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日志

EMC處理方法

熱度 3已有 2383 次閱讀2011-7-13 10:08 | EMC

1.電路設計及EMC器件選擇 

在新設計及開發項目的開始,正確選擇有源與無源器件及完善的電路設計技術,將有利于以最低的成本獲得EMC認證,減少產品因屏蔽和濾波所帶來的額外的成本、體積和重量。這些技術也可以提高數字信號的完整性及模擬信號信噪比,可以減少重復使用硬件及軟件至少一次,這也將有助于新產品達到其功能技術要求,盡早投入市場。這些EMC技術應視為公司竟爭優勢的一部分,有助于使企業獲得最大的商業利益。    

1.1數字器件與EMC電路設計

1.1.1器件的選擇  

大部分數字IC生產商都至少能生產某一系列輻射較低的器件,同時也能生產幾種抗ESDI/O芯片,有些廠商供應EMC性能良好的VLSI(有些EMC微處理器比普通產品的輻射低40dB);大多數數字電路采用方波信號同步,這將產生高次諧波分量,如圖1示。時鐘速率越高,邊沿越陡,頻率和諧波的發射能力也越高。因此,在滿足產品技術指標的前提下,盡量選擇低速時鐘。在HC能用時絕不要使用ACCMOS4000能行就不要用HC。要選擇集成度高并有EMC特性的集成電路,比如:

* 電源及地的引腳較近  

 * 多個電源及地線引腳  

 * 輸出電壓波動性小  

 * 可控開關速率  

 * 與傳輸線匹配的I/O電路   

* 差動信號傳輸  

 * 地線反射較低  

 * ESD及其他干擾現象的抗擾性   

* 輸入電容小  

 * 輸出級驅動能力不超過實際應用的要求   

* 電源瞬態電流低(有時也稱穿透電流)

這些參數的最大、最小值應由其生產商一一指明。由不同廠家生產的具有相同型號及指標的器件可能有顯著不同的EMC特性,這一點對于確保陸續生產的產品具有穩定的電磁兼容符合性是很重要的。

高技術集成電路的生產商可以提供詳盡的EMC設計說明,比如Intel的奔騰MMX芯片就是這樣。設計人員要了解這些并嚴格按要求去做。詳盡的EMC設計建議表明:生產商關心的是用戶的真正需求,這在選擇器件時是必須考慮的因素。在早期設計階段,如果ICEMC特性不清楚,可以通過一簡單功能電路(至少時鐘電路要工作)進行各種EMC測試,同時要盡量在高速數據傳輸狀態完成操作。發射測試可方便地在一標準測試臺上進行,將近場磁場探頭連接到頻譜分析儀(或寬帶示波器)上,有些器件明顯地比其他一些器件噪聲小得多,測試抗擾度時可采用同樣的探頭,并連到信號發生器的輸出端(連續射頻或瞬態)。但如果探頭是儀器專配的(不只是簡單的短路環或導線),首先要檢查其功率承受能力是否滿足要求。測試時近場探頭需貼近器件或PCB板,為了定位關鍵探測點和最大化探頭方向, 應首先在整個區域進行水平及垂直掃描(使探頭在各個方向相互垂直),然后在信號最強的區域集中進行掃描。

 

1.1.2 不宜采用IC

IC座對EMC 很不利,建議直接在PCB上焊接表貼芯片,具有較短引線和體積較小的IC芯片則更好, BGA及類似芯片封裝的IC在目前是最好的選擇。安裝在座(更糟的是,插座本身有電池)上的可編程只讀存儲器(PROM)的發射及敏感特性經常會使一個本來良好的設計變壞。因此,應該采用直接焊接到電路板上的表貼可編程儲存器

帶有ZIF座和在處理器(能方便升級)上用彈簧安裝散熱片的母板,需要額外的濾波和屏蔽,即使如此,選擇內部引線最短的表貼ZIF 座也是有好處的。

1.1.3電路技術

* 對輸入和按鍵采用電平檢測(而非邊沿檢測)  

 * 使用前沿速率盡可能慢且平滑的數字信號(不超過失真極限) 

  * PCB樣板上,允許對信號邊沿速度或帶寬進行控制(例如,在驅動端使用軟鐵氧體磁珠或串聯電阻)  

 * 降低負載電容,以使靠近輸出端的集電極開路驅動器便于上拉,電阻值盡量大    * 處理器散熱片與芯片之間通過導熱材料隔離,并在處理器周圍多點射頻接地。   

* 電源的高質量射頻旁路(解耦)在每個電源管腳都是重要的。   

* 高質量電源監視電路需對電源中斷、跌落、浪涌和瞬態干擾有抵抗能力  

 * 需要一只高質量的看門狗   

* 決不能在看門狗或電源監視電路上使用可編程器件   

* 電源監視電路及看門狗也需適當的電路和軟件技術,以使它們可以適應大多數的不測情況,這取決于產品的臨界狀態   

* 當邏輯信號沿的上升/下降時間比信號在PCB走線中傳輸一個來回的時間短時,應采用傳輸線技術:

 a 、經驗:信號在每毫米軌線長度中傳輸一個來回的時間等于36皮秒

 b 、為了獲得最佳EMC特性,對于比a中經驗提示短得多的軌線,使用傳輸線技術

有些數字IC產生高電平輻射,常將其配套的小金屬盒焊接到PCB地線而取得屏蔽效果。PCB上的屏蔽成本低,但在需散熱和通風良好的器件上并不適用。

時鐘電路通常是最主要的發射源,其PCB軌線是最關鍵的一點,要作好元件的布局,從而使時鐘走線最短,同時保證時鐘線在PCB的一面但不通過過孔。當一個時鐘必須經過一段長長的路徑到達許多負載時,可在負載旁邊安裝一時鐘緩沖器,這樣,長軌線(導線)中的電流就小很多了。這里,相對的失真并非重要。長軌線中的時鐘沿應盡量圓滑,甚至可用正弦波,然后由負載旁的時鐘緩沖器加以整形。

1.1.4擴展頻譜時鐘

所謂的擴展頻譜時鐘是一項能夠減小輻射測量值的新技術,但這并非真正減小了瞬時發射功率,因此,對一些快速反應設備仍可能產生同樣的干擾。這種技術對時鐘頻率進行1% ~ 2% 的調制,從而擴散諧波分量,這樣在CISPR16FCC發射測試中的峰值較低。所測的發射減小量取決于帶寬和測試接收機的積分時間常數,因此這有一點投機之嫌,但該項技術已被FCC所接受,并在美國和歐洲廣泛應用。調制度要控制在音頻范圍內,這樣才不會使時鐘信號失真,圖2是一時鐘諧波發射改善的例子。擴展頻譜時鐘不能應用于要求嚴格的時間通信網絡中,比如以太網、光纖、FDDATMSONETADSL

絕大多數來自數字電路發射的問題是由于同步時鐘信號。非同步邏輯(比如AMULET微處理器,正由steve Furbe教授領導的課題組在UMIST研制)將大大地降低發射量,同時也可獲得真正的擴頻效果,而不只是集中在時鐘諧波上產生發射。 

1.2模擬器件和電路設計

1.2.1  選擇模擬器件

EMC的角度選擇模擬器件不象選擇數字器件那樣直接,雖然同樣希望發射、轉換速率、電壓波動、輸出驅動能力要盡量小,但對大多數有源模擬器件,抗擾度是一個很重要的因素,所以確定明確的EMC訂購特征相當困難。

來自不同廠商的同一型號及指標的運算放大器,可以有明顯不同的EMC性能,因此確保后續產品性能參數的一致性是十分重要的。敏感模擬器件的廠商提供EMC或電路設計上的信噪處理技巧或PCB布局,這表明他們關心用戶的需求,這有助于用戶在購買時權衡利弊。

1.2.2  防止解調問題

大多數模擬設備的抗擾度問題是由射頻解調引起的。運放每個管腳都對射頻干擾十分敏感,這與所使用的反饋線路無關(見圖3),所有半導體對射頻都有解調作用,但在模擬電路上的問題更嚴重。即使低速運放也能解調移動電話頻率及其以上頻率的信號,圖4表明了實際產品的測試結果。為了防止解調,模擬電路處于干擾環境中時需保持線性和穩定,尤其是反饋回路,更需在寬頻帶范圍內處于線性及穩定狀態,這就常常需要對容性負載進行緩沖,同時用一個小串聯電阻(約為500)和一個大約5PF的積分反饋電容串聯。

進行穩定度及線性測試時,在輸入端注入小的但上升沿極陡 (<1ns) 的方波信號(也可以通過電容饋送到輸出端和電源端),方波的基頻必須在電路預期的頻帶內,電路輸出應用100MHz(至少)的示波器和探針進行過沖擊和振鈴檢查,對音頻或儀表電路也應如此,對更高速模擬電路,要選取頻帶更寬的示波器,同時注意使用探頭的技巧

超過信號高度50%的過沖擊表明電路不穩定,對過沖擊應予以有效的衰減,信號的任何長久的振鈴(超過兩個周期)或突發振蕩表明其穩定度不好。

以上測試應在輸入及輸出端均無濾波器的情況下進行,也可以用掃頻代替方波,頻譜分析儀代替示波器(更易看出共振頻率) 

 

 

  1.2.3其它模擬電路技術

獲得一穩定且線性的電路后,其所有聯線可能還需濾波,同一產品中的數字電路部分總會把噪聲感應到內部連線上,外部連線則承受外界的電磁環境的騷擾。濾波器將在后面介紹。

決不要試圖采用有源電路來濾波和抑制射頻帶寬以達到EMC要求,只能使用無源濾波器(最好是RC型)。在運放電路中,只有在其開環增益遠大于閉環增益時的頻率范圍內,積分反饋法才有效,但在更高頻率,它不能控制頻率響應。

應避免采用輸入、輸出阻抗高的電路,比較器必須具有遲滯特性(正反饋),以防止因為噪聲和干擾而使輸出產生誤動作,還可防止靠近切換點處的振蕩。不要使用比實際需要快得多的輸出轉換比較器,保持dv/dt在較低狀態。

對高頻模擬信號(例如射頻信號),傳輸線技術是必需的,取決于其長度和通信的最高頻率,甚至對低頻信號,如果對內部聯接用傳輸線技術,其抗擾度也將有所改善。有些模擬集成電路內的電路對高場強極為敏感,這時可用小金屬殼將其屏蔽起來(如果散熱允許),并將屏蔽盒焊接到PCB地線面上

與數字電路相同,模擬器件也需要為電源提供高質量的射頻旁路(去耦),但同時也需低頻電源旁路,因為模擬器件的電源噪聲抑制率(PSRR)對1kHz以上頻率是很微弱的,對每個運放、比較器或數據轉換器的每個模擬電源引腳的RCLC濾波都是必要的,這些電源濾波器轉折頻率和過渡帶斜率應補償器件PSRR的轉折頻率和斜率,以在所關心的頻帶內獲得期望的PSRR

一般的EMC設計指南中都很少涉及射頻設計,這是因為射頻設計者一般都很熟悉大多數連續的EMC現象,然而需要注意的是,本振和IF頻率一般都有較大的泄漏 ,所以需要著重屏蔽和濾波。

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