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EMC 设计指南

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)指的是设备在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力,通俗地说,就是你的板子不怕别人干扰,也尽量不去干扰别人,达到「兼容」的状态。

电磁兼容性(EMC)包括电磁干扰(EMI,Electro-Magnetic Interference)和电磁耐受性(EMS,Electro-Magnetic Susceptibility)。

EMI 分为以下方面:

  • 辐射发射(RE,Radiated Emission):指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。
  • 传导发射(CE,Conducted Emission):指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。
  • 谐波(Harmonic):谐波电流骚扰测试
  • 闪烁(Flicker):电压变化和闪烁测试

EMS 分为以下方面:

  • 辐射抗扰(RS):射频电磁场辐射抗扰度测试
  • 传导抗扰(CS):射频场感应的传导骚扰抗扰度测试
  • 防静电(ESD):静电抗扰度测试
  • 瞬态脉冲干扰(EFT):电快速瞬变脉冲群抗扰度测试
  • 电压暂降(DIP):短时中断和电压变化抗扰度测试
  • 浪涌、雷击(SURGE):浪涌(冲击)抗扰度测试
  • 工频磁场抗扰(PFMF):工频磁场抗扰度测试

EMC 优化基本方法

产生 EMC 问题的要素是:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。

规律:

  1. 高频电流环路面积 S 越大, EMI 辐射越严重。
  2. 环路电流频率 f 越高,引起的 EMI 辐射越严重,电磁辐射场强随电流频率 f 的平方成正比增大。

基本应对方法:

  • 传输通道抑制:具体的方法有滤波、屏蔽、接地、搭接、合理的布线;
  • 空间分离:即通过加大骚扰源和敏感电路间的距离,抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的有效方法;
  • 时间分离:有用信号在干扰信号发射时短暂关闭,而在干扰信号停止的时间内传输;
  • 频谱处理:频谱改变、展频技术;
  • 电气隔离:光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、DC/DC 变换。

最小化高频线和电源环路的面积

基本原则:

  1. 信号总是返回到源端。
  2. 信号回流总是走阻抗最小的路径。

在高频信号中,信号回流路径通常是最小电感的路径,这通常也是环路面积最小的路径。在低频中(通常为 KHz 频率及以下),信号回流往往走阻值最小的路径。

尽量保持信号回流屏幕完整

如图,如果切割了信号回流平面,则信号电流将不能经最优化(最短)路径返回源头,在寻找替代回流路径的时候将变得不可预期,增大信号环路面积。

特殊情况下,数字地和模拟地需要隔离,防止串扰。

高速信号远离连接器

通过连接器连接到 PCB 的线缆是高效的天线,而高速信号容易产生电位差,这些电压会驱动电流到连接的线缆上,引发辐射超标。

抑制高速信号上升沿和下降沿时间

通过减慢数字信号的上升沿和下降沿时间,可以很好地控制高次谐波频率。过长的转换时间会导致信号完整性和过热问题。

EMC 元器件

EMC 常用元件有共模电感、磁珠与滤波电容器。

常见滤波器模型:

共模电感

共模电感的等效模型:

磁珠

磁珠的介绍与选型请见 基本元器件-电感与磁珠 · 磁珠 部分。

滤波电容

电容的介绍与选型请见 基本元器件 - 电容 部分。

PCB 的 EMC 设计 🚧

3W 与 20H 原则

3W 原则指的是线中心距不少于 3 倍线宽时,则可保持 70%的线间电场不互相干扰。如要达到 98% 的电场不互相干扰,则使用 10W 规则。

20H 原则指的是确保电源平面的边缘要比地平面边缘至少缩入相当于两个平面间层距的 20 倍,是为抑制边缘辐射效应,可以将 70% 的电场限制在接地边沿内;内缩 100H 则可以将 98% 的电场限制在内。

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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