導(dǎo)線長(zhǎng)度最小。(8) 盡可能靠近
28、整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器。(9) 印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū),噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。(10) 對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流,高速開關(guān)線平行。3, PCB布線通用規(guī)則:在設(shè)計(jì)印制線路板時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1) 從減小輻射騷擾的角度出發(fā),應(yīng)盡量選用多層板,內(nèi)層分別作電源層、地線層,用以降低供電線路阻抗,抑制公共阻抗噪聲,對(duì)信號(hào)線形成均勻的接地面,加大信號(hào)線和接地面間的分布電容,抑制其向空間輻射的能力。(2) 電源線、地線、印制板走線對(duì)高頻信號(hào)應(yīng)保持低阻抗。在頻率很高的情況下,電源線、地線、或印制板走線都會(huì)成為接收與發(fā)射騷擾的小天線。降低這種騷擾的方法除了加濾波電容外,
29、更值得重視的是減小電源線、地線及其他印制板走線本身的高頻阻抗。因此,各種印制板走線要短而粗,線條要均勻。(3) 電源線、地線及印制導(dǎo)線在印制板上的排列要恰當(dāng),盡量做到短而直,以減小信號(hào)線與回線之間所形成的環(huán)路面積。(4) 時(shí)鐘發(fā)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。(5) 石英晶體振蕩器外殼要接地。(6) 用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來,時(shí)鐘線盡量短。(7) 印制板盡量使用45°折線而不用90°折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。(8) 單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地;電源線、地線盡量粗。(9) I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊的接插件,讓其盡快離開印刷板。(10) 關(guān)鍵的線要盡量粗
30、,并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短而直。(11) 元件引腳盡量短,去耦電容引腳盡量短,去耦電容最好使用無引線的貼片電容。(12) 對(duì)A/D類器件,數(shù)字部分與模擬部分地線寧可統(tǒng)一也不要交叉。(13) 時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。(14) 模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線,特別是時(shí)鐘。(15) 時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小,時(shí)鐘元件引腳需遠(yuǎn)離I/O電纜。(16) 石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。(17) 弱信號(hào)電路,低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。(18) 任何信號(hào)都不要形成環(huán)路,如不可避免,讓環(huán)路區(qū)盡量小。4,PCB特殊布線設(shè)計(jì)4.1 電源
31、線設(shè)計(jì)根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加租電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。4.2 地線設(shè)計(jì)地線設(shè)計(jì)的原則是:數(shù)字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能,接地線應(yīng)在23mm以上。接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板,其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。4.3 退藕電容配置PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙?。退藕電容的一般配置原則是:電源輸入端跨接10 100uf的電解電容器。如有可能,接100uF以上的更好。原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每48個(gè)芯片布置一個(gè)1 10pF的但電容。對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件,如 RAM、ROM存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接入退藕電容。電容引線不能太長(zhǎng),尤其是
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