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EMC设计的选择及应用技巧需要谨慎,不同原件考需要差别对待 评论(0) 收藏(0
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[导读] 在复杂的电磁环境中,每台电子、电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰正常工作以外,还不能产生对该电磁环境中的其它电子、电气产品所不能承受的电磁干扰。
        在复杂的电磁环境中,每台电子、电气产品除了本身要能抗住一定的外来电磁干扰正常工作以外,还不能产生对该电磁环境中的其它电子、电气产品所不能承受的电磁干扰。或者说,既要满足有关标准规定的电磁敏感度极限值要求,又要满足其电磁发射极限值要求,这就是电子、电气产品电磁兼容性应当解决的问题,也是电子、电气产品通过电磁兼容性认证的必要条件。很多工程师在进行产品电磁兼容性设计时,对于如何正确选择和使用电磁兼容性元器件,往往束手无策或效果不理想,因此,很有必要对此进行探讨。

对于电磁兼容的相关理论,电子元件技术网通过线上的EMC半月谈、EMC大讲台以及线下电磁兼容研讨会等很多种方式进行了深入探讨。现在我们通过一些图片,直观的系统的回顾电磁兼容的含义、电磁干扰的三要素以及抑制电磁干扰的原理。再根据EMC设计原理和元器件不同的结构特点,主要讲解不同元器件在EMC设计中的选择及应用技巧,对EMC设计具有指导作用。


电磁兼容的定义
电磁干扰的三要素
抑制电磁干扰的原理
EMC主要解决方法 预防比屏蔽更加有效
电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键,正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此,我们必须深入掌握这些元器件,这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。而每一种电子元件都有它各自的特性,因此,要求在设计时仔细考虑。接下来我们将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。

元件组
有两种基本的电子元件组:有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效果,尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感,大约是1nH/mm/引脚。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应,大约有4pF。因此,引脚的长度应尽可能的短。与有引脚的元件相比,无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。其典型值为:0.5nH的寄生电感和约0.3pF的终端电容。
从电磁兼容性的观点看,表面贴装元件效果最好,其次是放射状引脚元件,最后是轴向平行引脚的元件。
 

一、EMC元件之电容
在EMC设计中,电容是应用最广泛的元件之一,主要用于构成各种低通滤波器或用作去耦电容和旁路电容。大量实践表明:在EMC设计中,恰当选择与使用电容,不仅可解决许多EMI问题,而且能充分体现效果良好、价格低廉、使用方便的优点。若电容的选择或使用不当,则可能根本达不到预期的目的,甚至会加剧 EMI程度。
从理论上讲,电容的容量越大,容抗就越小,滤波效果就越好。一些人也有这种习惯认识。但是,容量大的电容一般寄生电感也大,自谐振频率低(如典型的陶瓷电 容,0.1μF的f0=5 MHz,0.01μF的f0=15 MHz,0.001μF的f0=50 MHz),对高频噪声的去耦效果差,甚至根本起不到去耦作用。分立元件的滤波器在频率超过10 MHz时,将开始失去性能。元件的物理尺寸越大,转折点频率越低。这些问题可以通过选择特殊结构的电容来解决。
贴片电容的寄生电感几乎为零,总的电感也可以减小到元件本身的电感,通常只是传统电容寄生电感的1/3~1/5,自谐振频率可达同样容量的带引线电容的2倍(也有资料说可达10倍),是射频应用的理想选择。
传统上,射频应用一般选择瓷片电容。但在实践中,超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜电容也是适用的,因为它们的尺寸与瓷片电容相当。
三端电容能将小瓷片电容频率范围从50 MHz以下拓展到200 MHz以上,这对抑制VHF频段的噪声是很有用的。要在VHF或更高的频段获得更好的滤波效果,特别是保护屏蔽体不被穿透,必须使用馈通电容。

二、EMC元件之电感
电感是一种可以将磁场和电场联系起来的元件,其固有的、可以与磁场互相作用的能力使其潜在地比其他元件更为敏感。和电容类似,聪明地使用电感也能解决许多 EMC问题。下面是两种基本类型的电感:开环和闭环。它们的不同在于内部的磁场环。在开环设计中,磁场通过空气闭合;而闭环设计中,磁场通过磁芯完成磁路,如下图所示。

电感中的磁场

电感比起电容一个优点是它没有寄生感抗,因此其表面贴装类型和引线类型没有什么差别。
开环电感的磁场穿过空气,这将引起辐射并带来电磁干扰(EMI)问题。在选择开环电感时,绕轴式比棒式或螺线管式更好,因为这样磁场将被控制在磁芯(即磁体内的局部磁场)。

开环电感

对闭环电感来说,磁场被完全控制在磁心,因此在电路设计中这种类型的电感更理想,当然它们也比较昂贵。螺旋环状的闭环电感的一个优点是:它不仅将磁环控制在磁心,还可以自行消除所有外来的附带场辐射。
电感的磁芯材料主要有两种类型:铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频场合(几十KHz),而铁氧体磁芯电感用于高频场合(到MHz)。因此铁氧体磁芯电感更适合于EMC应用。
在EMC应用中特别使用了两种特殊的电感类型:铁氧体磁珠和铁氧体磁夹。铁和铁氧体可作电感磁芯骨架。铁芯电感常应用于低频场合(几十KHz),而铁氧体芯电感常应用于高频场合(MHz)。所以铁氧芯感应体更适合于EMC应用。

三、滤波器结构的选择
EMC设计中的滤波器通常指由L,C构成的低通滤波器。不同结构的滤波器的主要区别之一,是其中的电容与电感的联接方式不同。滤波器的有效性不仅与其结构有关,而且还与联结的网络的阻抗有关。如单个电容的滤波器在高阻抗电路中效果很好,而在低阻抗电路中效果很差。
滤波器分类(基于功能)
滤波器分类(基于结构)
滤波器选型

四、EMC元件之磁珠
磁珠由氧磁体组成,电感由磁心和线圈组成,磁珠把交流信号转化为热能,电感把交流存储起来,缓慢的释放出去。
磁珠工作原理
磁珠选型
磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了。
电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。

五、EMC元件之二极管
二极管是最简单的半导体器件。由于其独特的特性,某些二极管有助于解决并防止与EMC相关的一些问题。

六、模拟与逻辑有源器件的选用
电磁干扰发射和电磁敏感度的关键是模拟与逻辑有源器件的选用。必须注意有源器件固有的敏感特性和电磁发射特性。
有源器件可分为调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用,其频率特性包括:中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应;基本领带器件起低通元件作用,其频率特性包括:截止频率、通带特性、带外抑制特性和乱真响应。此外还有输入阻抗特性和输入端的平衡不平衡特性等。
模拟器件的敏感度特性取决于灵敏度和带宽,而灵敏度以器件的固有噪声为基础。
逻辑器件的敏感度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。
有源器件有两种电磁发射源:传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输,并随频率增加而增加;辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射,并随频率的平方而增加。瞬态地电流是传导干扰和辐射干扰的初始源,减少瞬态地电流必须减小接地阻抗和使用去耦电容。
逻辑器件的翻转时间越短,所占频谱越宽。为此,应当在保证实现功能的前提下,尽可能增加信号的上升/下降时间。
数字电路是一种最常见的宽带干扰源,其电磁发射可分为差模和共模两种形式。
为了减少发射,应尽可能降低频率和信号电平;为了控制差模辐射,必须将印制电路板上的信号线、电源线和它们的回线紧靠在一起,减小回路面积;为了控制共模辐射,可以使用栅网地线或接地平面,也可使用共模扼流圈。同时,选择“干净地”作为接地点也是十分重要的。
表面安装技术(SMT)是70年代末发展起来的新型电子装联技术,内容包括表面安装器件(SMD)、表面安装元件(SMC)、表面安装印制电路板(SMB)以及表面安装设备、在线测试等。
电子整机应用SMT最多的是计算机,其次是通讯、军用、消费类电子产品。
90年代SMT发展了一种新型电路基板,可用来制作多芯片组件MCM。目前片式集成电路的输入/输出端口已增加到上百个,引脚的中心间距已减小到0.3毫米。目前表面安装技术正在和微组装技术互相交错和渗透。由于SMD/SMC的超小型化,使基板焊区尺寸减小到I平方英寸以内,无论电磁发射还是电磁敏感度问题,都可以得到很好的解决。

七、电磁屏蔽材料的选用
具有较高导电、导磁特性的材料可以用作屏蔽材料。常用的有钢板、铝板、铝箔、铜板、铜箔等。也可以在塑料机箱上喷涂镍漆或铜漆的方法实现屏蔽。
屏蔽机箱的屏蔽效能除了与所选屏蔽材料的导电率、导磁率和厚度有关外,在很大程度上还依赖于机箱的结构,即其导电连续性。任何实用的屏蔽机箱上都有缝隙,这些缝隙是由于屏蔽板之间临时性搭接所造成的。由于缝隙的导电不连续性,在缝隙处会产生电磁泄漏。因此,对于永久性搭接,可以使用焊接的方法消除缝隙。如果使用铆接或螺钉连接,间距必须足够小。对于非永久性搭接,采用电磁密封衬垫等屏蔽材料则是十分有效的手段。

1.电磁密封衬垫
电磁密封衬垫是一中弹性好、导电性高的材料。将这种材料填充在缝隙处,能保持导电连续性,是解决缝隙电磁泄漏的好方法。在选用电磁密封衬垫时,需要熟悉以下特性参数:
转移阻抗设衬垫和两侧屏蔽板的接合面上流过电流I,而两侧屏蔽板之间的电压为V,则转移阻抗定义为Zr=V/I。转移阻抗越低,则两侧屏蔽板之间的电磁泄漏越小,加衬垫后该缝隙的屏蔽效能越高。
硬度衬垫的硬度应当适中,硬度太低,易造成接触不良,屏蔽效能较低;硬度太高,需要较大的压力,给结构设计造成困难。
压缩永久形变衬垫只有在外力作用下发生一定的形变时,才有屏蔽作用。当外力去掉后,衬垫不会完全恢复到原来的形状,即发生了永久形变。当然,衬垫的压缩永久形变越小越好。
衬垫厚度衬垫的厚度应能满足接触面不平整度的要求,利用其弹性,将缝隙填充满,达到导电连续性的目的。
常用的电磁密封衬垫有以下几种类型:
金属丝网衬垫用金属丝编织成的弹性网套,为纯金属接触,接触电阻低;但金属丝在高频时会呈现较大感抗,使屏蔽效能降低。所以只适用于l吉赫以下的频率范围。
橡胶芯编织网套将金属丝编织的网套套在发泡橡胶芯或硅橡胶芯上,具有很好的弹性和导电性。
导电橡胶衬垫在硅橡胶内填充金属颗粒或金属丝,构成导电的弹性物质。由于导电橡胶中的导电颗粒之间的容抗在高频时会降低,因此,填充金属颗粒在高频时屏蔽效能较高。如果填充方向一致的金属丝,还可以做到纯金属接触,但由于金属丝在高频时呈现较大感抗,使屏蔽效能降低,所以填充金属丝时只适用于低频。
铍铜指形簧片利用被铜良好的导电性和弹性,可制成各种指形簧片。由于纯金属接触,直流电阻低,感抗又小,所以低频和高频时都具有较高的屏蔽效能。
螺旋管衬垫用镀锡被铜或不锈钢做成的螺旋管,具有良好的弹性和导电性,是目前屏蔽效能最高的衬垫。

2.导电化合物
导电化合物包括各种导电胶和各种导电填充物等。环氧导电胶可用于金属之间,金属与非金属之间,各种硬性表面之间的导电粘接。可代替焊锡,完成微波器件引线连接;可修复印制板线路,可用于导电陶瓷粘接,天线元件粘接,玻璃除霜粘接,导电/导热粘接,微波波导部件粘接等。硅脂导电胶用于将弹性的导电橡胶粘接固定在金属表面上,可应用于航天、航空、军用等电子设备中。导电填充物是一种高导电浆糊状材料,用于无法加装屏蔽衬垫的缝隙处,固化后仍保持弹性。

3.截止波导通风板
屏蔽机箱的通风口及其它开口都是主要的电磁辐射源。采用开小孔或加金属丝网的方法都难以达到满意的屏蔽效能。理论证明,当金属管截面尺寸满足一定条件时,可以传输一定频率范围的电磁波,称为波导管。而波导管存在一个截止频率,当频率低于截止频率时,电磁波被截止而不能传输。根据这个原理可以设计成截止波导管。截止波导通风板由许多截止波导管依次排列组成,为了提高通风效率,每个截止波导管的截面都设计为六角形,故又称蜂窝状通风板。当屏蔽效能要求很高时,可用两块截止波导通风板构成双层通风板。而通风板材料的导电率是屏蔽效能的重要因素,采用高导电率材料或镀层的通风板可以得到高屏蔽效能。

4.导电玻璃和导电膜片
显示屏或显示窗口既要满足视觉要求,又要满足防电磁辐射的要求,为此,可选用导电玻璃实现屏蔽。导电玻璃可用两块光学玻璃中间夹金属丝网构成,金属丝网的密度越大,屏蔽效能就越高,但透光性变得越差。导电玻璃也可由光学玻璃或有机玻璃表面镀的金属薄膜构成。此外,还可以在透明聚脂膜片上镀以金属薄膜,制成柔性透明导电膜片。这种膜片的透光性可达70%(80%,而且膜片很薄,仅0.13mm,可以直接贴覆在常规玻璃或有机玻璃表面,特别适用于要求高透明度和中等屏蔽效能的仪表表盘、液晶显示器、面板指示灯孔、彩色显示器等部位。

八、电磁干扰滤波器的选用
实践表明,即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品,也仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法,当干扰频谱不同于有用信号的频带时,可以用电磁干扰滤波器将无用的干扰滤除。因此,恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是十分重要的。从频率选择的角度出发,电磁干扰滤波器属于低通滤波器,分为信号线滤波器和电源线滤波器等。

1.信号线滤波器
信号线滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器,用来滤除高频干扰成分。可分为线路板滤波器、馈通滤波器和连接器滤波器等三种。线路板滤波器适合于安装在线路板上,具有成本低、安装方便等优点;馈通滤波器适合于安装在屏蔽壳体上,特别适用于单根导线或电缆穿过屏蔽体时使用;滤波器连接器适用于多根导线或电缆穿过屏蔽体时使用。滤波器连接器在外形上和尺寸上都和普通连接器相同,两者完全可以互换。但滤波器连接器的每个针或孔上都有一个低通滤波器,它的电路可以是单个电容的,也可以是L型或π型的。
选用信号线滤波器时,应根据使用的场合,选择滤波器的类型,根据滤波要求选择滤波器的电路和性能指标,为了保证信号频率顺利通过滤波器,滤波器的截止频率应高于信号频率的上限。此外,还应正确选择滤波器的工作电压、电流、温度范围等。在使用信号线滤波器时,最重要的是保证滤波器有良好的接地,接地线应尽量短。滤波器外壳应与屏蔽体有良好的电接触,可以使用焊接方式或采用射频电磁密封衬垫。
新研制的滤波器阵列板是将滤波器制成微形器件,并排列成阵列,能快速安装到电子产品的底板或隔断上,以实现密封或隔离。

2.铁氧体电磁干扰抑制元件
铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似,颜色为灰黑色。对于抑制电磁干扰用的铁氧体,最重要的性能参数为磁导率μ 和饱和磁通密度Bs。磁导率μ可以表示为复数,实数部分构成电感,虚数部分代表损耗,随着频率的增加而增加。因此,它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。例如磁导率为850的铁氧体,在10MHz时阻抗小于10Ω,而超过l00MHz后阻抗大于100Ω,使高频干扰大大衰减。这样,就构成了一个低通滤波器。低频时R很小,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;高频时R增大,电磁干扰被吸收并转换成热能。
铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。例如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下,还存在铁氧体饱和的问题,抑制元件横截面越大,越不易饱和,可承受的偏流越大。
铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路,则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。
安装时还应当注意,铁氧体元件易破碎,应采取可靠的固定措施。

3. 电源线滤波器
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。为防止这两种情况的发生,必须在设备的电源接口安装电源线滤波器。它只允许电源频率通过,而高于电源频率的电磁干扰却受到很大的衰减。
电源线上的干扰以两种形式出现,在火线、零线回路中的干扰为差模干扰,在火线、零线与地线回路中的干扰为共模干扰。虽然电源线滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用,但效果不一样,应分别给出两者的插入损耗。除了特别说明允许不接地的滤波器外,所有电源滤波器都必须接地,因为滤波器中的共模旁路电容只有接地时才起作用。
使用电源滤波器时,应尽量靠近电源入口处安装,并使滤波器的输入/输出端之间屏蔽隔离,避免电磁干扰从输入端直接耦合到滤波器的输出端。此外,滤波器的接地点还应尽量靠近设备的接地点。电源线滤波器的技术指标包括:最大泄漏电流、耐压、额定工作频率、额定工作电压、额定工作电流和温度范围等。

九、结束语
电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键,正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此,我们必须深入掌握这些元器件,这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。


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