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        認識和利用EMC領域三個重要規律

        -2019-01-21-

        EMC是業界的一個難點;文章介紹了EMC三個規律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設計法;給企業提供了對待EMC的建議;作者認為EMC改進要如診治疾病一樣對癥施治;作者倡導堅持EMC規律,趁早考慮和解決EMC 問題-進行EMC設計。

        EMC是產品認證的重要內容隨著我國加入WTO無論是走向國際大市場的中國產品,還是涌向中國市場的外國產品,幾乎都要進行各種各樣的產品認證。產品認證,從國際貿易角度看,實質上是技術性貿易壁壘。我們只有不斷提高產品質量, 突破技術壁壘,才能開拓海外市場,促進外貿發展。國內新的3C 認證替代了原來的CCIB 和CCEE 認證,“CCC”是我國強制性產品認證標志—— China Compulsory Certification的英文縮寫,只有取得3C 認證的產品才能進入國內市場。3C認證對機電、電器產品的安全性能、EMC等方面作了詳細規定。

        EMC是多數企業的技術難點 大力發展電子、信息產業為主體的高新技術產業,是我們的既定方針。當今是一個連科技也在追趕潮流的時代,機電產品日新月異,“輕薄短小和多功能化”成為時尚,數碼產品、機電一體化產品、信息家電、多媒體設備等技術含量較高的產品層出不窮,更新換代速度日益加快,芯片集成度和產品工作速度不斷提高,伴隨的電磁騷擾問題日益復雜。目前,我國整體EMC研究起步較晚,許多企業對EMC認知度不夠,缺乏EMC方面的經驗和測試設備,在產品設計、生產工藝和元器件的選擇上都有不同程度的困惑,產品生產出來后往往EMC不能符合標準要求。EMC問題是當前多數企業的技術難點!從事機電產品制造的廣大企業皆有同感,解決EMC問題,比之解決產品的安全問題要困難得多。這就更 加加劇了有些企業面對品牌競爭和價格競爭,偏向于降低成本、犧牲EMC 要求的現象。

        機電產品3C認證的指標涉及產品的安全、EMC兩個方面。從認證檢測來看,產品達不到“3C”認證要求的主要原因是EMC方面過不了關。事實上,無論 日常檢驗還是各種產品認證中,EMC測試通不過的情況比較普遍。隨著3C認證順利開展,部分企業在EMC問題上愁眉不展,幫助企業是我們光榮職責。此稿沒有復雜的理論分析和推導,只是扼要地介紹EMC三個規律、

        EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設計法;一方面力求實用,另一方面意圖拋磚引玉。認識和利用EMC領域三個重要規律作者認為:EMC不是光靠理論就能完全解決的,EMC是一項實踐工程。從事EMC行業,如能深刻領會以下三個EMC領域重要規律,實踐中堅持運用,必然收到事半功倍的效果。

        1) 規律一、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,比等到產品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;反之,效率就會大大降低,費用就會大大增加。 經驗告訴我們,在功能設計的同時進行EMC 設計,到樣板、樣機完成則通過EMC測試,是省時間和有經濟效益的。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,非但技術上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費,甚至由于涉及到結構設計、PCB設計的缺陷,無法實施改進措施,導致產品不能上市。

        2) 規律二、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最小路徑。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EUT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。對應處理方法就是減少、減短連線,減小高頻電流回路面積,盡量消除任何非正常工作需要的天線,如不連續的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。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。

        3) 規律三、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重要途徑之二,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。本文以下內容,就是利用以上三個規律,倡導趁早考慮EMC問題,介紹EMC 設計和EMC問題改進。

        改進EMC 問題,如同診治疾病。如果產品沒有通過EMC 測試,我們從測量結果中,只能知道哪些頻率點“超標”了,而這些頻率的電磁騷擾是從哪里出來的,往往是工程師門不容易發現、難解決的問題。產品EMC 問題,說難亦難,說易亦易。就如給病人治病一樣,關鍵是看你這個病是可治愈的還是不治之癥,對可治之癥能否辨證施治。中醫看病,講究望聞切診問;現代醫學多講究量血壓、BT、CT、化驗等,目的都是為了查清病灶、病因,做到因病施治。

        同樣,改進EMC問題,看成為診治疾病,就是科學性與趣味性的結合。首先,根據EMI產生的途徑和機理,也就是EMC問題產生的要素,針對EUT(被測試樣品,下同)的電路原理,先作一些判斷,比如IT類設備和AV音視頻類設備引起EMC問題的原因或者內部騷擾源是什么,先進行推斷,再結合測試 項目測試圖透過現象看本質,分析超差原因--把騷擾源搞清楚,把騷擾途徑摸透徹,以便有的放矢。分析超差原因,可使用高頻示波器或頻譜分析儀加上 場探頭驗證分析結果,從頻域到時域,再從頻域到時域,分析、尋找產生EMC問題的對應電路和器件。

        EMC 問題三要素開關電源及數字設備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波,因此會產生很強的輻射。電磁干擾包括輻射型(高頻)EMI、傳導型(低頻)EMI,即產生EMC問題主要通過兩個途徑:一個是空間電磁波干擾的形式;另一個是通過傳導的形式,換句話說,產生EMC問題的三個要素是:電磁干擾源、耦合 途徑、敏感設備。輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環境;傳導干擾是通過電源線騷擾公共電網或通過其他端子(如:射頻端子,輸入端子)影響相連接的設備。

        傳導、輻射、騷擾源-------(途徑)------ 敏感受體近場耦合IT、AV 設備可能的騷擾源

        A) FM接收機、TV接收機本機振蕩,基波及諧波由高頻頭、本機振蕩電路產生;

        B) 開關電源的開關脈沖及高次諧波,同步信號方波及高頻諧波,行掃描顯像電路產生的行、場信號及高頻諧波;

        C) 數字電路工作需要的各種時鐘信號及高頻諧波、以及它們的組合,各種時鐘如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;

        D) 數字信號方波及高頻諧波,晶振產生的高次諧波,非線性電路現象(非線性失真、互調、飽和失真、截止失真)等引起的無用信號、雜散信號;

        E) 非正弦波波形,波形毛剌、過沖、振鈴,電路設計存在的寄生頻率點。

        F) 對于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場。

        電磁騷擾的特性

        ① 單位脈沖的頻譜寬;

        ② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積,高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度;

        ③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數字電路才能按一定的時序工作,使晶振產生的騷擾呈現覆蓋帶寬、騷擾電平高的特點;

        ④ 收發天線極化、方向特性相同時,EMI輻射和接受嚴重;收發天線面積越大, EMI危害逾大;

        ⑤ 騷擾途徑:輻射,傳導,耦合和輻射、傳導、耦合的組合。

        ⑥ 電源線傳導騷擾主要由共模電流產生;

        ⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環路產生。EMC設計前面已經提過,EMC的根本問題,解決 EMC問題的根本辦法,無論從市場經濟的原則出發,還是從其它方面考慮,都是趁早進行EMC設計。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,簡單地說,就是仔細預測可能發生的各種EMC問題,進行方案和電路的優化選型,尋找一種優化電路、機械結構和PCB的設計解決方案,提高產品的設計質量,確保達到功能和性能指標的情況下,兼顧成本效益,避免EMC問題。為抑制和消除騷擾源,減小高頻信號頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗耦合或感應耦合,選用低速、低輻射器件,選用屏蔽機箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施。

        一般來說,EMC設計可分五個層次。以下為五個層次EMC設計要點:

        1)方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結構設計;對于產品的成功與否,一層次設計是最基本、最重要的,任何錯誤都意味著該產品項目徹底失敗。這一層主要EMC考慮體現在:

        a)方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,盡量選用本身發射小的芯片,如翻轉時間長、工作速率低的器件,多地線腳的芯片(芯片實質就是集成度較高的電路模塊,封裝時多裝地線腳,可以減小高速差模電流環面積S,相應地減小芯片的發射);避免使用大功率、高損耗器件,它們往往是大的輻射源;

        b)保證所選器件不工作在非線性區,以免產生諧波分量成為干擾源。

        c)電路和機械結構設計除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外,主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;

        d)電路設計或方案應不使數字信號波形產生過沖,應使無用的諧波振蕩幅度最小,使無用的高次諧波成分最少,避免引發強烈的電磁騷擾;

        e)對集總參數電路,增加阻尼、減小Q值,防止振蕩;

        2)PCB的EMC設計;

        對于產品的成功與否, PCB的EMC設計是重要的一環。PCB設計不合理,會產生無法補救的后果;

        PCB良好的EMC設計,有事半功倍的效果。PCB 的EMC設計應遵循以下內容:

        a) 盡量減小所有的高速信號及時鐘信號線構成的環路面積,連接線要盡可能短,并使信號線緊鄰地回路;

        b) 使用小型化器件和多層線路板,多層印制板可緊縮布線空間,高頻特性好,容易實現EMC;

        c) 印制板層數選擇考慮關鍵信號的屏蔽和隔離要求,先確定所需信號層數,然后考慮成本的前提下,增加地平面和電源層是PCB EMC設計最好的措施之一;

        d) 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣,元件面下面為地平面,關鍵電源平面與其對應的地平面相鄰,相鄰層的關鍵信號不跨區,所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號與地平面相鄰,盡量避免兩信號層相鄰;

        e) 個別電源層、地層不能作為一個連續的平面時,采用多網孔連接形成地格蜂窩網,有效減小電流環路面積,減小公共阻抗R,加大信號與地層分布電容;

        f)  線路板布線設計時順序考慮:電源和地/時鐘線/信號線,布線應該短、直、粗、勻,不要直角和突變, 應有“之”字形,用圓角代替尖銳走線,盡可能加寬電源和地的布線,電源和地層的分割,盡量符合微帶線和帶狀線要求;

        g) 走線盡可能遠離騷擾源,布線考慮鐵氧體材料的使用,預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;

        3)電與接地、高速信號線路及內部線纜的EMC設計;PCB的EMC設計中也提到供電與接地、高速信號線路的EMC設計,此外,還應遵循以下內容:

        a)芯片間使用低阻抗地連接(地平面),不同芯片供電腳間阻抗盡量小,芯片供電腳(意思是離芯片供電 腳很近的供電線上)與地間接高頻旁路電容,供電布線預留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;

        b) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣,關鍵電源線與其對應的地線相鄰,所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號線與地線相鄰,盡量避免兩信號線相鄰;

        c) 為避免接地線長度過長(接近λ/4),可采用多點就近接地,接地線高頻阻抗要??;

        d) 減小電纜的天線效應及減小偶極子天線效應,跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜,內導線采用多股雙絞線,使空間場互抵,屏蔽層可作為回線;

        e) 機內采用屏蔽線防止感應噪聲;

        f) 波器的輸入輸出線應拉開距離,忌并行走線,以免影響濾波效果;

        h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射;

        4) 屏蔽設計;屏蔽好的要求有三:完整的電連續體;濾波措施;良好的接地。

        對于信息技術IT類設備,當主板及配置選定的情況下, 提高整機的屏蔽效果和各個部分的隔離效果非常重要,尤其個人計算機和液晶顯示器。這里只說屏蔽設計:

        a) 計算機機殼內騷擾場強較大,機殼塑料部分未涂導 電材料或所涂導電材料不佳,機箱有孔洞、縫隙,不是一個完整電連續體,進出線濾波不好,最終都可導致輻射騷擾超出限值。機箱為了更好屏蔽電磁輻射,既能照顧到機箱的散熱需求,又能有效地防止 磁波的衍射,開孔尺寸一般不超過4mm;

        b) 根據產品實際進行屏蔽設計,端口、通風孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考慮的因素;

        c) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導電材料的外殼(接縫處要噴涂導電材料);

        d) 為了將輻射減到最小,盡量使用通過了CQC(EMC方面)自愿認證的機箱;

        e) 為保證機箱的密封性,要使用精密模具沖壓成型,設計適當的彈點和卷邊;

        f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等

        5)輸入/輸出的濾波設計電源線濾波和信號線濾波的重要性并不亞于機箱屏蔽,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。設計或使用信號線濾波器時,濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸的信號頻率。

        a) 傳導騷擾問題處理的方法主要是低通濾波。在1MHz以上時,傳導發射問題通常是由輻射發射的耦合而引起的,須綜合運用抑制傳導發射和輻射發射的技術措施,如屏蔽、去耦和濾波。

        b) 濾波電路的衰減性能與源和負載的阻抗關系很大,失配越大,濾波器衰減電磁騷擾的效果越好。大多數情況下,電源線表現為低阻抗,則濾波器的輸入端應為高阻抗。另一方面,設備既可能為高阻抗,也可能為低阻抗。對于線性電源高阻抗,為獲得阻抗失配,負載端應設計為低阻抗。對于開關電源和同步電機這樣的低阻抗設備,負載端設計為高阻抗。

        c) 減共模和差模電容,加減共模和差模線圈,調整電容參數和線圈匝數,共模和差模插入損耗對頻率的曲線都可改變。濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流。它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容。共模電容的容量越大,共模阻抗越小,共模騷擾抑制效果越好,但安全標準規定泄漏電流不能過大。

        d) 電源濾波器安裝位置應靠近電源線入口處,如能 做成與接口一體化更好。對于金屬屏蔽機箱,選用獨立電源屏蔽濾波器,安裝在電源線入口處,并確保濾波器外殼與設備機箱(地)良好電接觸,這樣的效果是最好的。濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構件上。

        給企業的建議

        一、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。

        二、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。

        三、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。取最簡化而且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。

        四、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。

        五、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

        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。

        上海海悅電子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直專注于安規與電磁兼容測試設備的研發、生產和銷售,公司的主要人員具有近20年的從業經歷,有著豐富的實踐經驗,已經成功給多家大型認證實驗室提供過測試設備的規劃以及相應試驗設備供應,公司自行生產數百種各類安規設備、試驗儀器,并承接非標定制試驗設備。

        公司同時代理銷售國內外多家知名的安規設備廠商產品,包括:美國COMPWEST、意大利ATS、美國ED&D、臺灣鯨揚、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、臺灣艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

        公司在電磁兼容領域提供完整的EMI與EMS設備,代理供應包括歐洲EM-TEST、意大利AFJ、德國FRANKONIA、瑞士EMC-PARTNER、日本MORITA等眾多廠家產品,同時公司也是北京科環在華東區銷售網點。

         


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