EMC是业界的一个难点;文章介绍了EMC三个规律、EMC问题三要素、电磁骚扰的特性、以及五层次EMC设计法;给企业提供了对待EMC的建议;作者认为EMC改进要如诊治疾病一样对症施治;作者倡导坚持EMC规律,趁早考虑和解决EMC 问题-进行EMC设计。

EMC是产品认证的重要内容

随着我国加入WTO无论是走向国际大市场的中国产品,还是涌向中国市场的外国产品,几乎都要进行各种各样的产品认证。产品认证,从国际贸易角度看,实质上是技术性贸易壁垒。我们只有不断提高产品质量, 突破技术壁垒,才能开拓海外市场,促进外贸发展。国内新的3C 认证替代了原来的CCIB 和CCEE 认证,“CCC”是我国强制性产品认证标志—— China Compulsory Certification的英文缩写,只有取得3C 认证的产品才能进入国内市场。3C认证对机电、电器产品的安全性能、EMC等方面作了详细规定。

EMC是多数企业的技术难点

大力发展电子、信息产业为主体的高新技术产业,是我们的既定方针。当今是一个连科技也在追赶潮流的时代,机电产品日新月异,“轻薄短小和多功能化”成为时尚,数码产品、机电一体化产品、信息家电、多媒体设备等技术含量较高的产品层出不穷,更新换代速度日益加快,芯片集成度和产品工作速度不断提高,伴随的电磁骚扰问题日益复杂。

目前,我国整体EMC研究起步较晚,许多企业对EMC认知度不够,缺乏EMC方面的经验和测试设备,在产品设计、生产工艺和元器件的选择上都有不同程度的困惑,产品生产出来后往往EMC不能符合标准要求。EMC问题是当前多数企业的技术难点!从事机电产品制造的广大企业皆有同感,解决EMC问题,比之解决产品的安全问题要困难得多。这就更加加剧了有些企业面对品牌竞争和价格竞争,偏向于降低成本、牺牲EMC 要求的现象。

机电产品3C认证的指标涉及产品的安全、EMC两个方面。从认证检测来看,产品达不到“3C”认证要求的主要原因是EMC方面过不了关。事实上,无论 日常检验还是各种产品认证中,EMC测试通不过的情况比较普遍。随着3C认证顺利开展,部分企业在EMC问题上愁眉不展,帮助企业是我们光荣职责。此稿没有复杂的理论分析和推导,只是扼要地介绍EMC三个规律、EMC问题三要素、电磁骚扰的特性、以及五层次EMC设计法;一方面力求实用,另一方面意图抛砖引玉。

认识和利用EMC领域三个重要规律

作者认为:EMC不是光靠理论就能完全解决的,EMC是一项实践工程。从事EMC行业,如能深刻领会以下三个EMC领域重要规律,实践中坚持运用,必然收到事半功倍的效果。

1) 规律一、EMC费效比关系规律:

EMC问题越早考虑、越早解决,费用越小、效果越好。在新产品研发阶段就进行EMC设计,比等到产品EMC测试不合格才进行改进,费用可以大大节省,效率可以大大提高;反之,效率就会大大降低,费用就会大大增加。 经验告诉我们,在功能设计的同时进行EMC 设计,到样板、样机完成则通过EMC测试,是最省时间和最有经济效益的。相反,产品研发阶段不考虑EMC,投产以后发现EMC不合格才进行改进,非但技术上带来很大难度、而且返工必然带来费用和时间的大大浪费,甚至由于涉及到结构设计、PCB设计的缺陷,无法实施改进措施,导致产品不能上市。

2) 规律二、高频电流环路面积S越大, EMI辐射越严重。

高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时,一般走线电抗大于电阻,连线对高频信号就是电感,串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的,最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线,减小高频电流回路面积,尽量消除任何非正常工作需要的天线,如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要任务之一,就是想方设法减小高频电流环路面积S。

3) 规律三、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。

减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二,就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f,即减小骚扰电磁波的频率f。本文以下内容,就是利用以上三个规律,倡导趁早考虑EMC问题,介绍EMC 设计和EMC问题改进。

改进EMC 问题,如同诊治疾病

如果产品没有通过EMC 测试,我们从测量结果中,只能知道哪些频率点“超标”了,而这些频率的电磁骚扰是从哪里出来的,往往是工程师门最不容易发现、最难解决的问题。产品EMC 问题,说难亦难,说易亦易。就如给病人治病一样,关键是看你这个病是可治愈的还是不治之症,对可治之症能否辨证施治。中医看病,讲究望闻切诊问;现代医学多讲究量血压、BT、CT、化验等,目的都是为了查清病灶、病因,做到因病施治。

同样,改进EMC问题,看成为诊治疾病,就是科学性与趣味性的结合。首先,根据EMI产生的途径和机理,也就是EMC问题产生的要素,针对EUT(被测试样品,下同)的电路原理,先作一些判断,比如IT类设备和AV音视频类设备引起EMC问题的原因或者内部骚扰源是什么,先进行推断,再结合测试项目测试图透过现象看本质,分析超差原因--把骚扰源搞清楚,把骚扰途径摸透彻,以便有的放矢。分析超差原因,可使用高频示波器或频谱分析仪加上 场探头验证分析结果,从频域到时域,再从频域到时域,分析、寻找产生EMC问题的对应电路和器件。

EMC 问题三要素

开关电源及数字设备由于脉冲电流和电压具有很丰富的高频谐波,因此会产生很强的辐射。电磁干扰包括辐射型(高频)EMI、传导型(低频)EMI,即产生EMC问题主要通过两个途径:一个是空间电磁波干扰的形式;另一个是通过传导的形式,换句话说,产生EMC问题的三个要素是:电磁干扰源、耦合 途径、敏感设备。辐射干扰主要通过壳体和连接线以电磁波形式污染空间电磁环境;传导干扰是通过电源线骚扰公共电网或通过其他端子(如:射频端子,输入端子)影响相连接的设备。

传导、辐射、骚扰源-------(途径)------ 敏感受体近场耦合

IT、AV 设备可能的骚扰源

A) FM接收机、TV接收机本机振荡,基波及谐波由高频头、本机振荡电路产生;

B) 开关电源的开关脉冲及高次谐波,同步信号方波及高频谐波,行扫描显像电路产生的行、场信号及高频谐波;

C) 数字电路工作需要的各种时钟信号及高频谐波、以及它们的组合,各种时钟如CPU芯片工作时钟、MPEG解码器工作时钟、视频同步时钟(27MHz,16.9344MHz ,40.5MHz)等;

D) 数字信号方波及高频谐波,晶振产生的高次谐波,非线性电路现象(非线性失真、互调、饱和失真、截止失真)等引起的无用信号、杂散信号;

E) 非正弦波波形,波形毛剌、过冲、振铃,电路设计存在的寄生频率点。

F) 对于敏感受体通过耦合途径接受的外部骚扰包括浪涌、快速脉冲群、静电、电压跌落、电压变化和各种电磁场。

电磁骚扰的特性

① 单位脉冲的频谱最宽;

② 频谱中低频含量取决于脉冲的面积,高频分量取决于脉冲前后沿的陡度;

③ 晶体振荡电平必须满足一定幅度, 数字电路才能按一定的时序工作,使晶振产生的骚扰呈现覆盖带宽、骚扰电平高的特点;

④ 收发天线极化、方向特性相同时,EMI辐射和接受最严重;收发天线面积越大, EMI危害逾大;

⑤ 骚扰途径:辐射,传导,耦合和辐射、传导、耦合的组合。

⑥ 电源线传导骚扰主要由共模电流产生;

⑦ 辐射骚扰主要由差模电流形成的环路产生。EMC设计前面已经提过,EMC的根本问题,解决 EMC问题的根本办法,无论从市场经济的原则出发,还是从其它方面考虑,都是趁早进行EMC设计。从设计立项的一开始,就把EMC要求纳入设计任务书,作为设计的输入之一。

EMC设计

简单地说,就是仔细预测可能发生的各种EMC问题,进行方案和电路的优化选型,寻找一种优化电路、机械结构和PCB的设计解决方案,提高产品的设计质量,确保达到功能和性能指标的情况下,兼顾成本效益,避免EMC问题。为抑制和消除骚扰源,减小高频信号频率、减小高频电流回路面积、减小共阻抗耦合或感应耦合,选用低速、低辐射器件,选用屏蔽机箱、屏蔽电缆和I/O滤波器都是常用的措施。

一般来说,EMC设计可分五个层次。以下为五个层次EMC设计要点:

1) 方案选择、主要部件、集成电路的选型、电路和机械结构设计;对于产品的成功与否,第一层次设计是最基本、最重要的,任何错误都意味着该产品项目彻底失败。这一层主要EMC考虑体现在:

a)方案选择、主要部件、集成电路的选型主要考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力,尽量选用本身发射小的芯片,如翻转时间长、工作速率低的器件,多地线脚的芯片(芯片实质就是集成度较高的电路模块,封装时多装地线脚,可以减小高速差模电流环面积S,相应地减小芯片的发射);避免使用大功率、高损耗器件,它们往往是大的辐射源;

b)保证所选器件不工作在非线性区,以免产生谐波分量成为干扰源。

c)电路和机械结构设计除考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力外,主要考虑电源电路防外部骚扰包括浪涌、快速脉冲群、静电、电压跌落、电压变化等;

d)电路设计或方案应不使数字信号波形产生过冲,应使无用的谐波振荡幅度最小,使无用的高次谐波成分最少,避免引发强烈的电磁骚扰;

e)对集总参数电路,增加阻尼、减小Q值,防止振荡;

2)PCB的EMC设计;

对于产品的成功与否, PCB的EMC设计是重要的一环。PCB设计不合理,会产生无法补救的后果;

PCB良好的EMC设计,有事半功倍的效果。PCB 的EMC设计应遵循以下内容:

a) 尽量减小所有的高速信号及时钟信号线构成的环路面积,连接线要尽可能短,并使信号线紧邻地回路;

b) 使用小型化器件和多层线路板,多层印制板可紧缩布线空间,高频特性好,容易实现EMC;

c) 印制板层数选择考虑关键信号的屏蔽和隔离要求,先确定所需信号层数,然后考虑成本的前提下,增加地平面和电源层是PCB EMC设计最好的措施之一;

d) 印制板分层原理与布置印刷电路、布置排线的原理一样,元件面下面为地平面,关键电源平面与其对应的地平面相邻,相邻层的关键信号不跨区,所有的信号层特别是高速信号、时钟信号与地平面相邻,尽量避免两信号层相邻;

e) 个别电源层、地层不能作为一个连续的平面时,采用多网孔连接形成地格蜂窝网,有效减小电流环路面积,减小公共阻抗R,加大信号与地层分布电容;

f) 线路板布线设计时顺序考虑:电源和地/时钟线/信号线,布线应该短、直、粗、匀,不要直角和突变, 应有“之”字形,用圆角代替尖锐走线,尽可能加宽电源和地的布线,电源和地层的分割,尽量符合微带线和带状线要求;

g) 走线尽可能远离骚扰源,布线考虑铁氧体材料的使用,预留磁珠和贴片滤波器的位置,以备按需加减;

3)电与接地、高速信号线路及内部线缆的EMC设计;PCB的EMC设计中也提到供电与接地、高速信号线路的EMC设计,此外,还应遵循以下内容:

a)芯片间使用低阻抗地连接(地平面),不同芯片供电脚间阻抗尽量小,芯片供电脚(意思是离芯片供电 脚很近的供电线上)与地间接高频旁路电容,供电布线预留磁珠和贴片滤波器的位置,以备按需加减;

b) 布线、I/O排线的核心原则就是减小电流环面积S,布置排线的原理与印制板分层原理一样,关键电源线与其对应的地线相邻,所有的信号层特别是高速信号、时钟信号线与地线相邻,尽量避免两信号线相邻;

c) 为避免接地线长度过长(接近λ/4),可采用多点就近接地,接地线高频阻抗要小;

d) 减小电缆的天线效应及减小偶极子天线效应,跨线、I/O排线采用屏蔽性能好的线缆,内导线采用多股双绞线,使空间场互抵,屏蔽层可作为回线;

e) 机内采用屏蔽线防止感应噪声;

f) 波器的输入输出线应拉开距离,忌并行走线,以免影响滤波效果;

h) I/O接口注意高速电路阻抗匹配,减小、消除反射;

4) 屏蔽设计;屏蔽好的要求有三:完整的电连续体;滤波措施;良好的接地。

对于信息技术IT类设备,当主板及配置选定的情况下, 提高整机的屏蔽效果和各个部分的隔离效果非常重要,尤其个人计算机和液晶显示器。这里只说屏蔽设计:

a) 计算机机壳内骚扰场强较大,机壳塑料部分未涂导 电材料或所涂导电材料不佳,机箱有孔洞、缝隙,不是一个完整电连续体,进出线滤波不好,最终都可导致辐射骚扰超出限值。机箱为了更好屏蔽电磁辐射,既能照顾到机箱的散热需求,又能有效地防止 磁波的衍射,开孔尺寸一般不超过4mm;

b) 根据产品实际进行屏蔽设计,端口、通风孔、孔洞、连接缝隙的屏蔽性都是值得考虑的因素;

c) 液晶显示器为了更好屏蔽电磁辐射可以采用喷涂导电材料的外壳(接缝处要喷涂导电材料);

d) 为了将辐射减到最小,尽量使用通过了CQC(EMC方面)自愿认证的机箱;

e) 为保证机箱的密封性,要使用精密模具冲压成型,设计适当的弹点和卷边;

f) 变压器加静电屏蔽及接地等

5)输入/输出的滤波设计电源线滤波和信号线滤波的重要性并不亚于机箱屏蔽,滤波关键是针对EMC 要求,兼顾达标和经济的原则。在I/O接口部位,一般采用高频滤波效果好、安装简单的滤波连接器。在电缆上缠绕或套用铁氧体磁环也能起到一定的滤波吸波作用。设计或使用信号线滤波器时,滤波器的截止频率须高于电缆上要传输的信号频率。

a) 传导骚扰问题处理的方法主要是低通滤波。在1MHz以上时,传导发射问题通常是由辐射发射的耦合而引起的,须综合运用抑制传导发射和辐射发射的技术措施,如屏蔽、去耦和滤波。

b) 滤波电路的衰减性能与源和负载的阻抗关系很大,失配越大,滤波器衰减电磁骚扰的效果越好。大多数情况下,电源线表现为低阻抗,则滤波器的输入端应为高阻抗。另一方面,设备既可能为高阻抗,也可能为低阻抗。对于线性电源高阻抗,为获得阻抗失配,负载端应设计为低阻抗。对于开关电源和同步电机这样的低阻抗设备,负载端设计为高阻抗。

c) 减共模和差模电容,加减共模和差模线圈,调整电容参数和线圈匝数,共模和差模插入损耗对频率的曲线都可改变。滤波器的泄漏电流是指相线和中线与外壳地之间流过的电流。它主要取决于连接在相线与地和中线与地间的共模电容。共模电容的容量越大,共模阻抗越小,共模骚扰抑制效果越好,但安全标准规定泄漏电流不能过大。

d) 电源滤波器安装位置应靠近电源线入口处,如能 做成与接口一体化更好。对于金属屏蔽机箱,选用独立电源屏蔽滤波器,安装在电源线入口处,并确保滤波器外壳与设备机箱(地)良好电接触,这样的效果是最好的。滤波器接地通常固定在电缆出口处的公共地金属构件上。

给企业的建议

一、了解EMC问题三要素、电磁骚扰的特性、电磁骚扰源和传播途径,掌握五个层次EMC设计法则,坚持利用EMC规律,趁早考虑和解决EMC问题;遇到PCB必须重新设计或结构必须重新设计时,大家只有后悔EMC考虑得迟了。治病不如防病,治病必须对症下手,宜早不宜迟,解决EMC问题是一样的道理。

二、当产品的EMC不符合要求需要整改时,首先要如同治病一样,诊断出电磁骚扰源、耦合途径,然后利用EMC设计要点中提到的方法,对症下手,综合运用屏蔽、滤波吸波、接地等措施实施改进。改进途中,测试再不通过,先检讨问题判断是否正确?对策是否失误?使用器件参数是否需要调整?不要一下子就改变初衷,应不慌不忙。整改时要特别注意,正确诊断出电磁骚扰源、耦合途径后,采用EMC抑制器件时,不但要选择合适,而且所用器件要货真价实,才不会久治不愈。

三、工厂应对关键生产工序进行识别,关键工序操作人员应加以培训,制定相应的工艺作业指导书或标准样件(可以采取拍照给出图片的方式),使生产过程受控。取最简化而且EMC又有一定裕量的样机作为标准件,核对生产、装配工艺,检验时,着重进行EMC关键元器件和材料的检验/验证,以及装配工艺一致性检查。

四、为验证产品持续符合标准要求,工厂应在适当阶段对产品进行确认检验(本身不具备检测条件时,抽样送有能力的机构进行检验),以确保产品持续符合EMC要求,万一变化亦能及时发现。

五、当产品EMC关键件要改变、调整时,应用新的器件替换原器件重新制造几台样机进行测试,确认EMC关键件改变和调整对整机EMC的影响。

小结

了解EMC问题三要素、电磁骚扰的特性、电磁骚扰源和传播途径,掌握五个层次EMC设计法,EMC会变得有规可循的,坚持EMC规律,趁早考虑和解决EMC问题,即可省时省力,事半功倍。在EMC工作方面,比照老中医看病方式,据症施治,有意识带点人性化,能提高解决问题的兴趣。

EMC90%是设计出来的,整改出来的极少、极少。治病不如防病,治病必须对症下手,宜早不宜迟。道理简单,更需重视。

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本文主要参考自《MICROCONTROLLER DESIGN GUIDELINES FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY》,此文虽然写在多年前,不过有很多很现实的参考意义。另外别的IC厂商也有很多的参考文档,如果大家有兴趣可以参考一下。 题外话,写这个话题主要是去剖析模块内部主要的干扰源和敏感器件,通过这些主要的东西的设计来慢慢体会模块的EMC设计,不过难免有些一鳞半爪之嫌,积累 多了可能未来在设计电路的时候在前期就很容易把问题考虑周到和细致。

1、单片机的工作频率

1.1、单片机的设计应根据客户的需求来选择较低的工作频率

首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片机的工作电流可以变得更低,最重要的是VDD到VSS的电流峰值会更小。

当然我们这里需要做一个妥协,因为客户的要求可能是兼容的和平台化的(目前汽车电子的发展趋势就是平台化),选择较高的工作频率可以兼容更多的平台,也方便以后升级和扩展,因此要选择一个较低的可以接受的工作频率。

2、恰当的输出驱动能力

在给定负载规范,上升和下降时间,选择适当的输出的上升时间,最大限度地降低输出和内部驱动器的峰值电流是减小EMI的最重要的设计考虑因素之一。驱动能 力不匹配或不控制输出电压变化率,可能会导致阻抗不匹配,更快的开关边沿,输出信号的上冲和下冲或电源和地弹噪声。

2.1、设计单片机的输出驱动器,首先确定模块需求的负载,上升和下降的时间,输出电流等参数,根据以上的信息驱动能力,控制电压摆率,只有这样才能得到符合模块需求又能满足EMC要求。

驱动器能力比负载实际需要的充电速度高时,会产生的更高的边沿速率,这样会有两个缺点:

1.信号的谐波成分增加了.

2.与负载电容和寄生内部bonding线,IC封装,PCB电感一起,会造成信号的上冲和下冲。

选择合适的的di/dt开关特性,可通过仔细选择驱动能力的大小和控制电压摆率来实现。最好的选择是使用一个与负载无关的恒定的电压摆率输出缓冲器。同样的 预驱动器输出的电压摆率可以减少(即上升和下降时间可以增加),但是相应的传播延迟将增加,我们需要控制总的开关时间)。

2.2、使用单片机的可编程的输出口的驱动能力,满足模块实际负载要求。

可编程的输出口的驱动器的最简单是的并联的一对驱动器,他们的MOS的Rdson不能,能输出的电流能力也不相同。我们在测试和实际使用的时候可以选择不同的模式。实际上目前的单片机一般至少有两种模式可选择,有些甚至可以有三种(强,中等,弱)

2.3、当时序约束有足够的余量的时候,通过降低输出能力来减缓内部时钟驱动的边沿。

减少同步开关的峰值电流,和di/dt,一个重要的考虑因素就是降低内部时钟驱动的能力(其实就是放大倍数,穿通电流与之相关型很大)。降低时钟边沿的电 流,将显著改善EMI。当然这样做的缺点就是,由于时钟和负载的开通时间的变长使得单片机的平均电流可能增加。快速边沿和相对较高的峰值电流,时间更长边 沿较慢的电流脉冲这两者需要做一个妥协。

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2.4、晶振的内部驱动(反向器)最好不要超过实际的需求。

这个问题,实际上前面也谈过了,当增益过大的时候会带来更大的干扰。

3 、设计最小穿通电流的驱动器

3.1、时钟,总线和输出驱动器应尽可能使得传统电流最小

穿通电流【重叠电流,短路电流】,是从单片机在切换过程中,PMOS和NMOS同时导通时候,电源到地线的电流,穿通电流直接影响了EMI和功耗。

这个内容实际上是在单片机内部的,时钟,总线和输出驱动器,消除或减少穿通电流的方法是尽量先关闭一个FET,然后再开通一个FET。当电流较大时,需要额外的预驱动电路或电压摆率。

4、时钟的生成和分配

4.1就单片机内部而言,我们宁可给每个部分分配时钟(尽可能小的高频时钟),当然我们需要额外的管理时钟偏移工作。这样做要比使用一个增益很大的的时钟缓冲器,驱动整个IC的时钟好很多

同步CMOS的设计,在时钟边沿产生很大的峰值电流。时钟树的结构使用(在系统时间允许的条件下),比起主时钟驱动器和时钟分配线路,将减少同步开关电流。【时钟树结构中固有的延迟时间使得开关在不同时间分离开来】

4.2、使用电源管理技术。

把时钟源尽可能靠近需要的IC,如果在一个模块内需要分配时钟的话。在不需要时钟的时候,关闭时钟源。【睡眠模式的时候通常需要做时钟的切换】

4.3、在系统的限制允许的条件下,尽量使用非重叠时钟。

非重叠时钟,是指没有同步边缘的时钟。从系统的角度来说,非重叠的时钟边沿有助于消除竞争冒险和亚稳态。从EMC的角度看,加入时钟边沿之间的过渡时间会降低峰值电流和谐波的峰值幅度。平均电流从时间跨度上来看将保持大致相同,但幅度和频谱形状会发生变化。

如果时钟间的过渡是接近的但不同步(假设边沿速度相对于时钟周期要快得多),电流波形会变平和持续时间会变长。随着过渡时间的增加,对每个边沿来说到电流波形会分离成若干个脉冲。较低的脉冲幅度相应降低了谐波的频谱幅度,电流脉冲边沿很可能依然大致相同(维持脉冲带宽)。理想情况下,两相系统中非重叠的占空比为33%,最大限度地加大时钟边沿之间的时间。然而,实际应用中不可能使用这种方式,必须做一些妥协,实际系统中不容许时钟边沿的有这么大的跨度。

4.4、使时钟电路尽量远离I / O逻辑电路,减少共模辐射问题发生的可能性。

时钟信号需要远离I / O逻辑或平行的引线。时钟暂态边沿可以耦合到I / O逻辑,产生电压的噪声。

4.5、输入引脚同步器移动远离单片机引脚区域,进入单片机的核心模块。

这项方法可以减少所需的时钟驱动器的大小,

移动同步器靠近时钟源可减少时钟信号线路长度。时钟驱动器上的电容负载部分取决于引线的寄生电容的,时钟驱动充电负荷将变小。

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说起开关电源的难点问题,PCB布板问题不算很大难点,但若是要布出一个精良PCB板一定是开关电源的难点之一(PCB设计不好,可能会导致无论怎么调试参数都调试布出来的情况,这么说并非危言耸听)原因是PCB布板时考虑的因素还是很多的,如:电气性能,工艺路线,安规要求,EMC影响等等;考虑的因素之中电气是最基本的,但是EMC又是最难摸透的,很多项目的进展瓶颈就在于EMC问题;下面从二十二个方向给大家分享下PCB布板与EMC。

一、熟透电路方可从容进行PCB设计之EMI电路

“”

上面的电路对EMC的影响可想而知,输入端的滤波器都在这里;防雷击的压敏;防止冲击电流的电阻R102(配合继电器减小损耗);关键的虑差模X电容以及和电感配合滤波的Y电容;还有对安规布板影响的保险丝;这里的每一个器件都至关重要,要细细品味每一个器件的功能与作用。设计电路时就要考虑的EMC严酷等级从容设计,比如设置几级滤波,Y电容数量的个数以及位置。压敏大小数量选择,都与我们对EMC的需求密切相关,欢迎大家一起讨论看似简单其实每个元器件蕴含深刻道理的EMI电路。

二、电路与EMC:(最熟悉的反激主拓扑,看看电路中哪些关键地方蕴含了EMC的机理)

“”

上图的电路中打圈几部分:对EMC影响非常重要(注意绿色部分不是的),比如辐射大家都知道电磁场辐射是空间的,但基本的原理是磁通量的变化,磁通量涉及到磁场有效截面积,也就是电路中对应的环路。电流可以产生磁场,产生的是稳定的磁场,不能向电场转化;但变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场是可以产生电场(其实这就是有名的麦克斯韦方程我用通俗语言来说),变化的电场同理可产生磁场。所以一定要关注那些有开关状态的地方,那就是EMC源头之一,这里就是EMC源头之一(这里说之一当然后续还会讲到其它方面); 比如电路中虚线环路,是开关管开通和关断的环路,不仅设计电路时开关速度可以调节对EMC影响,布板走线环路面积也有着重要的影响!另二个环路是吸收环路和整流环路,先提前了解下,后面再讲!

三、PCB设计与EMC的关联

1.PCB环路对EMC的影响非常重要,比如反激主功率环路,如果太大的话辐射会很差。
2.滤波器走线效果,滤波器是用来滤去干扰的,但若是PCB走线不好的话,滤波器就可能失去应该有的效果。
3.结构部分,散热器设计接地不好会影响,屏蔽版的接地等;
4.敏感部分与干扰源头过近,比如EMI电路与开关管很近,必然会导致EMC很差,需要有清晰的隔离区域。
5.RC吸收回路的走线。
6.Y电容接地与走线,还有Y电容的位置也很关键等等!

等等。先想到这说这些,后续会具体讨论,先起个引子。

下面举一个小例子:

“”

如上图中虚线框,X电容引脚走线做了内缩的处理,大家可以学习下,如何让电容引脚走线外挂(采用挤电流走线)。这样X电容的滤波效果才能够达到最佳状态。

四、PCB设计之准备事项:(准备充分了,方可设计步步稳健,避免设计推翻重来)

大致有以下的一些方面,都是自己设计过程会去考虑,所有的内容跟别的教程无关,都是只是自己的经验总结。

1.外观结构尺寸,包括定位孔,风道流向,输入输出插座,需要与客户系统匹配,还需要与客户沟通装配上的问题,限高等等。

2.安规认证,产品做哪种认证,哪些地方做到基本绝缘爬电距离要留够,哪些地方做到加强绝缘留够距离或开槽。

3.封装设计:有没有特殊期间,如定制件封装准备。

4.工艺路线选定:单面板双面板选择,或是多层板,根据原理图及板子尺寸,成本等综合评估。

5.客户的其他特殊要求。

结构工艺相对会更灵活,安规还是比较固定的部分,做什么认证,过什么安规标准,当然也有一些安规是很多标准中通用的,但也有一些特殊产品比如医疗会比较严苛。

为了新入门工程师朋友们不至于眼花缭乱;

接下来列出些普遍产品通用的,下面是对于IEC60065总结出来的具体布板要求,针对安规需要牢记,碰到具体产品要会针对性处理:

1.输入保险丝焊盘制件的距离安规要求大于3.0MM,实际布板按照3.5MM(简单说保险丝前按照3.5MM爬电距离,之后按照3.0MM爬电距离)

2.整流桥前后安规要求2.0MM,布板按照2.5MM。

3.整流后安规一般不做要求,但是高低压间根据实际电压大小留距离,习惯400V高压留2.0MM以上。

4.初次级间安规要求6.4MM(电气间隙),爬电距离按照7.6MM为最佳。(注意这个跟实际输入电压相关,需要查表具体计算,提供数据仅供参考,以实际场合为准)

5.初次级用冷地,热地标识清晰;L,N标识,输入AC INPUT标识,保险丝警告标识等等都需要清晰标出。

大家对上面有疑问的,也可以讨论,互相学习! 再次重申实际安规距离跟实际输入电压相关以及工作环境有关,需要查表具体计算,提供数据仅供参考,以实际场合为准;

五、PCB设计之安规考虑其它因素

1.明白自己产品做什么认证,属于什么产品种类,比如医疗,通信,电力,TV等各不相同,但也有很多相通的地方。

2.安规中与PCB布板紧密的地方,了解绝缘的特点,哪些地方是基本绝缘,哪些地方是加强绝缘,不同标准绝缘距离是不一样的。最好是会查标准,并且会计算电气距离,爬电距离。

3.产品的安规器件重点注意,比如变压器磁性与原副边关系;

4.散热器与周边距离问题,散热器接的地不一样绝缘情况也不一样,接大地还是冷地,热地绝缘也布一样。

5.保险的距离特别注意,要求最严格地方。保险丝前后距离布一致。

6.Y电容与漏电流,接触电流关系。

后续会详细说明距离该怎么留,如何做好安规要求。

六、PCB设计之电源布局

1.首先衡量PCB尺寸与器件数量,做到疏密有致,要不然一块密,一块稀疏很难看。
2.将电路模块化,以核心器件为中心,关键器件优先放的原则一次放置器件。
3.器件呈垂直或水平防置,一是美观,二是方便插件作业,特殊情况可以考虑倾斜。
4.布局时需要考虑到走线,摆放到最合理位置方便后续走线。
5.布局时尽可能减小环路面积,四大环路后面会详解到。

做到上述几点,当然要灵活运用,比较合理的布局很快就会诞生。

下面是我画的第一块处女PCB板,好多年前的事情,当时非常的艰苦完成的,中间可能有小问题,不过大体布局还是值得学习的:

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此图功率密度还是比较高,其中LLC的控制部分,辅助源部分以及BUCK电路驱动(大功率多路输出)部分在小板上,就没拿出来,看看主功率方面的布局特点吧:

1.输入输出端子是固定死的,不能动,板子是长方形的,主功率流向如何去选择?

这里采用由下至上,由左及右的方式来布局,散热是依靠外壳。

2.EMI电路还是清晰的流向,这点很重要,要不混乱了不美观也对EMC不好。

3.大电容的位置尽量考虑到了PFC环路以及LLC主功率环路;

4.副边的电流比较大,为了走电流,以及整流管散热,采用了这样的布局,整流管在上,BUCK电路MOS管在下,散热分散效果好;大功率的顶层一般走负,底层走正。

每个板子有自己的特点,当然也有自己的难处,如何合理解决是关键,大家从中能理解布局合理选取的含义吗?

七、PCB实例赏析

可以根据之前谈论的PCB布局要点,检视此板,是否做的很到位,我认为是做到比较好的地方了,当然瑕疵总会有,也可以提出来,单面板如此紧凑能做到这样已实属不易了,可以借此板学习讨论!后面还会针对此板讲解学习,大家先欣赏下。

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八、PCB设计之四大环路认识:(PCB布局的基本要求就是四大环路面积小)

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补充一下,吸收环路(RCD吸收以及MOS管的RC吸收,整流管的RC吸收)也很重要,也是产生高频辐射的环路,对上图有任何疑问,都欢迎讨论,不怕任何质疑,只要是针对问题的质疑,一起讨论学习才能更大的进步!

九、PCB设计之热点(浮动电位点)及地线:

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注意事项:

1.针对热点,一定要特别注意(高频开关点),是高频辐射点,布局走线对EMC影响很大。
2.热点构成的环路小,走线短,并且走线不是越粗越好,而是够走电流够用就好。
3.地线要单点接地。主功率地和信号地分开,采样地单独走。
4.散热器的地需要接主功率地。

十、EMC整改心得体会

均为个人理解,或许与传统资料教材有差异,请自己斟酌,反正我觉得很多通用的教材结果没我自己总结的使用,自夸了。想说的很多,可能有些乱,都是实践出来的!

EMC产生以及测试时测得的结果如何去理解:简单来说就是如何对症下药,很多情况拿到第一轮测试结果,怎么将结果和电源去对照分析;主题思路如下:

1、针对传导,测试范围标准15K-30M,常见的EN55022是150K起。传导的源头是怎么产生的呢?针对低频,主要是开关频率以及其倍频(后续有图解),这种从源头是无法解决的,开关频率是无法消除的,当然你可以改变开关频率,那也只是将测试结果移动了,并没有真正意义上消除。只能通过滤波器来解决,一般来说对于低频采用R10K这种高磁通材质有很好的效果,磁环大小跟你功率有关系,一般达到10MH感量,甚至更大到20MH,配合Y电容一般能很好解决,低频不是难点;真正的难点是高频,个人认为,高频的起因就复杂多了,有开关导致,有变压器可能,也有电感的可能,也就就是一切存在开关状态的地方都可能存在(怎么判断具体位置,后续讲解),这里需要一番摸索;找到源头未必源头能解决,可能有改善,还是的配合滤波器。针对高频,采用低磁通材质,如镍锌环,感量一般都是UH级别的,配合合适Y电容(比较复杂的电源,建议布板时多留几个Y电容位置,方便整改);

2、一些配合手段,很多教材都提到增大X电容判断差模还是共模,有一定意义可能现实帮助不大,设计时一般我们X电容都会放到合适的值。并且增大X电容就能解决差模问题,也是瞎扯,所以很多教材都是提供一定意义指导,个人觉得没什么用。我觉得比较好的手段有几个:1.对照接地和不解地总结差异,不接地可能更差,原因是系统构造的传导途径少了;也可能有改善,说明是通过地回路传导到端口。具体解决措施,针对电路接地的点Y电容进行调节以及加磁珠。2.在输入端口套磁环,若套低U环有改善,调节第一级滤波电感。3复杂的系统注意EMI电路的屏蔽措施。若措施都没什么效果,反省PCB设计,这方面在PCB设计中会讲到。

3、针对辐射:必须找出源头去解决,观测第一次测试结果,若是30M附近超出,跟接地相关,系统上找接地,并且要判断测试时是否接地良好,有时候输入线都有影响。2.40M-100M以内,一般是MOS管开通关断引起,有时后为了现场不好直接判断是开通还是关断,可针对性整改观测结果去验证(当然这都得花钱,后续会讲解如何用示波器去判断,这可是密招)。3 100M以上多为二极管引起,整改二极管吸收电容,大功率的有的可能是同步整流,更改MOS管吸收环路,记住有时候调整C时还得配合R整改。

要说的太多,后续针对具体实例去补充吧,先手打这么多,反正我打的够辛苦,能引起共鸣很难,毕竟每个人的整改经历差很多,就当给新人朋友一些启示吧,后续会举例说明!

十一、布板走线之滤波电容走线

滤波电容的走线对滤波效果有至关重要的作用,走的不好,可能失去其应有的滤波效果。

图一是副边整流滤波走法,使二个电容效果分摊,避免第二个电容在整流回路中失效。

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图二:为输出滤波电容走线,一定不要外挂(也就是被旁路掉),走的不好输出纹波很差。

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十二、LLC电路的布板与EMC

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LLC电路大家最熟悉不过了,虚线圆圈是驱动电路,在电路设计时紧靠MOS管放置,也就是说IC提供的驱动只需要引二根线拉到驱动电路,驱动电路离MOS管近,避免被干扰(同时走线时也要注意驱动干扰到敏感信号,既是敏感信号也是干扰源);一旦驱动被干扰电源可想而知。

同理同步整流的MOS管驱动也要离同步整流管近,设计原理图时像此图这样放就能很好理解,假如你将这电路给PCB工程师布板,他就很直观如何布局走线,你若是画得很乱,很多PCB工程师对电路理解得布透彻可能就容易布错板。

另外:原边有一个重要的环路,PFC电容与MOS管以及变压器,谐振电感,谐振电容构成的环路面积小;

副边整流滤波环路同样重要,电容的走线之前讲过,也很重要;

走线时注意高低压的距离,有些地方电压是浮动的,必须当作高压来对待,比如上管驱动以及对应的参考电压。

至于EMC方面LLC的开通是软开关,开通对EMC几乎没有影响,重点关注是关断速度的快慢对EMC影响;还有MOS管结电容并的电容对EMC影响很大,选择电容不合适,或是不加(MOS管自身也有结电容)对EMC都可能有影响,这是重点注意的地方;此图没有Y电容,在MOS管正或者负防置Y电容也能很好滤去开关干扰;

对此电路有什么疑问的,可以提出来讨论,在讨论中彼此成长!

十三、电路设计与布板之PFC

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上图是典型的BOOST PFC电路:

左边绿色方框部分是驱动电路,和之前LLC拓扑驱动一样,离MOS就近放置,原理图上就体现出来。

右边绿色虚线方框部分,是MOS管关断尖峰吸收电路,一样与MOS管构成环路要最小;

另外二大重要环路,一是MOS管开通环路(虚线红色图),另一个是MOS管关断环路(实线红色图);环路面积尽可能小;

十四、磁环在EMC中妙用

有的产品EMC很难在源头上去处理的,可以采用磁环滤波,当然我这里说的磁环有二个层面的意思,一方面是输入输出端的滤波电感,采用不同材质磁环,不同匝数会有对应的效果,还有一方面意思是直接在输入输出线上套磁环,有时能起到妙用,但不是在所有场合都能用,起码还是能作为判断依据;

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上图蓝色和黑色线是输出正负端,上面套了个磁环,解决了输出整流管引起的高频端超出;有些时候端口的干扰在PCB板上加滤波器未必有效果,在输出线上放磁环就有想不到的效果。

十五、PCB走线之关键信号

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注意:

1.CS信号(采样信号):从采样电阻R25,R26拉出,注意IC的地线以采样电阻为基准,采样电阻的正负差分走线拉倒IC CS脚以及IC 的GND脚。

2.驱动信号从驱动电路拉倒IC驱动引脚,注意不要干扰到CS脚;如图走线三根线并排走,并且将地线走在驱动先和CS线中间起到一定屏蔽作用;

3.双面板最好将IC一层铺地屏蔽,铺地的网络一定要从IC GND引出,非关键信号GND可直接打过孔,关键信号地需要单点接地,直接接IC;

4.FB反馈网络信号注意查分走线并且单点接IC;

5.RCD吸收网络不要放在主回路;

6.VCC的整流滤波地需要接主功率地,二级滤波可接IC 地;

7.Y电容走线单独接,不可与主功率混淆,避免干扰;

十六、主功率及控制部分地接线示意图

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可能很多人看到此图,云里雾里的,大致介绍下:

1.PFC的驱动和IC共地接PFC管,更具体点是接采样电阻的地;
2.DC-DC部分的驱动地和控制地接DC开关管部分的采样地;
3.辅助源部分控制地接辅助源MOS管采样第,MOS管地再接主功率地;
4.各自IC的供电地通过辅助源EC滤波接IC地,注意RC滤波靠近IC;

总结:注意好各自的单点接地,地线不乱,是走线最重要的地方之一!!!

十七、电磁场屏蔽机理分析

图一:磁场屏蔽原理

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如图对照:输入和输出的电场干扰可以通过电容传输耦合,若增加屏蔽板,则增加了C4的大小,并且C1也会减小,对电场干扰起到衰减的目的;

图二:磁场屏蔽原理

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如图:磁场屏蔽的特点和磁场不一样,需要外壳屏蔽,电场只需要平面屏蔽板,故散热器屏蔽带来的是电场屏蔽,有的采用外壳封闭式电源则起到了一定磁场屏蔽;

磁场屏蔽原理,磁场通过屏蔽罩会改变磁路,导致磁力线向周围扩散,中间磁场干扰达到屏蔽目的;

十八、开关器件与EMC

对器件的认识对EMC也有着重要的意义,比如MOS管,主开关MOS是很重要的EMC源头之一,还有整流管的开通以及关断也会产生高频辐射(原理是电流产生磁场,变化的电流产生电场);当然这里主要是介绍半导体开关器件,其他的电感变压器就不做说明了;

开关器件哪些参数对EMC有重要影响,我们常说快管,慢管是以什么作为参照的呢?我们都知道快管开通损耗小,为了做高效率都喜欢用,但是为了EMC顺利通过,不得不舍弃效率,降低开关速度来减弱开关辐射;

对于MOS管,开通速度是由驱动电阻与输入结电容决定的;关断速度是由输出结电容与管子内阻决定;

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参照以上两图,是不同型号的MOS管,对比下输入结电容和输出结电容,2400PF与800PF;780PF与2200PF;一看就知道第一个规格是快管,第二个是慢管,这时候决定开关速度还要与驱动电阻匹配;常规情况驱动电阻在10R-150R比较多,选取驱动电阻与结电容有关,针对快板驱动电阻可适当增大,慢管驱动电阻可适当减小;

对于二极管,有肖特基二极管,快回复二极管,普通二极管,还有一种用的比较少的SIC二极管,开关速度SIC二极管几乎为零,等于是没有反向恢复,开关辐射最小,并且损耗也最小,唯一的缺点就是价格昂贵,故很少用;其次就是肖特基二极管,正向压降低,反向恢复时间短,依次是快回复和普通二极管;需要在损耗和EMC之间折中;一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC;

十九、EMC之滤波器

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滤波器的架构选择对滤波器的影响很重要,在不同场合,滤波器是根据阻抗匹配来达到滤波效果,大家可根据此图的原则参考选取如何滤波;比如最常用的输出整流桥后采用π型滤波以及输出端采用LC滤波器;

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滤波器的材质对设计滤波电感也是至关重要,采用不同初始磁导率的材质会在不同频率段起作用,选错材质就完全失去应有的效果;

二十、EMC之反激高频等效模型分析

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先从最简单的模型理解EMC:

EMC的路径,当然空间辐射是跟环路有关,环路也是路径构造成的;分析出反激高频等效模型,帮助理解EMC形成的机理;我们的测试接收设备会从L,N端接收传导,为了减小接收的干扰,就必须让干扰通过地回路流通而不从L,N端口流向接收设备;这时候我们的EMI电感以及Y电容通过阻抗匹配就可以实现;另外原边的干扰可以通过原副边Y电容,变压器杂散电容以及大地耦合到副边,形成更多的回路;当然一些结电容参数,如MOS管结电容,散热器结电容也能构成流通路径;

二十一、辐射的形式以及频率分布

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这个图可能有些抽象,不过正好EMC是很难做到具体,需要给到我们一些启示,可知:差模辐射是以环路的形式存在,而共模辐射是以天线的形式发射;因此正好印证前面说我们布板的时候开关环路的布局以及走线的时候不要走锐角,常规走45度,最好是圆弧走线,当然走线效率会比较低;

这些原理基础知识理解得好,对实际处理EMC工作以及布板很有用那个,如果没这种意识,可能毫无用处,因为提供不了直接方法,需要与其他知识想结合;

而且这里提的很多原理东西,在很多EMC资料中是看不到的,而且也没这么集中,需要反复体会!

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如图:一些频率端与开关电源产生部位的关系,这只是一般规律,不要完全相信;既是规律又不能尽信是为什么?规律并不是在所有情况下成立,不同电源的差异也很大,所以原理是帮你分析,而不是按照方法去硬套;

二十二、EMC实例

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根据传导实例,频率的分布点关键是具体的数据与基频之间的关系,这个测试完后,需要揣测这些数值的规律,可能能发现什么蛛丝马迹;当然对于这些频率如何通过滤波器去解决的手段前面也说过了;

这里是给大家补充一些似乎很神秘的EMC它是怎么来的,感觉不再神秘,而不只是稀里糊涂的采用滤波器解决了问题!

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作者:Tony Armstrong

背景知识

ADAS是高级驾驶员辅助系统的英文缩写,它在当今许多新型汽车和卡车中很常见。此类系统通常有助于安全驾驶;当检测到周围物体(例如不遵守交通规则的行人、骑车人,甚至有其他车辆位于不安全的行驶轨迹上)构成风险时,系统可以向驾驶员提供警报!此外,这些系统通常提供自适应巡航控制、盲点检测、车道偏离警告、驾驶员困倦监控、自动制动、牵引控制和夜视等动态特性。因此,消费者对安全性日益增强的重视、对驾驶舒适性的要求以及政府安全法规的不断增加,是未来十年后半时期汽车ADAS的主要增长动力。

这种增长对行业来说并不是没有挑战,包括价格压力、通货膨胀、复杂性和系统测试的困难性。此外,欧洲汽车行业是最具创新性的汽车市场之一,这点不足为奇,ADAS的市场渗透率和客户接受度均有重大突破。不过,美国和日本汽车制造商也不甘落后。最终目标是实现无需人类在方向盘后面干预的自动驾驶!

系统难题

一般来说,ADAS集成了一些微处理器来收集车内众多传感器提供的所有输入,然后进行处理,以便可以将其方便易懂地呈现给驾驶员。此外,这些系统通常由车辆主电池直接供电,其标称电压为9 V至18 V,但由于系统内部的电压瞬变,电压可能高达42 V,而在冷启动期间,电压可能低至3.4 V。因此,这些系统中的任何DC-DC转换器都必须至少能够处理3.4 V至42 V的宽输入电压范围。另外,许多双电池系统(例如卡车中常见的双电池系统)需要更宽的输入范围,上限推高至65 V。因此,一些ADAS制造商将其系统设计为覆盖3.4 V至65 V的输入范围,使其可用于汽车或卡车中,同时在制造过程中获得规模经济的好处。

大部分ADAS使用5 V和3.3 V电源轨为其各种模拟和数字IC器件供电。相应地,此类系统的制造商更喜欢使用单个转换器来同时解决单电瓶和双电瓶配置。此外,该系统通常安装在车辆中空间和散热均受限制的部分中,这会给用于散热目的的散热器带来限制。虽然采用高压DC-DC转换器直接从电池产生5 V和3.3 V电源轨是司空见惯的,但在如今的ADAS中,开关稳压器也必须达到2 MHz或更高的开关频率,而非以前的500 kHz以下开关频率。这一变化背后的关键驱动力是需要更小尺寸的解决方案,同时也要保持在AM频段之上,以避开任何潜在的干扰。

另外,好像设计人员的任务还不够复杂一样,他们还必须确保ADAS符合车内各种抗噪标准。在汽车环境中,开关稳压器正在取代那些重视低发热和高效率的区域中的线性稳压器。而且,开关稳压器通常是输入电源总线上的第一个有源部件,因此对整个转换器电路的EMI性能有着重要影响。

EMI发射有两类:传导和辐射。传导发射位于连接到产品的电线和走线上。由于该噪声局限于设计中的特定端子或连接器,因此在开发过程中借助良好的布局或滤波器设计,通常可以相对容易地保证符合传导辐射要求。

不过,辐射发射完全是另一回事。电路板上任何承载电流的东西都会辐射电磁场。电路板上的每一条走线都是一根天线,每个铜层都是一个谐振器。除了纯正弦波或直流电压以外,任何其他东西都会在整个信号频谱上产生噪声。即使精心设计,在系统进行测试之前,电源设计人员也并不真正知道辐射发射会有多糟糕——而辐射发射测试只有在设计基本完成之后才能正式进行。

常常使用滤波器来衰减特定频率或一定频率范围的信号强度,从而降低EMI。通过空间传播(辐射)的这部分能量可通过添加金属和磁屏蔽来衰减。位于PCB走线(传导)的能量部分可通过添加铁氧体磁珠和其他滤波器来抑制。EMI无法消除,但可以衰减到其他通信和数字器件能够接受的水平。此外,多家监管机构通过实施相关标准来确保产品合规。

现代输入滤波器采用表面安装技术拥有比通孔器件更好的性能。但是,这种改善跟不上开关稳压器工作频率增加的步伐。更高的效率、较短的开/关时间和更快的开关跃迁,导致谐波含量更高。所有其他参数(如开关容量和转换时间)保持不变时,开关频率每增加一倍,EMI就会恶化6 dB。如果开关频率增加10倍,宽带EMI就会像辐射增加20 dB的一阶高通滤波器一样。

有经验的PCB设计人员会将热环路变小,并让屏蔽接地层尽可能靠近有源层。尽管如此,器件引脚排列、封装结构、散热设计要求以及在去耦元件中储存充足能量所需的封装尺寸,都要求某一最小尺寸的热环路。更复杂的是,在典型平面印刷电路板中,走线之间高于30 MHz的磁性或变压器式耦合会削弱所有滤波器的作用,因为谐波频率越高,不良磁耦合就越显著。

低EMI辐射的高电压DC-DC转换器

鉴于上文所述的应用限制,ADI公司Power by Linear™部门开发出LT8645S——一款支持高输入电压、单芯片、低EMI辐射的同步降压转换器。其输入电压范围为3.4 V至65 V,因而既适合汽车应用,也适合卡车应用,包括ADAS,后者必须胜任冷启动和启停场景下的调节,最低输入电压低至3.4 V,电源切断瞬变超过60 V。如图1所示,该器件采用单通道设计,提供5 V、8 A输出。开关频率为2 MHz时,其同步整流拓扑可实现高达94%的效率,而在空载待机条件下,突发工作模式(Burst Mode®)保持静态电流低于2.5 μA,因此非常适合始终开启的系统使用。

“图1.
图1. 提供5 V、8 A、2 MHz输出的LT8645S原理图

LT8645S的开关频率可以在200 kHz到2.2 MHz范围内进行编程,并且在整个频率范围内都支持同步。其独特的Silent Switcher® 2架构集成了内部输入电容以及内部BST和INTVCC电容,以缩小解决方案尺寸。结合严格受控的开关边沿和集成接地层的内部结构,并用铜柱代替键合线,LT8645S的设计大大降低了EMI辐射。此外,其Silent Switcher 2设计还能在任何印刷电路板(PCB,包括2层PCB)上提供鲁棒的EMI性能。而且,与其他类似转换器相比,它对PCB布局的敏感度要低得多。这是因为,LT8645S的内部双路输入、BST和INTVCC电容将热环路面积减至最小,使性能达到新的水平。它仍然需要两个外部输入电容,但不再严格要求把这些电容放在尽可能靠近输入引脚的位置。结合内部电容(其使热环路面积最小),BT衬底的集成接地层使EMI性能显著提高(见图2)。多层BT衬底还使I/O引脚能够使用与QFN封装完全相同的图案,同时支持实现大型接地焊盘。这种层压式QFN (LQFN)封装比标准QFN更柔韧且更灵活,其焊点可靠性在板级温度循环期间表现出好得多的性能,使得客户在以前只能使用含铅器件的情况下可以使用LQFN。

在整个负载范围内,LT8645S可以轻松符合汽车CISPR25、Class 5峰值EMI限制。还可以使用扩频频率调制进一步降低EMI水平(图2)。LT8645S内置高效率顶部和底部功率开关,并将必要的升压二极管、振荡器以及控制和逻辑电路集成到单个芯片中。低纹波突发工作模式可在低输出电流下保持高效率,同时使输出纹波低于10 mV p-p。最后,LT8645S采用小尺寸散热增强型4 mm×6 mm、32引脚LQFN封装。

“图2.
图2. LT8640S辐射EMI性能图

结论

ADAS在汽车和卡车市场中的推广不会很快结束。同样清楚的是,找到合适的功率转换器件以满足所有必要的性能指标,从而不干扰ADAS,不是一项简单的任务。幸运的是,此类汽车系统的设计人员现在可以获得ADI公司Silent Switcher 2 DC-DC转换器提供的强大性能和能力。这些器件不仅大大简化了电源设计人员的工作,同时还提供其所需要的全部性能,而不要求复杂的布局或设计技术。

作者

Tony Armstrong是电源产品营销总监,于2000年5月加入公司。他负责电源转换和管理产品方面从概念到停产的所有事情。加入ADI公司之前,Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.欧洲公司担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他于1981年毕业于英格兰曼彻斯特大学,获得应用数学(荣誉)学士学位。

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一.原理图
1. RS485接口6KV防雷电路设计方案

图1  RS485接口防雷电路
图1 RS485接口防雷电路

接口电路设计概述:

RS485用于设备与计算机或其它设备之间通讯,在产品应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起,存在EMC隐患。

本方案从EMC原理上,进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计,从设计层次解决EMC问题。
电路EMC设计说明:

(1) 电路滤波设计要点:

L1为共模电感,共模电感能够对衰减共模干扰,对单板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制,能提高产品的抗干扰能力,同时也能减小通过429信号线对外的辐射,共模电感阻抗选择范围为120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz,典型值选取1000Ω/100MHz;

C1、C2为滤波电容,给干扰提供低阻抗的回流路径,能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波;电容容值选取范围为22PF~1000pF,典型值选取100pF;若信号线对金属外壳有绝缘耐压要求,那么差分线对地的两个滤波电容需要考虑耐压;

当电路上有多个节点时要考虑降低或去掉滤波电容的值。C3为接口地和数字地之间的跨接电容,典型取值为1000pF, C3容值可根据测试情况进行调整;

(2) 电路防雷设计要点:

为了达到IEC61000-4-5或GB17626.5标准,共模6KV,差摸2KV的防雷测试要求,D4为三端气体放电管组成第一级防护电路,用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰,防止干扰通过信号线影响下一级电路;

气体放电管标称电压VBRW要求大于13V,峰值电流IPP要求大于等于143A;

峰值功率WPP要求大于等于1859W;

PTC1、PTC2为热敏电阻组成第二级防护电路,典型取值为10Ω/2W;

为保证气体放电管能顺利的导通,泄放大能量必须增加此电阻进行分压,确保大部分能量通过气体放电管走掉;

D1~D3为TSS管(半导体放电管)组成第三级防护电路,TSS管标称电压VBRW要求大于8V,峰值电流IPP要求大于等于143A;峰值功率WPP要求大于等于1144W;

接口电路设计备注:

如果设备为金属外壳,同时单板可以独立的划分出接口地,那么金属外壳与接口地直接电气连接,且单板地与接口地通过1000pF电容相连;

如果设备为非金属外壳,那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。

二. PCB设计

1. RS485接口电路布局

图1  RS485接口滤波及防护电路布局
图1 RS485接口滤波及防护电路布局

方案特点:

(1)防护器件及滤波器件要靠近接口位置处摆放且要求摆放紧凑整齐,按照先防护后滤波的规则,走线时要尽量避免走线曲折的情况;

(2) 共模电感与跨接电容要置于隔离带中。

方案分析:

(1)接口及接口滤波防护电路周边不能走线且不能放置高速或敏感的器件;
(2) 隔离带下面投影层要做掏空处理,禁止走线。

2. RS485接口电路分地设计

方案特点:

(1)为了抑制内部单板噪声通过RS485接口向外传导辐射,也为了增强单板对外部干扰的抗扰能力,在RS485接口处增加滤波器件进行抑制,以滤波器件位置大小为界,划分出接口地;

(2)隔离带中可以选择性的增加电容作为两者地之间的连接,电容C4、C5取值建议为1000pF,信号线上串联共模电感CM与电容滤波,并与接口地并联GDT和TVS管进行防护;且所有防护器件都靠近接口放置,共模电感CM置于隔离带内,具体布局如图示。

方案分析:

(1)当接口与单板存在相容性较差或不相容的电路时,需要在接口与单板之间进行“分地”处理,即根据不同的端口电压、电平信号和传输速率来分别设置地线。“分地”,可以防止不相容电路的回流信号的叠加,防止公共地线阻抗耦合;
(2)“分地”现象会导致回流信号跨越隔离带时阻抗变大,从而引起极大的EMC风险,因此在隔离带间通过电容来给信号提供回流路径。

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单片机实现EMC设计需注意的以下的情况:

1、单片机的工作频率

1.1单片机的设计应根据客户的需求来选择较低的工作频率

首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片机的工作电流可以变得更低,最重要的是VDD到VSS的电流峰值会更小。

当然我们这里需要做一个妥协,因为客户的要求可能是兼容的和平台化的(目前汽车电子的发展趋势就是平台化),选择较高的工作频率可以兼容更多的平台,也方便以后升级和扩展,因此要选择一个较低的可以接受的工作频率。

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2、恰当的输出驱动能力

在给定负载规范,上升和下降时间,选择适当的输出的上升时间,最大限度地降低输出和内部驱动器的峰值电流是减小EMI的最重要的设计考虑因素之一。

驱动能力不匹配或不控制输出电压变化率,可能会导致阻抗不匹配,更快的开关边沿,输出信号的上冲和下冲或电源和地弹噪声。

2.1设计单片机的输出驱动器

首先确定模块需求的负载,上升和下降的时间,输出电流待续哦啊,根据以上的信息驱动能力,控制电压摆率,只有这样才能得到符合模块需求又能满足EMC要求。

驱动器能力比负载实际需要的充电速度高时,会产生的更高的边沿速率,这样会有两个缺点:

1.信号的谐波成分增加了。

2.与负载电容和寄生内部bonding线,IC封装,PCB电感一起,会造成信号的上冲和下冲。

选择合适的的di/dt开关特性,可通过仔细选择驱动能力的大小和控制电压摆率来实现。最好的选择是使用一个与负载无关的恒定的电压摆率输出缓冲器。同样的预驱动器输出的电压摆率可以减少(即上升和下降时间可以增加),但是相应的传播延迟将增加,我们需要控制总的开关时间)。

2.2使用单片机的可编程的输出口的驱动能力,满足模块实际负载要求。

可编程的输出口的驱动器的最简单是的并联的一对驱动器,他们的MOS的Rdson不能,能输出的电流能力也不相同。我们在测试和实际使用的时候可以选择不同的模式。实际上目前的单片机一般至少有两种模式可选择,有些甚至可以有三种(强,中等,弱)。

2.3当时序约束有足够的余量的时候,通过降低输出能力来减缓内部时钟驱动的边沿。

减少同步开关的峰值电流,和di/dt,一个重要的考虑因素就是降低内部时钟驱动的能力(其实就是放大倍数,穿通电流与之相关型很大)。降低时钟边沿的电流,将显著改善EMI。当然这样做的缺点就是,由于时钟和负载的开通时间的变长使得单片机的平均电流可能增加。快速边沿和相对较高的峰值电流,时间更长边沿较慢的电流脉冲这两者需要做一个妥协。

2.4晶振的内部驱动(反向器)最好不要超过实际的需求。

这个问题,实际上前面也谈过了,当增益过大的时候会带来更大的干扰。

3、设计最小穿通电流的驱动器

3.1 时钟,总线和输出驱动器应尽可能使得传统电流最小

穿通电流【重叠电流,短路电流】,是从单片机在切换过程中,PMOS和NMOS同时导通时候,电源到地线的电流,穿通电流直接影响了EMI和功耗。

这个内容实际上是在单片机内部的,时钟,总线和输出驱动器,消除或减少穿通电流的方法是尽量先关闭一个FET,然后再开通一个FET。当电流较大时,需要额外的预驱动电路或电压摆率。

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围观 17

背景信息

到 2020 年,ADAS 市场预计将达到 600 亿美元 [数据来源:Allied Market Research]。这意味着,在 2014 年到 2020 年这个时间段内,年复合增长率为 22.8%。显然,这对半导体产品而言,意味着巨大的机会!

ADAS 是 “高级驾驶员辅助系统 (Advanced Driver AssistanceSystems)” 的英文首字母缩略语,在今天的很多新型汽车中都能经常见到。这类系统常常方便了安全驾驶,如果系统检测到来自周围物体的风险,例如不守规矩的行人、骑行者甚至处于不安全行驶方向的其他车辆,就会向驾驶员发出警报。此外,这类系统通常还会提供动态功能,例如自适应巡航控制、盲点检测、车道偏离警告、驾驶员犯困监视、自动刹车、牵引力控制和夜视。因此,在当前这 10 年的后半段,消费者对安全的日益关注、对驾驶舒适度的需求以及不断增加的政府安全法规,成了汽车 ADAS 增长的主要驱动力。

这种增长的到来必然伴随着对这个行业的挑战,其中包括价格压力、通货膨胀、测试这类系统的复杂性和困难。此外,欧洲是最具创新性的汽车市场之一,这一点应该不足为奇,因此,欧洲已经看到,ADAS 正大举进入市场,欧洲汽车行业的客户在大量采用 ADAS。不过,美国和日本汽车制造商也没有很落后。汽车行业的最终目标是,提供无人坐在方向盘后面的自动驾驶汽车!

系统带来的挑战

一般而言,ADAS 系统中包括某种处理器,以收集来自汽车中无数传感器的输入数据,然后处理这些数据,以便能够以容易理解的方式方便地提供给驾驶员。此外,这类系统通常直接由汽车的主电池供电,其标称电压为 9V 至 18V,不过由于系统中的电压瞬态而可能高达 42V,以及在冷车发动情况下可能低至 3.5V。因此,很显然的是,这类系统中的任何 DC/DC 转换器最低限度都必须能够应对 3.5V 至 42V 的宽输入电压范围。

很多 ADAS 系统都是用 5V 和 3.3V 轨给各种模拟和数字 IC 产品供电,然而,通常使用的处理器 I/O 及内核电压的运行要求却处于低于 2V 的范围,而且有可能低至 0.8V。此外,这类系统常常安装在汽车中某一空间和散热都受限的地方,因此限制了可用于冷却用途的散热器的使用。尽管人们普遍使用高压 DC/DC 转换器直接从电池产生 5V 和 3.3V 电源轨,但是在今天的 ADAS 系统中,开关稳压器还必须以 2MHz 或更高的频率切换,而不是过去低于 500kHz 的开关频率。这种变换背后的关键驱动力是,需要占板面积更小的解决方案,同时保持高于 AM 频段,以避免任何潜在的干扰。

最后,似乎设计师的任务还不够复杂,他们还必须确保 ADAS 系统符合汽车中的各种抗噪声标准要求。在汽车环境中,对有些区域,低热耗散和高效率是很重要的,在这些区域,开关稳压器正在取代线性稳压器。此外,开关稳压器一般是输入电源总线上的第一个有源组件,因此对整个转换器电路的 EMI 性能有很大的影响。

有两种类型的 EMI 辐射:传导型和辐射型。传导型辐射依赖连接产品的导线和走线。既然这种噪声局限于设计中的特定端子或连接器处,那么如之前已经提到的那样,通过良好的布局或滤波器设计,常常在开发过程相对较早的阶段,就能够确保符合传导型辐射要求。

然而,辐射型辐射就完全是另外一回事了。电路板上携带电流的所有东西都辐射一个电磁场。电路板上的每一条走线都是一个天线,每一个铜平面都是一个谐振器。除了纯粹的正弦波或 DC 电压,任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使经过了仔细设计,在系统经过测试之前,电源设计师仍然从来无法确知辐射型辐射将会多严重。而且,在设计从根本上完成之前,无法正式进行辐射型辐射测试。

滤波器常常用来衰减某一频率或某一频率范围的噪声强度以降低 EMI。通过增加金属屏蔽和磁性屏蔽,可以衰减通过空间 (辐射型) 传播的那部分能量。通过增加铁氧体珠和其他滤波器,可以控制依赖 PCB 走线 (传导型) 的那部分能量。EMI 无法完全消除,但是可以衰减到一个其他通信和数字组件可以接受的水平。此外,几个监管机构也要求执行一些标准,以确保符合 EMI 要求。

与通孔式组件相比,采用表面贴装技术的新式输入滤波器组件的性能更高。然而,这种改进的速度慢于开关稳压器开关工作频率提高的速度。开关转换速度提高,会使效率提高、最短接通和断开时间缩短,但是谐波分量增大了。开关频率每增大一倍,在开关容量和转换时间等所有其他参数保持恒定时,EMI 恶化 6dB。宽带 EMI 的表现就像一个一阶高通滤波器,如果开关频率提高 10 倍,辐射就增大 20dB。

熟练的 PCB 设计师将设计很小的热环路,并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而,在去耦组件中存储充足能量所需的器件引脚布局、封装结构、热设计要求和封装尺寸决定了热环路的最小尺寸。使问题更加复杂的是,在典型的平面印刷电路板中,走线之间高于 30MHz 的磁性或变压器型耦合将全面减弱滤波器的作用,因为谐波频率越高,不想要的磁耦合就变得越有效。

具低 EMI / EMC 辐射的双 DC / DC 转换器

由于上述的应用限制,凌力尔特公司 (最近已被 ADI 收购) 开发了 LT8650S,这是一款能接受高输入电压的双输出单片同步降压型转换器,具很低的 EMI/EMC 辐射。其 3V 至 42V 输入电压范围使该器件非常适合包括 ADAS 在内的汽车应用,汽车应用必须稳定通过最低输入电压低至 3V 的冷车发动和停-启情况、以及超过 40V 的负载突降瞬态。正如在图 1 中能看到的那样,这是一款双通道设计,由两个高压 4A 通道组成,提供低至 0.8V 的电压,从而使该器件能够驱动目前可用和电压最低的微处理器内核。其同步整流拓扑在 2MHz 开关频率时提供高达 94.4% 的效率,而突发模式 Burst Mode®) 运行在无负载备用条件下保持静态电流低于 6.2µA (两个通道都接通),从而使该器件非常适合始终保持接通系统。

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图 1:LT8650S 原理图 ─ 在 2MHz 时提供 5V/5A 和 3.3V/4A 输出

LT8650S 的开关频率可以设定在 300kHz 至 3MHz 范围内,并可同步至这一范围。其 40ns 最短接通时间允许在高压通道以 2MHz 开关频率进行 16VIN 至 2.0VOUT 降压转换。其独特的 Silent Switcher® 2 架构使用两个内部输入电容器以及内部 BST 和 INTVCC 电容器,以最大限度减小热环路面积。LT8650S 的设计兼具控制良好的开关边沿和一种具整体接地平面的内部结构,并用铜柱代替了接合线,因此显著降低了 EMI / EMC 辐射。参见图 2以了解辐射输出特性。这种改进的 EMI / EMC 性能对电路板布局不敏感,从而简化了设计并降低了风险,甚至在使用两层 PC 板时也不例外。LT8650S 在整个负载范围内以 2MHz 开关频率切换时,能够非常容易地满足汽车 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。扩展频谱频率调制也可用来进一步降低 EMI 水平。

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图 2:LT8650S 的辐射 EMI 图

LT8650S 使用内部顶部和底部高效率电源开关,单个芯片内集成了必要的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路。低纹波突发模式运行在低输出电流时保持高效率,同时保持输出纹波低于 10mVp-p。最后,LT8650S 采用小型耐热性能增强型 4mm x 6mm 32 引脚 LGA 封装。

结论

可以毫无疑问地说,ADAS 系统在汽车市场的渗透将不会很快结束。此外,很显然的是,找到一种满足所有必要的性能标准以不对 ADAS 系统造成干扰的电源转换器件,不是一项简单的任务。幸运的是,对这类系统的设计师而言,凌力尔特公司 (现隶属 ADI 公司) 的电源产品部提供了 “同类最佳” 的电源转换器,这些转换器极大地简化了这些设计师的任务,同时无需复杂的布局或设计方法,就可为设计师们提供需要的所有性能。

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围观 4

发现这些细节,拯救电路很多人都一样,我们很多工程师在完成一个项目后,发现整个项目大部分的时间都花在“调试检测电路整改电路”这个阶段,也正是这个阶段,很多项目没有办法进行下去,停滞在那边。想要快速完成项目,摆脱实验调试时的烦闷,苦恼不知道问题出在哪里,那就快点了解下面这些电路设计中的细节!

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(1)为了获得具有良好稳定性的反馈电路,通常要求在反馈环外面使用一个小电阻或扼流圈给容性负载提供一个缓冲。

(2)积分反馈电路通常需要一个小电阻(约560欧)与每个大于10pF的积分电容串联。

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(3)在反馈环外不要使用主动电路进行滤波或控制EMC的RF带宽,而只能使用被动元件(最好为RC电路)。仅仅在运放的开环增益比闭环增益大的频率下,积分反馈方法才有效。在更高的频率下,积分电路不能控制频率响应。

(4)为了获得一个稳定的线性电路,所有连接必须使用被动滤波器或其他抑制方法(如光电隔离)进行保护。

(5)使用EMC滤波器,并且与IC相关的滤波器都应该和本地的0V参考平面连接。

(6)在外部电缆的连接处应该放置输入输出滤波器,任何在没有屏蔽系统内部的导线连接处都需要滤波,因为存在天线效应。另外,在具有数字信号处理或开关模式的变换器的屏蔽系统内部的导线连接处也需要滤波。

(7)在模拟IC的电源和地参考引脚需要高质量的RF去耦,这一点与数字IC一样。但是模拟IC通常需要低频的电源去耦,因为模拟元件的电源噪声抑制比(PSRR)在高于1KHz后增加很少。在每个运放、比较器和数据转换器的模拟电源走线上都应该使用RC或LC滤波。电源滤波器的拐角频率应该对器件的PSRR拐角频率和斜率进行补偿,从而在整个工作频率范围内获得所期望的PSRR。

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(8)对于高速模拟信号,根据其连接长度和通信的最高频率,传输线技术是必需的。即使是低频信号,使用传输线技术也可以改善其抗干扰性,但是没有正确匹配的传输线将会产生天线效应。

(9)避免使用高阻抗的输入或输出,它们对于电场是非常敏感的。

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(10)由于大部分的辐射是由共模电压和电流产生的,并且因为大部分环境的电磁干扰都是共模问题产生的,因此在模拟电路中使用平衡的发送和接收(差分模式)技术将具有很好的 EMC效果,而且可以减少串扰。平衡电路(差分电路)驱动不会使用0V参考系统作为返回电流回路,因此可以避免大的电流环路,从而减少RF辐射。

(11)比较器必须具有滞后(正反馈),以防止因为噪声和干扰而产生的错误的输出变换,也可以防止在断路点产生振荡。不要使用比需要速度更快的比较器(将dV/dt保持在满足要求的范围内,尽可能低)。

(12)有些模拟IC本身对射频场特别敏感,因此常常需要使用一个安装在PCB上,并且与 PCB的地平面相连接的小金属屏蔽盒,对这样的模拟元件进行屏蔽。

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围观 9

几乎每次的培训和交流都会有人问到“老师,有没有一种通用的接地方法可以参考啊?”答案是肯定的:“没有”。那咋办呢,我们总不能像中国的厨师一样,教徒弟炒菜时,用到的配料都是“少许”“颜色微黄”“微焦”等感觉性词语吧,当然不是。为了更好的明了接地的技巧方法,下文中将不再讲究任何的文字技巧,而是一针见血的道出接地问题的本质来。

接地方式←接地目的←接地的功能,所以采取哪种接地方式,要看地是哪类地,这类地的作用目的是什么,这两个问题解决了,接地方式则可水到渠成。

接地的目的决定了接地方式。同样的电路,不同的目的,可能都要采取不同的接地方式。这个观点一定记住。比如同样的电路,用在便携设备上,静电累积泄放不掉,接地的目的是地电位均衡;用在不可移动的设备上,一般会有安全接地措施,对静电泄放的接地目的是导通阻抗足够低,尤其是对于尖峰脉冲的高频导通阻抗。

以下讲解地的注意事项分成几个独立的观点分别介绍,每一条的内容虽然简单,建议一定反复读上N遍,象面对一杯好茶,让心跳在60bpm以下的状态,细细的品,感觉其中的美感和内涵。然后才可能从简单的词语中悟出深刻的道理来。

1、从性能分,接地分成四类

安全接地、工作接地(数字地、模拟地、功率器件地)、防浪涌接地(雷击浪涌、上电浪涌)、防静电接地。
前文书中讲过,“接地的目的决定了接地方式”,目的即指其实现的功能。基本上所有的接地都可以归结到这四类里面来。每个接地前都要先明确该接地属于哪一种。

2、接地追求的目标是地阻抗低、地稳定、地均衡

地阻抗低很好理解,用粗的线缆即可,但有一个问题一定不能忽视,比如我通过一个大电感接地了,如果地线上跑的地电流的波动频率是0.00000001Hz,这个大电感的感性效应表现得就很不明显,等同于直接接地了,但如果波动电流是1000000Hz的话,感抗=jωL=j2πfL,就显得很大了,这种情况下,相当于高频接地很差。各位看官可能会说了,你胡来吧你,谁会用个大电感接地呢,第一是在某种状态下会有这种方式的,第二是即使不这样接个电感,普通电缆的走线电感在高频下也是不容忽视的。总结为一句话,低频接地≠高频接地。即低阻抗的接地要分析是属于高频还是低频的接地。

地稳定是比较好理解的,一般来说,接地阻抗足够低的话,地电流泻放容易,且不会在底线上产生啥子压降,就如一个超大的电容,电荷的海洋,具有无限宽广的胸怀,多少进来都波澜不惊。

地均衡比较容易被忽视,对于一个信号来说,有用部分是两条线上的压差,如果地线漂移了,两条线上对地线的压差同等的上升或下降,即差模电压值维持不变,共模电压发生变化,其实电路功能是照常实现的。就像水涨船高,您比我高3cm,站在船上,船上浮了,您依然还是高我3cm。这种情况在静电防护的时候常用到,一个静电脉冲通过空气打到电路板上,针对局部的电路,距离远近的不同,肯定会导致产生静电感应的压差。这时候用一块金属板隔一下的话,即使该金属板浮空,对金属板后面的电路板来说,感应的将是均匀的电场,虽然感应干扰仍然存在,但起码电路上是基本均衡的。当然如果此金属板接地更好啦。当然共模电压一般不会维持住,因为传输线的阻抗不均匀,往往会转成差模电压干扰,地均衡的问题最好不要让我们面对,但没办法的时候,如浮地设备,不得不受到静电冲击的电路板,防护时候要考虑地均衡问题。

3、共地阻抗耦合干扰

共地阻抗耦合干扰是接地里面每天都要面对的核心问题,并且几乎逃避不开。就像电影院里散场的时候,你从最里头的一号厅出来,没几个人,走来很通畅,突然二号厅也散场了,一下子通道就拥挤了,再继续前行,坏了,三号厅正在放观众入场,一下子,人流就波动起来了。这和共地阻抗是一个原理,通道相当于地线,人相当于电流。如果一、二、三号厅流动的人差不多,相互之间影响不太大,但如果3号厅是大厅,人员是一、二号厅的好多倍,那进出三号厅的人员将会对一、二号厅人员流动速度的影响很大。一、二、三号艇的客人都要走过的这段路就成了共地阻抗。

4、较通用型的接地方法

这个标题用了个“较”字,是有原因的,因为通用的接地方法根本不存在,这只是个基础的模型,真正使用中的时候,还需要结合实际情况灵活变通处理,就像语言,同样一句话“你讨厌”,用不同语气讲出的时候,传递的信息可是千差万别。基本思路是,在设计上,把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独立的单独连接,最后在系统联调的时候,再根据各地之间要解决的问题,即根据接地的目的,将这几个地按照下列的之间的联接方式处理下,连接方式包括:

a地——地间黄绿导线直联

这种接法最好理解,就是简单的使两个地可靠的低阻抗导通。但切记,此种接法仅限于中低频信号电路地之间的接法。因为这类导线上有一定的走线电感和走线电阻,对高频波动地电流,在电感作用下,电缆起到的是大阻抗的作用,相当于低频接地,高频下大阻抗接地了,基本不能实现高频下的可靠导通。

b地——地间宽扁平电缆直联

扁平电缆主要是解决上面导线直联不能解决的问题,静电测试工作台的接地电缆不用直线就是这个道理,它在高频下可以实现地阻抗对地导通。

c地——地间大电阻连接

大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差,就会产生很弱的导通电流,把地线上电荷泻放掉之后,最终实现两端的压差=0V,这个特点在希望电荷泻放,但又不希望快速泻放的时候,会表现得淋漓尽致。生产工作现场的防静电台垫,导通电阻一般是106-109欧,就是这个目的。防静电台垫相当于是工作电路板的地与保护大地间的大电阻。c地——地间电容连接电容的特性是直流截止,交流导通,对希望实现这类功能的场合可以考虑采取此方法。比如一个开关电源供电的产品,外壳和保护接地连接,里面的电路板上的地有杂乱波动干扰,但又无处泻放的话,在24V、12V、5V等的直流电源地与保护接地间跨接大电容,波动可以被泻放掉,但直流成分能保证是较稳的;注意,这种情况下,保护地和外壳地的稳定不能保证的话,效果可能会适得其反欧。

d地——地间磁珠连接

在这里,磁珠的特性需要明确一下,很多工程师经常把磁珠与电感划等号,这是根本性错误。磁珠等同于一个随频率变化的电阻,它表现的是电阻特性,是耗损性质的;电感则是储能性质的,相当于销峰填谷。所以跨接磁珠的地之间一般是有快速小电流波动的状态,因为磁珠会饱和,电流太大了,它消耗不了。一般用在弱信号的地——地之间。

e地——地间电感连接

电感具有抑制电路状态变化的特性,通过电感的连接,可以销峰填谷,对于有较大电流波动的地——地,跨接电感可以解决这个问题。

f地——地间小电阻连接

小电阻要解决的问题是增加了一个阻尼,阻碍地电流快速变化的过冲,在电流变化时候,使冲击电流上升沿变缓,相当于晶振输出端、总线输出端为减少过冲振铃的匹配电阻。

5、安全地、防雷击浪涌接地的接法

因为雷击浪涌、安全地的电流一般会远大于信号电流对人的危害,这两个接地建议分别单独接到大地,在真正的大地处单点相接,尤其是防雷击接地。

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围观 9

在现在产品中,电磁干扰问题越来越成为产品关注重点,也成为产品进入国外市场的重要瓶颈。由于中国长期忽略这块,以及这块的测试设备及其昂贵等众多因素,国内在这块领域中发展相对缓慢。

了解这块的工程师少之又少,成为大多数工程师及国内企业研发部最为头疼的事情,它们在解决这类产品问题的时候,大多都是盲人摸象,走了很多弯路之后,才勉强把问题解决。这类经验并且具有不可复制性,在开发下面产品中依旧会面临各种问题,而且即使在解决了的产品中,留的货量不够,在批量生产的时候,随机性较大。

电磁兼容的问题真的又这么难么?

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今天让我们抛开事物的谜团,掌握其本质,彻底了解和掌握电磁兼容产生的原因并找到解决的方法,让工程师睡个安稳觉。

破解模拟硬件设计有三大定律:

第一,源、回路、阻抗;
第二,电路是一个波形的整形,从无用的波形最终整形有用的波形,包括形态、相位的整形;

第三,对元器件的参数、封装、鲁棒性、成本要熟知,这样才把产品设计在临界区。

我们在此可以运用第一大定律源、回路、阻抗来融入到产品设计中,用第二大定律的波形测量分析来辅助我们整改电磁兼容问题,用第三大定律的元器件,封装来优化电磁兼容问题。

电磁兼容,简称EMC(electromagnetic compatibility)。它包含两个方面,一个是干扰其他的电器产品,简称EMI(electromagnetic interference),即电磁干扰;另一个是被其他电器产品干扰,叫抗干扰性,我们用EMS(electromagnetic susceptibility)表示。

要想解决电磁兼容问题,我们要先理解频率带宽的问题。通俗讲带宽是信号的频率,而信号频率本质是信号的速度。那么信号速度的本质是什么?是信号的上升斜率和下降斜率。信号斜率(包含信号的上升斜率和下降斜率,这里统称),信号斜率越慢,则其绝大多数只能通过导线传播,它的频率一般在0-30M Hz之间,这就是我们传导测试重点测试的地方。信号的斜率越快(一般的频率在30M Hz-3Z Hz之间,这就是所谓的带宽)则可以借助天线向空间辐射,这样的天线可以包括电源的引入线,包括元器件的圆角,包括走线的直角等。

测量哪些内容?

EMC测量的内容包含2个方面,第一传导测试,第二辐射测试。传导测试主要测量引出线,辐射测试主要测试空间4米天线、10米天线两种。

什么叫ESD测试?
ESD测试是关于静电测试,当静电打向产品的时候,产品不会出现异常跑飞的现象的测试。

什么叫噪音?

一般来讲,我们把输入的无用信号,统称为噪音。最早的时候,由于电源发出一些声响,我们把这样的声响称为噪音,但是实际上人耳接受频段的能力是有限的,2Hz-2KHz。实际上更多的频段的信息(无用信号)是人耳听不见的,因此我们把凡是对器件本身无用的信号称为噪音。简而言之,一切无用的波形皆为噪音。

那么,构成干扰要有三要素,骚扰源,传播途径,敏感设备。骚扰源分两种,一种是电场的骚扰源,一种是磁场的骚扰源。

从第一大定律去分析,源--这里的源指的骚扰源,骚扰源包括电场引起的扰动,磁场引起的扰动,统称电磁场引起的扰动。那么从这个频段角度来说,30M以下的传导扰动和30M以上的辐射扰动。回路--那么30M以下的传导扰动,它的传播路径(回路)是引线,也包含PCB走线;30M以上的扰动,它的传播路径是空间,由天线发射和接收的空间。阻抗--阻抗就是说在回路中对波形衰减的能力称为阻抗。从两个大方向去解答,依旧从传导和辐射来分析。首先,讨论下传导阻抗的问题。传导的阻抗可以在电路中有两个方面,第一个方面是差模干扰的问题,第二个是共模干扰的问题。

差模干扰是指两条电源线之间(wire to wire)的,主要通过选择合适的电容(X电容,也称安规电容),和差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线分别对大地(简称线对地)的,主要通过选择合适的电容(Y电容,也是安规级别的),和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常用的低通滤波器,一般会同时具有抑制共模和差模干扰的功能。

如下图,低通滤波器原理图。

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低通滤波器原理图

如图1,3为差模电容,2为共模电感,4为共模电容。

1,2,3共同组成的叫π型滤波器,1,3组成的电容主要是滤两根线之间的信号差,因此而得名。一般这两个电容的取值在0.22 uf-1.5 uf。在出现干扰超标的时候,一般解决方法是把这两个电容的值加大,但随着电容容值加大,会导致漏电流加大,这点需要注意。

由于差模电容是接在L和N线两线之间,那么它和后面的负载实际上是并联关系。又由于电容对低频次的信号有很强的阻碍作用,对高频次的信号有很强的导通作用,及低阻抗作用。当50Hz-60Hz低频交流信号流过电容两端的时候,由于电容的阻抗表现极其大,所以电容不起任何作用,等于没有这个电容。当差模信号通过的时候(差模信号一般是高频无用信号),那么电容表现为通路,阻抗很小,在高频信号下,则电容相当于将后面负载短路,那么后面负载就不会受高频信号的干扰。如图差模电容工作原理所以。以上是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析差模电容特性。

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差模电容工作原理

2为共模电感,这个上面有两根独立的线圈,方向相反的绕制在同一个圆形闭合的磁芯上。由于这两根导线大小相等,反向相反,因此产生的磁场相互抵消了。共模电感和后面中的负载是串联关系,当有差分信号通过时(差模信号一般是高频无用信号),由于电感对电流的变化有阻碍作用,那么此时电感表现为大电阻,而后面负载类似于小电阻,则电感承担了绝大多数高次谐波的压降。根据电阻分压原则,后面的负载分得的电压接近于零。当50Hz-60Hz低频交流信号流过电感两端的时候,由于电感的感抗表现极其小,所以电感几乎不起任何阻碍作用,等于没有这个电感。所以我们说这个电感对差分信号起作用。如图共模电感工作原理所示。以上仍然是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析共模电感特性。共模电感的感量选型一般在几百微亨到几毫亨级别。

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共模电感工作原理

4为共模电容,这两个电容由于分别连接着L和N两根线且对大地的(不是电路中的地,一般电路中的地为GND,也为浮地,而共模电容的地为大地earth),呈Y型状,因此而得名。由于Y电容一端连接着大地,那么它和后面负载实际上并联关系的。如图共模电容工作原理,当50Hz-60Hz低频交流信号流过Y电容两端的时候,由于电容的阻抗表现极其大,相当于断路,不导通。当共模信号通过的时候(共模信号一般是高频无用信号),那么电容表现为通路,阻抗很小,高频信号通过Y电容到大地,那么后面负载就不会受高频信号的干扰。以上仍然是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析共模电容特性。共模电容的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大,越容易解决干扰问题,但是漏电也越大,取值要甚重。

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共模电容工作原理

当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。

一般滤波器不单独使用差模线圈,因为共模电感两边绕线不一致等原因,电感必定不会相同,因此能起到一定的差模电感的作用。如果差模干扰比较严重,就要追加差模线圈。

文/张飞
来源:硬件十万个为什么

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