PCB設(shè)計(jì)中的EMC設(shè)計(jì)概念

EMC設(shè)計(jì)的目的就是想辦法使自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備產(chǎn)生各種干擾信號(hào)的幅度符合別人的要求；同時(shí)還要想辦法讓自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備在受到其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾的情況下還能正常工作。因此，EMC標(biāo)準(zhǔn)一般都是強(qiáng)制性的。可以用金屬機(jī)殼對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，以及對(duì)電源輸入電路用變壓器進(jìn)行隔離，并且還要對(duì)變壓器也進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽。但由于金屬機(jī)殼比較笨重，并且成本很高，另外50周的電源變壓器體積很大，并且對(duì)其進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽也比較麻煩。

這種方法只有一些要求特別高的場(chǎng)合才會(huì)使用，例如：精密測(cè)試儀表，對(duì)于一般的普通電器設(shè)備，目前已很少使用。在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電材料也是一種對(duì)電磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂石墨，對(duì)超高頻電磁屏蔽效果就非常好，因?yàn)椋葘?dǎo)電又有電阻，是吸收電磁波的良好材料，它不容易對(duì)電磁波產(chǎn)生反射，并對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減作用。如果只從屏蔽效果來(lái)比較，石墨對(duì)電磁場(chǎng)屏蔽的效果的確不如導(dǎo)電良好的金屬，但金屬屏蔽也有缺點(diǎn)，它最大的缺點(diǎn)就是產(chǎn)生電磁波反射，并使電磁反射波相互迭加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩。

當(dāng)被屏蔽干擾信號(hào)的波長(zhǎng)正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候，金屬機(jī)殼很容易會(huì)變成一個(gè)大諧振腔，即：電磁波會(huì)在金屬機(jī)殼內(nèi)來(lái)回反射，并會(huì)產(chǎn)生互相迭加，其工作原理與圖13基本相同。這種情況在電腦機(jī)殼內(nèi)最容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電腦機(jī)殼的邊長(zhǎng)正好等于某干擾信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng)，且干擾信號(hào)源正好位于電腦機(jī)殼的中央位置的時(shí)候，干擾信號(hào)很容易就會(huì)在機(jī)殼內(nèi)部產(chǎn)生電磁振蕩。當(dāng)某一干擾信號(hào)頻率正好在諧振腔中產(chǎn)生諧振的時(shí)候，電磁波的能量反而會(huì)被加強(qiáng)。被加強(qiáng)了的干擾信號(hào)，一方面會(huì)破壞設(shè)備自身的正常工作，另一方面干擾信號(hào)也會(huì)從金屬機(jī)殼的裂縫逃逸出去，產(chǎn)生輻射干擾，雷達(dá)設(shè)備經(jīng)常使用的裂縫天線就是這個(gè)工作原理。特別指出，電磁波在金屬機(jī)殼中產(chǎn)生輻射或諧振，與外殼接地或不接地?zé)o關(guān)。

大多數(shù)電器設(shè)備傳導(dǎo)干擾都是由開(kāi)關(guān)電源引起的，為了提高開(kāi)關(guān)電源的工作效率，一般都希望開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷速度越高越好，即：方波的前、后沿越陡越好，這樣的結(jié)果會(huì)使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾更加嚴(yán)重，要進(jìn)行抑制更加困難。因此，在對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不要無(wú)條件地追求開(kāi)關(guān)電源的工作效率為越高越好。

不管采用什么樣的濾波電路來(lái)抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，其主要目的都是要把圖6中的V1、V2、V3等三個(gè)干擾信號(hào)的幅度降到最低。例如：要抑制V1干擾信號(hào)，最有效的方法是在V1的兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊，需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，一般人們都稱他為Y電容；同理，要抑制V2干擾信號(hào)，最有效的方法也是在V2的兩端并聯(lián)一個(gè)Y電容。由于Y電容會(huì)引起設(shè)備漏電或機(jī)客帶電，容易危及人身安全，所以這兩個(gè)Y電容都是屬于安全電容，其容量不能大，并且要求耐壓很高，否則，機(jī)器將會(huì)漏電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般在亞熱帶機(jī)器對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.7mA，在溫帶機(jī)器對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.35mA，因此，Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^(guò)4700P。

特別提示，Y電容為安全電容，必須經(jīng)過(guò)安全檢測(cè)部門人證過(guò)后才能使用。Y電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V以上，因此，Y電容不能隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來(lái)代用。

抑制V3干擾信號(hào)最有效的方法，同樣也是在V3的兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊，也需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，一般人們都稱他為X電容。X電容同樣也屬于安全電容，其容量可以比Y電容大，但必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí)，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端帶電的電壓（或?qū)Φ仉娢唬┍仨毿∮谠瓉?lái)電壓的30%。

X電容也是安全電容，必須經(jīng)過(guò)安全檢測(cè)部門認(rèn)證過(guò)后才能使用。

X電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓達(dá)2000V以上，使用的時(shí)候不要隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來(lái)代用。

X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容，這種電容體積一般都很大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，即：內(nèi)阻比較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)一般都很小，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻比較大，用普通電容代替X電容，除了耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿足要求的。

實(shí)際上，光靠用Y電容和X 電容就想把傳導(dǎo)干擾信號(hào)完全濾除是不可能的。因?yàn)楦蓴_信號(hào)的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz到幾百M(fèi)Hz甚至上千MHz的頻率范圍。對(duì)低端干擾信號(hào)的濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全條件的限制，Y電容和X電容的容量都不能用大；對(duì)高端干擾信號(hào)的濾除，大容量電容的濾波性能又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，因?yàn)樗怯镁砝@工藝生產(chǎn)的，并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn)，一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng)，它會(huì)降低電容器的工作頻率，聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右，超過(guò)1MHz其阻抗將顯著增加。

因此，抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾除了選用Y電容和X電容進(jìn)行濾波以外，一般還要同時(shí)選用多個(gè)電感濾波器一起組合對(duì)干擾除進(jìn)行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多種類和無(wú)數(shù)多種規(guī)格，例如有：差模、共模，以及高頻、低頻等，每種電感主要都是針對(duì)某一小段頻率的干擾信號(hào)濾除而起作用，對(duì)其它頻率的干擾信號(hào)的濾除起作用不大。因?yàn)椋姼辛亢艽蟮碾姼校渚€圈匝數(shù)很多，分布電容也很大，高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)分布電容旁路掉，另外，導(dǎo)磁率很高的磁芯，其工作頻率也不高。目前，國(guó)內(nèi)大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz以下，對(duì)于工作頻率要求比較高的場(chǎng)合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)磁率一般都不高，但漏感特別小。

PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾 度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計(jì)。..

當(dāng)前，日益惡化的電磁環(huán)境，使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境，日益關(guān)注電磁環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始，包括后續(xù)的結(jié)構(gòu)，PCB設(shè)計(jì)，都要充分考慮到EMC問(wèn)題，融入電磁兼容設(shè)計(jì)，使電子設(shè)備更可靠的工作。電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾 度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計(jì)。

電磁干擾的主要形式

電磁干擾主要是通過(guò)傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)工作，其他的方式還有共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)：傳導(dǎo)耦合即通過(guò)導(dǎo)電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上，屬頻率較低的部分（低于30MHz）。在我們的產(chǎn)品中傳導(dǎo)耦合的途徑通常包括電源線、信號(hào)線、互連線、接地導(dǎo)體等。

輻射：通過(guò)空間將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上，屬頻率較高的部分（高于30MHz）。輻射的途徑通過(guò)空間傳遞，在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。

共阻抗耦合：當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)出現(xiàn)的相互干擾。在電源線和接地導(dǎo)體上傳導(dǎo)的騷擾電流，多以這種方式引入到敏感電路。

感應(yīng)耦合：通過(guò)互感原理，將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘?hào)，感應(yīng)到另一條回路對(duì)其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種。

對(duì)這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對(duì)策：傳導(dǎo)采取濾波（如我們?cè)O(shè)計(jì)中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用），輻射干擾采用減少天線效應(yīng)（如信號(hào)貼近地線走）、屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對(duì)外界的電磁干擾。

電磁兼容設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)新項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，電磁兼容設(shè)計(jì)需要貫穿整個(gè)過(guò)程，在設(shè)計(jì)中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，才不致于返工，避免重復(fù)研發(fā)，可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間，提高企業(yè)的效益。

一個(gè)項(xiàng)目從研發(fā)到投向市場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)需求分析、項(xiàng)目立項(xiàng)、項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣品試制、功能測(cè)試、電磁兼容測(cè)試、項(xiàng)目投產(chǎn)、投向市場(chǎng)等幾個(gè)階段。

在需求分析階段，要進(jìn)行產(chǎn)品市場(chǎng)分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，挖掘?qū)?xiàng)目有用信息，整合項(xiàng)目發(fā)展前景，詳細(xì)整理項(xiàng)目產(chǎn)品工作環(huán)境，實(shí)地考察安裝位置，是否對(duì)安裝有所限制 空間，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕、潮濕、高溫等，周圍設(shè)備的工作情況，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否受限與其他設(shè)備，產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效 率，或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來(lái)很大的方便，操作使用方式能否容易被人們所接受，這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品要滿足現(xiàn)場(chǎng)功能需要、易于操作等，最后要整理詳 細(xì)的需求分析報(bào)告，以供需求評(píng)審。

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