EMC测量到底测量哪些内容?

张飞实战电子 2018-05-20 10:03 次阅读

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?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。众所周知,张飞老师提出的破解模拟硬件设计三大定律,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。

干扰示意图

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

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。

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。

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。

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。

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原文标题:EMC设计张飞老师独家秘笈

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