EMC设计与测试案例分析-郑军奇

EMC设计与测试案例分析-郑军奇详细介绍了EMC原理，通过实际的案例分析明∫颊率抖动技术的实质及注意事项其实,EMC设计犹如交通法规,不遵守不一定会出交通事故,但是必然风险大大加大。EMC设计也是一样,有些规则不遵守或许也能在测试中过关,但是过关的风险必然大人加大,所以在产品设计中有必要引人风险的意识。EMC设计的目的是最大限度地降低EMC测试风险。只有遵守所有的EMC“交通规则”的产品才是具有最低EMC风险的本书的大部分内容来自于作者在实际工作中碰到的EMC间题,每个案例都有较详细的理论分析过程.并从中得出参考经验。这些案例是作者积累的大量EM案例中的一些典型,每一个案例的结果都形成了一个或多个EMC设计规则,这是值得借鉴与参考的。由于作者所从事产品类型的限制,也许不能包含各类电子、电气产品的EMC问题同时也鉴于作者知识的局限性,可能出现一些描述不合理或不精确,甚至错误的地方,还望广大读者批评指正。在此我要特别感谢为本书提出过宝贵意见及建议的钱震宇教授和吴勤勤教授(博导),同时还要感谢倪坚博士。另外,也非常感谢电了工业出版社的张榕副编审及其同事们。最后,在此书的编写期间,我也要对我的家人孙琦及同事曾玉波及刘烨所给予的支持表示感谢。编著者目录第1章EMC甚础知识……………(1)1.1什么是EMC……………····.····4··:····:a...···‘·:···……………(1)12传导、辐射与瞬态……(2)1.3EMC测试实质…s····:.‘··4···4····+·+:·…(3)1.3.1辅射发射测试中·t鲁■即甲·即····.··甲..·.···.1.3.2传导骚扰测试…1.3.3静电放电抗扰度测试(8).3.4射频辐射电磁场的抗扰度测试…………………………………(10)1.3.5电快速瞬变脉冲群的抗扰度测试…聊●中看●………(121.3.6浪涌的抗扰度测试………………………………(15)13.7传导抗扰度测试(19)1.3.8电压跌落、短时中断和电压淅变的抗扰度测试…………(20)1.4理论基础……………………(23)14.1共模和差模………………………………………………(23)1.4.2时域与频域p·看·.··自。·一·自音自曲自·自自自d自自“画罪春。4◆(24)14.3电磁骚扰单位分贝(dB)的概念………(25)1.44正确理解分贝真正的含义………………………………………(26)1.4.5电场与磁场合·}s命·…(27)第2章结构/屏蔽与接地………(30)2.1概论……(30)2.1.1结构与EMC·······;s··:at(30)2.1.2屏蔽与EMC…(31)2.1.3接地与EMC…………(32)2.2相关案例分析……………(34)22.1案例1:传导骚扰与接地………………………………………(34)2.22案例2:传导骚扰测试中应该注意的接地环路最舞··。●4●■D鲁垂D;●………………(39)2.2.3案例3:辐射从哪里来(42)2.2.4案例4:“悬空”金属与辐射日··冒@看鲁早■…………(45)2.2.5案例5:伸出屏蔽体的“悬空”螺柱造成的辐射…(48)2.26案例6:压编量与屏蔽性能………………………………………(51)2.2.7案例7:开关电源中变压器初、次级线圈之间的屏敵层对EM作用有多大(55)Ⅶ2.28案例8:接触不良与复位2.29案例9:静电与螺钊…(63)2.2.10案例10:散热器与ESD也有关系曾甲■●■;番音曲■………(63)2.2.11案例11:怎样接地才符合MC….·:“°·····“:·.4p···.·+4“··2.2.12案例12:散热器形状影响电源端口传导发射…省「·.新,(69)2.2.13案例13:数/模混合器件数字地与模拟地如何接…(74)第3章电缆、连接器与接口电路(79)3.1概论…………4非申申;··章。自单司日··自。聊萨备B省,·非章q·画…………(79)3,1.1电缆是系统的最薄弱环节…(79)3.1.2接口电路是解决电缆辐射问题的重要手段……80)313连接器是接口电路与电缆之间的通道………………………………(81)3.2相关案例●看番……(82)3.2.1案例14:由电缆布线造成的辐射超标(82)32.2案例15:“ Pigtail”有多大影响……………(85)3.2.3案例16:接地线接出来的辐射…(89)3.24案例17:使用屏蔽线一定优于非屏蔽线吗?………923.2.5案例18:音频接口的FSD案例………………………………………(100)3.2.6案例19:连接器选型与ESD…(102)3.2.7案例20:辐射缘何超标………(104)3.2.8案例21:数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题(107)3.29案例22:信号线与电源线混合布线的结果……(1l4)3.2.10案例23:电源滤波器安装要注意什么………………………………………(117)第4章滤波与抑制…鲁···即b卡前··p4p·自·哥··息哥非·非自日音。最自··dB鲁命自自··自申看即·自44··(122)4.1概论at…………………(1224.1.1滤波器及滤波器件…………………………………(122)4.1.2防浪涌电路中的元器件…………(127)4.2相关案例(133)4.2.1案例24:由HUR引起的辐射发射超标………………………(1334.2.2案例25:电源滤波器的安装与传导骚扰……(138)4.2.3案例26:输出口的滤波影响输入口的传导骚扰…………………(141)4.2.4案例27:共模电感应用得当,辐射、传导抗扰度测试问题解决…………(145)4.2.5案例28:接口电路中电阻和TVS对防护性能的影响……………(148)4.2.6案例29:防浪涌器件能随意并联吗?(155)4.2.7案例30:浪浦保护设计要注意“协调………(158)4.2.8案例3l:防雷电路的设计及其元件的选择应慎重…………………(160)4.29案例32:防雷器安装很有讲究…··●(161)4.2.10案例33;低钳位电压芯片解决浪涌问题…(164)4.2.l1案例34:选择二极管钳位还是选用TVS保护(67)4.2.12案例35:铁氧体磁环与EⅠB抗扰度(170)第5章旁路和去耦…(172)5.1概论…(172)5.1..去耦、旁路与储能的概念(172)5.1谐振………····..:······:···;····…………………………(173)5.1.3阻抗……(177)5.1..去耦和旁路电答的选择……(178)5.1.,并联电容(180)5.2相关案例看幽■……(181)5.2.1案例36:电容值大小对电源去耩效果的影响…(181)2.2案例37:芯片中磁珠与去耦电容的位置………………………………………(185)5.2.3案例38:静电放电十扰是如何引起的………(190)5.2.4案例39:小电容解决困扰多时的辐射抗扰度问题(1945.2.5案例40:空气放电点该如何处理?(195)5.2.6案例41:ESD与敏感信号的电容旁路……(197)5.2.7案倒42:磁珠位置不当的问题…………………(200)5.2.8案例43:旁路电容的作用………………(202)5.2.9案例44:光耦两端的数字地与模拟地如何接…………(204)5.2.10案例45:二极管与储能、电压跌落、中断抗扰度(208)第6章PCB设计……………(214)6.1概论曲萨非申e自.··………(2146.1.1PCB是一个完整产品的缩影·,·4·非………………(214)6.1.2rB中的环路无处不在……(214)6.1.3PCB中的数字电路中存在大量的磁场(215)6.1.4P中不但存在大量的天线而且也是驱动源………………∴…(2166.1.5PCB中的地平面阻抗与鼯态抗干扰能力有直接影响·……(216)6.2相关案例……(218)62,1案例46:“静地”的作用……………………………………(218)6.2.2案例47:PCB布线不当造成ESD测试时复位…(223)6.23案例48:FCB布线不合理造成网口雷击损坏…(228)624案例49:IB中多了1cm2的地层铜(230)6.2.5案例50:PCB中铺“地”要避免耦合………………(233)6.2.6案例51:PCB走线宽度不够,浪涌测试中熔断(239)6.2.7案例52:FCB走线是如何将晶振辐射带出的(242)6.2.8案例53:地址线引起的辐射发射…………(244)6.29案例54:环路引起的干扰…(249)Ⅸ62.10案例55:局部地平面与强辐射器件……………………(254)6.2.11案例56:接口布线与抗FSD干扰能力…………(256)第7章器件、软件与频率抖动技术…………………………………………(261)7.1器件、软件与FMC…………………(261)72频率抖动技术与FM…………………………………(262)7.3相关案例…·专鲁;·..··(262)73.1案例57:器件EMC特性和软件对系统EM性能的影响不可小视………(262)7.3.2案例58:软件与ESD抗扰度……(265)7.3.3案例59:频率抖动技术带来的传导骚扰问题(266)7.3.4案例60:电压跌落与中断测试引出电路设计与软件问题(272)附录AEMC术语…………(274)附录BEMC标准与认证(277)X第⊥章EMC基础知识1.1什么是EMC关于EMC的基本概念,已经有大量的书籍来描述,本书中只是略提一二,一是为了保证书籍内容的完整性,二是为了在读者出现概念上的疑问时方便查阅。FMC( Electro Magnetic: Compatibility,电磁兼容)是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中,按设计要求正常工作的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能,包括以下三方面的含义。(1)EMI( Electro Magnctic Interference,电磁十扰),即处在一定环境中的设备或系统,在正常运行时,不应产生超过相应标准所要求的电磁能量,相对应的测试项目有:电源线传导骚扰(CE)●信号、控制线传导骚扰(CE)●辐射骚扰(RE);●谐波电流测量( Harmonic);●电压波动和闪烁测量( Fluctuation and Flicker)(2)EMs(E! ectro Magnetic Susceptibility,电磁抗扰度),即处在一定环境中的设备或系统,在正常运行时,设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰,相对应的测试项目有:静电放电抗扰度(ESL);电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFTB);●浪涌( SURGE);●辐射抗扰度(RS)●传导抗扰度(CS)电压跌落与中断(DIP)。(3)电磁环境,即系统或设备的工作环境。2·EMC(电兼农)设计与测试例分析1.2传导、辐射与瞬态开空调时,有时室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象,这是因为大量电流流向空调,电压急速下降,利用同一电源的荧光灯受到影响。使用吸尘器时,收音机会出现啪啦啪啦的杂音。其原因是吸尘器的电动机产生的微弱(低强度高频的)电压/电流变化通过电源线传递进入收音机,以杂音的形式放了出来。由一个设备中产生的电压电流通过电源线信号线传导并影响其他设备时,这个电压电流的变化被称为“传导于扰”。因此,为了对症下药,通常采用的方法是给友生源及被十扰设备的电源线等安装滤波器,阻止传导干扰的传输。另外,当信号线上出现噪声时,将信号线改为光纤,也可隔断传输途径。当使用手机时,旁边的CRT电脑显示器图像会出现抖动,这是因为手机工作时的信号通过空间以电磁场的形式传输到CRT显示器内部;当摩托车从附近道路通过时,电视会出现雪花状干扰,这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波,传到空间再传给附近的电视天线、电路上,产生了干扰电压/电流。这种通过空间传播,并对其他设备电路产生无用电压电流,造成危害的干扰称为“辐射干扰”。辐射现象的产生必然存在着天线与源。由于传播途径是空间,因此屏敲也是解决辐射干扰的有效方法。如上所述,干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化,这种变化通过导线直接传递给其他设备,造成危害,就叫“传导干扰”。另外,电压/电流变化而产生的电磁波通过空间传播到其他设备中,在电路或导线上产生不必要的电压/电流,并造成危害的干扰叫辐射干扰”。实际上并不能这样简单区分。例如:计算机等计算设备的骚扰源,虽然是在设备内部电路上流动的数字信号的电压/电流,但这些干扰以传导干扰的方式通过电源线或信号线泄漏,直接传递给其他设备。同时,这些导线产生的电磁波以辐射十扰的形式危及附近的设备,而且计算机等设备本身内部电路也产生电磁波,以辐射的形式危及其他设备。辐射干扰现象的产生总是与天线分不开的,根据犬线原理,如果导线的长度与波长相等,则容易产生电磁波。例如:数米长的电源线会产生V频带(30~300MHz)的辐射发射。在比此频率低的频带内,因波长较长,当电源线中流过同样的电流时,不会辐射太强的电磁波。在30MHz以下的低频带主要是传导干扰。但是,伴随着传导干扰会在电源线周围产生干扰磁场,给AM广播等带来干扰。另外,如前所述,由于在VH宽带内电源线泄漏的干扰能转变成电磁波扩散到空间,因此辐射干扰成为比传导干扰更主要的问题。在比此更高的频率上,比电源线尺寸更小的设备内部电路会产生辐射干扰,危害其他设备。总而言之,当设备和导线的长度比波长短时,主要问题是传导于扰,当它们的尺寸比波长长时,主要问题是辐射干扰。第1章EMC基础知识环境中还存在着些短暂的高能脉冲干扰,这些干扰对电子设备的危害很大,一般称这种干扰为瞬态干扰。跚态干扰可以通过电缆迸人设备,也可以以宽带辐射下扰的形式对设备造成影响,如汽车点火系统和直流电机电刷对收音机的干扰。产生瞬态干扰的原因主要有:雷电、静电放电、电力线上的负载通断(特别是感性负载)和核电磁脉冲。可见瞬态干扰指时间很短,但幅度较大的电磁干扰。常见的瞬态千扰有三种:电快速脉冲(EFT)、浪涌( SURGE)和静电放电(ESD)1.3EMC测试实质EMC测试根据标准的不同而有所不同,本书主要参考IEC10004系列、 CISPR16及EN55022标准来说明抗扰度测试及无线电骚扰测试的实质。1.3.1辐射发射测试1.辐射发射测试目的因为EMC设计及EMC问题的分析是建立在EMC测试的基础上的,所以有必要对EMC测试做简单的阐述。测试电子、电气和机电设备及其部件的辐射发射,包括来自所有组件、电缆及连接线上的辐射发射。它用来鉴定其辐射是否符合标准的要求,以致在正常使用过程中影响同一环境中的其他设备。2.常用的辐射发射测试设备根据常用传导骚扰测试标准CSPR16ENS5022的要求,辆射发射测试主要需要以下设备(1)EMI自动测试控制系统(电脑及其界面单元);(2)EM测试接收机;(3)各式夭线(主动、被动棒状大线、大小形状环路天线、功率双锥天线、对数螺旋天线、喇叭天线)及天线控制单元等;(4)半电波暗室或开阔场。EMI测试接收机是EMC测试中最常用的基本测试仪器,基于测试接收机的频率响应特性要求,按 CISPR16标准规定,测试接收机应有四种基本检波方式,即准峰值检波、均方根值检波、峰值检波及平玓值检波。然而,大多数电磁干扰都是脉冲干扰,它们对音频影响的客观效果随着重复频率的增高而增大,具有特定时间常数的准峰值检波器的输出特性,可以近似反映这种影响。因此,在无线广播频率领域, CISPR所推荐的EMC规范采用准峰检波σ由于准峰值检波既要利用干扰信号的幅度,乂要反映它的时间分布,因此准峰值检波器的充电时间常数比峰值检波器的时间常数要大,而其放电时间常数比峰值检波器的放电时间常数要小,对不同频段应有不同的充、放电时间常数,这两种检波方式