电磁干扰的概念和预防在中国已经逐渐受到重视,由于欧美国家对电磁干扰的要求,加上数字产品的广泛使用,对电磁干扰的要求迫在眉睫。
EMI设计要点:
首先,我们必须在大脑中明确一个概念——在高频中,自由空间的阻抗是377欧姆,对于一般EMI中的空间辐射,信号通过空间辐射,因为信号电路已经达到与空间阻抗相比的程度,要理解这一点,我们需要做的是降低信号电路的阻抗。
控制信号电路的阻抗的主要方法是缩短信号的长度,减少电路的面积,然后采用合理的端接来控制电路的反射。事实上,控制信号电路的一个简单方法是处理关键信号(特别是双面板,因为双面微带模型阻抗有150欧姆,与自由空间相当,可以提供几十欧姆阻抗),请注意,因为电缆本身在高频阻抗,所以使用地平面或电缆多次通过孔到地平面。我的许多设计都是在使用,以避免时钟信号的辐射超过标准。
此外,为了避免信号穿过分割区域,许多工程师将信号分割在地面上,但有时他们忘记了在这些区域布线,导致信号电路绕过大区域,实际上增加了布线长度。
对于EMI传导部分,重点是充分利用旁路电容器和去耦电容器。旁路电容器(提供交流短路线)必须布置在晶片电源管脚和接地线(平面)上。去耦电容器应放置在电流需求变化较大的地方,以避免因电线阻抗(电感)而从电源和接地线上耦合干扰。当然,磁珠的合理串联可以吸收(转换为热能)。电感器有时也可以用来过滤干扰,但请注意,电感本身也有频率响应范围,包装也决定了其频率响应。以上是一些基本的经验,对于EMI设计,你需要真正了解自己的设计,需要关注哪里,问题会是什么现象,什么是替代方案,需要提前整理。
干扰正确的诊断:
事实上,如果我们把EMI视为一种疾病,当然,通常的预防和维护是非常重要的。一旦有了正确的诊断,我们就可以快速康复。没有正确的诊断,我们就找不到疾病的来源。
我们往往事半功倍,拖延时间。因此,在EMI问题上,我们经常看到EMI有问题的产品。因为我们找不到EMI问题的关键,我们花了很多时间和很多对策,但我们无法解决,包括专业的EMI工程师。在过去,当谈到EMI时,我们经常强调对策方法,甚至视为许多对策的秘密决策或独特技巧。然而,没有正确的诊断,产品中添加了大量的EMI抑制组件,其结果往往只会使EMI情况更糟。当我第一次接触到产品EMI对策的修改时,我会听到高级EMI工程师说,如果我删除了所有的EMI对策,我就可以通过测试。起初,我以为这是个笑话。
现在回想起来,这是一次非常宝贵的经历。然后我听到许多EMI工程师谈论类似的经历。本文将举例,让读者更好地了解EMI的对策理念。
一般来说,关于如何解决EMI问题,大多数都sebycase。当然,在对策方面,每个产品的特点和电路板布线都不一样,所以不可能用几套方法解决所有EMI问题。但是,长期以来,我们一直想处理EMI问题,做出适当的对策。此外,我们还提供专业EMI工程师的参考方法。在这里,我们整理了一些电磁干扰和对策的经验,希望对读者有所帮助。
EMI初步诊断步骤:
我们在EMI诊断中提出了一套参考步骤,希望以系统的方式快速发现EMI的问题。我们还没有准备好讨论一些理论计算或公式演绎,这将在实践中解释。
当一个产品不能通过EMI测试时,首先要有一个想法,找出不能通过的问题点。此时,我们不能有主观的想法。我们应该在那些地方采取对策。经常有许多经验丰富的EMI工程师。
由于修改了许多相关产品,他们也非常了解产品可能导致EMI问题的地方,并且习惯于直接开处方。当然,它们通常可能非常有效,但偶尔很难修改。后来,发现问题的关键是最初认为不可能的地方。这种疏忽的原因是它太主观了。因此,无论我们是否熟悉产品特性,我们都应该逐一确认,甚至多次确认。这是因为EMI问题往往是复杂的,而不是单一的。因此,反复确认对EMI问题的诊断非常重要。
我们详细列出了初步诊断步骤,并解释了它们的关键点。这些步骤似乎非常普通和简单。与介绍对策和方法不同,各种理论技巧层出不穷,变化神秘。事实上,许多资深EMI工程师在处理对策时大部分时间都在重复这些步骤和判断。作者应该再次强调,解决EMI问题的I问题的关键,才是解决EMI问题的好方法。如果仅仅依靠理论猜测或经验判断,有时会花费更多的时间和精力。
电磁兼容(EMC)整改步骤1:
将桌子转移到待测(EUT)大发射位置,初步诊断可能的原因,关闭EUT电源确认。
由于EMI测试,EUT必须转动360度,天线从1m变化到4m,以记录大辐射。同样,当我们发现我们无法通过测试时,我们首先将天线位置转移到噪声接收高度,然后将桌子转移到一个不同的角度。此时,我们知道EUT对天线的辐射很强,所以我们可以初步推测可能的原因,如屏蔽不良或靠近辐射源或电线电缆等。
此外,需要注意的是关闭EUT电源,看看噪音是否存在,以确定噪音确实是由EUT产生的。我曾经看到,Monitor的测试一直无法解决某种干扰。因此,它的噪音是由PC而不Monitor引起的。还有一些问题是,在OPENSITE测试中,Monitor发现某些点无法通过。测试接收仪器的声音应由Monitor产生。因此,关闭电源发现噪音仍然存在,因此关闭EUT电源的步骤是必要的,通常很容易被忽略。
电磁兼容(EMC)整改步骤2:
逐一拆除连接EUT的周围电缆,查看干扰噪声是否减少或消失。如果干扰频率减少或甚至消失,则电缆已成为天线辐射机板内的噪声。事实上,我们可以用一个非常简单的模式来表达仔细分析导致EMI的关键。
任何EMI的Source都必须有天线才能产生辐射。如果只有单独的噪声源而没有天线,辐射量很小。如果连接到天线,由于天线效应,能量会辐射到空间。因此,除了处理噪声的(Source)外,EMI对策还重要检查破坏辐射条件的天线。
在过去,我们经常看到,谈论EMI对策离不开屏蔽、滤波和接地。对于接地,一块电路板通常是固定的,不能再处理了,因为这部分必须在电路板布线时仔细考虑。如果电路板已经完成,此时可变的空间将非常小。一般来说,我们只能找到噪音低的接地,并用较厚的接地线连接,以减少共模(Commonmode)的噪音。
屏蔽所涉及的材料和成本也很高。过滤器的方法是经常可见的Bead电感,这通常不是很有效。很多时候,我们没有解决辐射的天线效应。一般来说,噪声的能量不会因添加一些对策组件而消失,即能量不会减少。我们要做的是如何避免噪声辐射到空间(辐射测试)或电源(传导测试)。
在此我们整理了产生辐射常见的几种情形供读者参考:
(1)连接到机器外部的电缆成为辐射天线
由于机器外部连接的电缆成为天线效应,噪声辐射到空间。此时,噪声的大小与电缆的长度有关。由于电缆的天线效应大于噪声半波长时的共振,EMI往往无法通过测试。在解决这个问题之前,我们必须做出一些判断,否则很容易忽视和浪费时间。
(a)噪声由机器内部电路板或接地产生
这种情况是取下电缆或添加一个可能性来降低或消失噪音。此时,必须做的一步是将电线靠近机器(无需直接连接),看看噪声是否存在。如果噪声没有上升,则可以确定它是由机器内部产生的。如果电缆靠近,干扰噪声立即上升,请参考(b)的说明。
(b)噪声是将机器内部耦合到电缆上,使电缆成为辐射天线
许多测试工程师很容易忽略这一点。正如(a)所述,只要电缆靠近,就可以看到频谱上的噪声立即上升,这意味着噪声不仅仅是在线辐射,而是机器本身的噪声能量相当大,一旦天线靠近,就会立即与天线相连,辐射出来。在实际测试中,我们发现许多通信产品都有这种情况,如果只是使用core或bead来处理,这并不能真正解决这个问题。
(2)机器内部的引线,连接线成为辐射天线
由于许多产品中经常有一些电线相互连接到工作室,当这些电线靠近噪声源时,它们很容易成为天线,并辐射噪声。根据这一点,我们可以在200MHz以下的噪声中添加一个可以判断噪声是否减少,对于200MHz以上的高频噪声,我们可以前后移动线的位置,看看噪声是否会增加或减少。
(3)电路板上的布线成为辐射天线。
由于走线太长或靠近噪声源而本身被藕合成为发射天线,此种情形当外部电缆都取下,而仅剩电路板时,在频谱仪上可看见噪声依然存在,此时可用探棒测量电路板噪声强的地方,找到辐射的问题加以解决。关于探测的工具及方法,在之后详细说明。
(4)电路板上的部件成为辐射源。
由于使用的IC或CPU本身在运行过程中产生很大的辐射,EMI测试无法通过。这种情况经过(1)、(2)、(3)的分析后,噪音依然存在。通常的解决办法是更换类似的组件,看EMI的特性是否会更好。此外,当电路板重新布线时,将其放置在影响较小的位置,即附近没有I/OPort和连接线。当然,如果情况允许,用金属外壳覆盖整个组件也是一种快速有效的方法。
通过以上分析和介绍,我们可以理解电磁干扰辐射的关键是电线的问题。当天线条件适当时,很容易产生干扰。此外,电源线往往是天线效应的主要原因,在许EMI对策中容易被忽视。
电磁兼容(EMC)整改步骤3:
如果电源线不能移动,可以夹住Core或水平垂直摆动,看噪音是否降低或变化。如果产品有电池设备,可以取下电源线进行判断,如NotebookPC。
如上述电源线往往成为辐射天线,特别是Desktopc产品,通常超过300MHz的噪声会从空间连接到电源线,因此有必要判断产品的电源线是否被感染。由于噪声频带的影响,200MHz以下可以通过加Core(一次多加几个)来判断。对于200MHz以上的噪声,由于Core此时效果不大,可以水平垂直放置电源线,看干扰噪声是否不同。如果水平和垂直有明显差异,可以在摆动电源线的同时查看频谱仪(Spectrum)上的噪声大小是否发生变化,从而知道电源线是否受到干扰。
至于如何解决电源线产生的辐射,一般不容易处理,通常先找到降低机器噪声的方法,以避免电源线的二次辐射,使用Shielded线一般对辐射影响不大,所以更换不同长度的电源线,有时效果很好。
由此我们可以知道,除了远离I/OPort外,还应尽量远离电源线和Switchingpowersupply板,以免与电源线连接,使辐射和传导无法通过测试。
电磁兼容(EMC)整改步骤4:
检查电缆接头端的接地螺钉是否拧紧,外端接地是否良好。在根据前三种方法大致发现问题后,我们必须再做一些检查,因为通过这些检查,我们可以通过EMI测试,而无需任何修改。例如,检查电缆端的螺钉是否锁紧,有时拧紧松动的螺钉,以增强电缆的屏蔽效果。此外,还可以检查机器外部的Connector接地是否良好。如果外壳是金属的,可以考虑刮掉Conector上的油漆,使其接地效果更好。此外,如果使用Shielded电缆,必须检查接头端外覆的金属纲是否与其铁盖紧密。许多糟糕的屏蔽线(RS232)主要是由于线路接头的外覆屏蔽金属纲和接头的接地密封,无法充分达到屏蔽效果。
各种接头,如Keyboard和Powersupply,往往会影响干扰噪声的辐射,因为接头的插头与机器上的插座密封性不好。检查方法可以拔出接头,看噪音是否降低。减少意味着两种书可以,一种是在线辐射干扰,另一种是接头之间接触不良。此时插入接头,用手微摇动接头端左右,看噪音是否会降低或消失。如果减少,可以用铜箔胶带将Keyboard或Powersupply的连接器粘贴一圈,以增加其与机器接头的密封性。这也是实际测量中容易被忽视的原因。