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EMC設計:從設計源頭杜絕電磁兼容性問題!
在當今科技飛速發展的時代,電磁兼容性(EMC)已成為產品認證的關鍵要素。無論是中國產品走向國際市場,還是外國產品進入中國市場,產品認證都是一道必須跨越的門檻。從國際貿易的角度來看,產品認證本質上是一種技術性貿易壁壘。我國加入WTO后,這一現象愈發明顯。國內的3C認證,作為我國強制性產品認證標志,對機電、電器產品的**性能、EMC等方面有著詳細的規定,只有通過3C認證的產品,才有資格進入國內市場。
然而,EMC問題一直是眾多企業的技術難點。隨著電子、信息產業的蓬勃發展,機電產品更新換代的速度越來越快,芯片集成度和產品工作速度不斷提高,電磁騷擾問題也變得愈發復雜。我國整體EMC研究起步較晚,許多企業對EMC的認知度不夠,缺乏相關經驗和測試設備,在產品設計、生產工藝和元器件選擇上存在諸多困惑,導致產品生產出來后往往難以符合EMC標準要求。從認證檢測來看,產品達不到3C認證要求的主要原因大多是EMC方面不過關。事實上,在日常檢驗和各種產品認證中,EMC測試通不過的情況相當普遍。
面對這一現狀,我們不禁要思考,EMC問題該如何解決呢?其實,EMC問題的解決并非無章可循,關鍵在于要深刻認識并運用EMC領域的三個重要規律。
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EMC的三個重要規律
EMC
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EMC費效比關系規律
EMC問題越早考慮、越早解決,費用越小、效果越好。在新產品研發階段就進行EMC設計,等到產品EMC測試不合格才進行改進,費用可以大大節省,效率可以大大提高。相反,產品研發階段不考慮EMC,投產以后發現EMC不合格才進行改進,不僅技術上難度大,而且返工必然帶來費用和時間的浪費,甚至可能因涉及到結構設計、PCB設計的缺陷,無法實施改進措施,導致產品無法上市。
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高頻電流環路面積S越大,EMI輻射越嚴重
高頻信號電流流經電感*小路徑。當頻率較高時,一般走線電抗大于電阻,連線對高頻信號就是電感,串聯電感引起輻射。電磁輻射大多是被測設備上的高頻電流環路產生的,*惡劣的情況就是開路之天線形式。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的重要任務之一,就是想方設法減小高頻電流環路面積S。
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環路電流頻率f越高,引起的EMI輻射越嚴重
電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的另一個重要途徑,就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f,即減小騷擾電磁波的頻率f。
EMC問題的三要素
EMC
要真正解決EMC問題,還需要深入了解EMC問題的三要素:電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備。開關電源及數字設備由于脈沖電流和電壓具有豐富的高頻諧波,會產生很強的輻射。電磁干擾包括輻射型(高頻)EMI和傳導型(低頻)EMI,主要通過空間電磁波干擾和傳導的形式產生EMC問題。
EMC設計的五個層次
EMC
在實際的產品設計中,EMC設計至關重要。EMC設計的根本在于趁早進行,從設計立項的一開始,就把EMC要求納入設計任務書,作為設計的輸入之一。EMC設計可以分為五個層次:
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方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結構設計
這一層次是產品成功的基礎,任何錯誤都可能導致項目徹底失敗。主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,選用本身發射小的芯片,避免使用大功率、高損耗器件,保證所選器件不工作在非線性區,電路設計應避免數字信號波形產生過沖,增加阻尼、減小Q值,防止振蕩。
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PCB的EMC設計
PCB設計不合理,會產生無法補救的后果。良好的PCB EMC設計可以事半功倍。設計時應盡量減小高速信號及時鐘信號線構成的環路面積,使用小型化器件和多層線路板,合理選擇印制板層數,分層布置,布線應短、直、粗、勻,走線盡可能遠離騷擾源,預留磁珠和貼片濾波器的位置。
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供電與接地、高速信號線路及內部線纜的EMC設計
芯片間使用低阻抗地連接,不同芯片供電腳間阻抗盡量小,布線、I/O排線應減小電流環面積,采用多點就近接地,減小電纜的天線效應,采用屏蔽性能好的線纜,注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射。
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屏蔽設計
屏蔽設計要求有完整的電連續體、濾波措施和良好的接地。機箱應采用導電材料,開孔尺寸一般不超過4mm,根據產品實際進行屏蔽設計,變壓器加靜電屏蔽及接地等。
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輸入/輸出的濾波設計
電源線濾波和信號線濾波的重要性不亞于機箱屏蔽。濾波關鍵是針對EMC要求,兼顧達標和經濟的原則。在I/O接口部位,一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器。在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環也能起到一定的濾波吸波作用。
給企業的建議
EMC
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了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法則,堅持利用EMC規律,趁早考慮和解決EMC問題。遇到PCB必須重新設計或結構必須重新設計時,大家只有后悔EMC考慮得遲了。治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲,解決EMC問題是一樣的道理。
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當產品的EMC不符合要求需要整改時,首先要如同治病一樣,診斷出電磁騷擾源、耦合途徑,然后利用EMC設計要點中提到的方法,對癥下手,綜合運用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實施改進。改進途中,測試再不通過,先檢討問題判斷是否正確?對策是否失誤?使用器件參數是否需要調整?不要一下子就改變初衷,應不慌不忙。整改時要特別注意,正確診斷出電磁騷擾源、耦合途徑后,采用EMC抑制器件時,不但要選擇合適,而且所用器件要貨真價實,才不會久治不愈。
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工廠應對關鍵生產工序進行識別,關鍵工序操作人員應加以培訓,制定相應的工藝作業指導書或標準樣件(可以采取拍照給出圖片的方式),使生產過程受控。取*簡化而且EMC又有一定裕量的樣機作為標準件,核對生產、裝配工藝,檢驗時,著重進行EMC關鍵元器件和材料的檢驗/驗證,以及裝配工藝一致性檢查。
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為驗證產品持續符合標準要求,工廠應在適當階段對產品進行確認檢驗(本身不具備檢測條件時,抽樣送有能力的機構進行檢驗),以確保產品持續符合EMC要求,萬一變化亦能及時發現。
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當產品EMC關鍵件要改變、調整時,應用新的器件替換原器件重新制造幾臺樣機進行測試,確認EMC關鍵件改變和調整對整機EMC的影響。
小結
EMC
了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑,掌握五個層次EMC設計法,EMC會變得有規可循的,堅持EMC規律,趁早考慮和解決EMC問題,即可省時省力,事半功倍。在EMC工作方面,比照老中醫看病方式,據癥施治,有意識帶點人性化,能提高解決問題的興趣。EMC90%是設計出來的,整改出來的極少、極少。治病不如防病,治病必須對癥下手,宜早不宜遲。道理簡單,更需重視。


