第5-1電磁兼容性設(shè)計(jì)

1、1第5章 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)n概念n干擾來(lái)源n干擾傳播路徑n接地n屏蔽n濾波n電纜n終端本章概要5.1 概念 電磁兼容性和信號(hào)完整性 n電磁兼容性（ElectroMagneric Compatibility，EMC）n產(chǎn)品既不對(duì)其它系統(tǒng)施放無(wú)用的電磁能（不產(chǎn)生干擾），同時(shí)也不受來(lái)自外部電磁環(huán)境的干擾（不受干擾影響）n抗擾度（Immunity）：產(chǎn)品不受干擾影響的能力n耐受性（Susceptibility）： 對(duì)噪聲的感知能力n信號(hào)完整性（Signal Integrity）n信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量n當(dāng)在需要的時(shí)候，具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值，則信號(hào)具有良好的完整性n常見(jiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題有反射、振蕩、

2、地彈、串?dāng)_等n定義：除了有用信號(hào)之外的不期望的擾動(dòng)n作用：輕則對(duì)電路正常工作產(chǎn)生干擾（電磁兼容性問(wèn)題) ； 重則對(duì)電路產(chǎn)生潛在損傷（可靠性問(wèn)題）5.1 概念 干擾的作用 5.1 概念 干擾的分類 n電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）n傳導(dǎo)干擾：通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)（不期望地）耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)n輻射干擾：干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)（不期望地）耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)n 強(qiáng)調(diào)無(wú)用信號(hào)為“噪聲”，強(qiáng)調(diào)有害作用為“干擾”n 隨機(jī)漲落為“噪聲”，突發(fā)脈沖為“干擾”n 來(lái)自內(nèi)部為“噪聲”，來(lái)自外部為“干擾”干擾噪聲5.1 概念 干擾與噪聲 5.1 概念 干擾對(duì)

3、數(shù)字電路的影響 模擬電路（干擾造成信號(hào)失真）數(shù)字電路（干擾造成誤觸發(fā)）5.1 概念 干擾引起位錯(cuò)誤 5.1 概念 實(shí)例:干擾對(duì)J-K觸發(fā)器的影響 J-K觸發(fā)器n干擾三要素干擾三要素n干擾入侵途徑干擾入侵途徑輸入線電源線輸出線接地系統(tǒng)空中輻射不明343225432數(shù)據(jù)來(lái)源：日本電氣學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告5.1 概念 干擾三要素 干擾源干擾傳播路徑被干擾對(duì)象市電、音頻、無(wú)線電臺(tái)、電視、移動(dòng)電話、雷電、電磁輻射、火花放電等5.2 干擾來(lái)源 來(lái)自外部的干擾 數(shù)字電路、高頻與射頻器件、感性元件（繼電器、開(kāi)關(guān)電源等）、微處理器時(shí)鐘等，本振及其諧波5.2 干擾來(lái)源 來(lái)自內(nèi)部的干擾 5.2 干擾來(lái)源 實(shí)例:開(kāi)關(guān)電源形成

4、的干擾 5.2 干擾來(lái)源 電路寄生參數(shù) 理想電路實(shí)際電路寄生電阻寄生電容寄生電感5.2 干擾來(lái)源 電場(chǎng)與磁場(chǎng) n 電壓加在導(dǎo)體上產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)n 近場(chǎng)條件下，電場(chǎng)與磁場(chǎng)各自獨(dú)立作用；遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，電場(chǎng)與磁場(chǎng)共同相互作用5.2 干擾來(lái)源 導(dǎo)體長(zhǎng)度與信號(hào)頻率 導(dǎo)體越長(zhǎng)，信號(hào)頻率越高，則輻射作用越強(qiáng)5.3 干擾傳播路徑 電子設(shè)備內(nèi)的干擾傳播 5.3 干擾傳播路徑 空間傳播 xHEZxHxE1,1,123xHEZxHxE,1,132降低空間輻射的途徑：增距，隔離，屏蔽5.3 干擾傳播路徑 公共阻抗耦合 有公共阻抗無(wú)公共阻抗實(shí)例：螺絲釘緊固不充分，導(dǎo)致公共阻抗降低公共阻抗耦合的途徑：?jiǎn)吸c(diǎn)接

5、地，低阻接地5.3 干擾傳播路徑 導(dǎo)線傳播 降低導(dǎo)線傳播干擾的途徑：插入濾波器，采用差動(dòng)輸入消除共模噪聲電感耦合：磁場(chǎng)耦合，對(duì)低阻抗電路影響大電容耦合：電場(chǎng)耦合，對(duì)高阻抗電路影響大5.3 干擾傳播路徑 電容與電感耦合 5.3 干擾傳播路徑 互電容及互電感與與距離的關(guān)系 n什么是串?dāng)_？什么是串?dāng)_？n平行線之間通過(guò)互感和耦合電容產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)n容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓n大小與線間距離的平方成反比，與信號(hào)頻率成正比5.3 干擾傳播路徑 串?dāng)_n一點(diǎn)接地：一點(diǎn)接地：可避免地線公共阻抗引起的干擾，但接地線往往較長(zhǎng)，易引發(fā)高頻串?dāng)_5.4 接地 單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地n多點(diǎn)接地多點(diǎn)接地：可減少地

6、線電感引起的高頻串?dāng)_，但地線阻抗干擾較大nf1MHz（或L10MHz （或L0.15) ： 高頻多點(diǎn)接地nf110MHz （或L=0.050.15) ： 短線多點(diǎn)接地，長(zhǎng)線一點(diǎn)接地5.4 接地 接地方式如何選擇 數(shù)字電路多點(diǎn)接地，模擬電路單點(diǎn)接地，整個(gè)設(shè)備單點(diǎn)接地5.4 接地 混合應(yīng)用 5.4 接地 數(shù)字部分與機(jī)電部分隔離采用獨(dú)立的接地點(diǎn)（較好）采用獨(dú)立的電源（最好）不同設(shè)備接地電位的不同導(dǎo)致干擾電流采用光電耦合器切斷干擾電流5.4 接地 不同設(shè)備地線的隔離5.4 接地 小信號(hào)地線與大功率地線的隔離5.4 接地 零線與地線的分離 零線是交流供電的零電位參考點(diǎn)，對(duì)地電位不一定為0地線接大地，對(duì)地

7、電位應(yīng)恒為0不能將零線當(dāng)?shù)鼐€用5.4 接地 設(shè)備接地實(shí)例PCB整機(jī)5.5 屏蔽 屏蔽的分類靜電屏蔽 磁屏蔽5.5 屏蔽 常用屏蔽材料5.5 屏蔽 縫隙對(duì)屏蔽效果的影響 不同接地鈑金件之間最好采用面接觸搭接或者無(wú)間隙設(shè)計(jì)即使縫隙很窄，只要縫隙足夠長(zhǎng)，也能產(chǎn)生可觀的泄漏5.5 屏蔽 實(shí)例1:電纜屏蔽的效果干擾源為交流50Hz感應(yīng)噪聲5.5 屏蔽 實(shí)例2:機(jī)箱屏蔽的效果輻射電磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果（f=533MHz, =0.54m）發(fā)射電磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果（f=533MHz, =0.54m）5.5 屏蔽 機(jī)箱間的連接方式n旁路電容與去耦電容成對(duì)使用n旁路電容（提供儲(chǔ)能及濾除低頻干擾）n鉭電解電容優(yōu)于鋁電解電容，前者

8、價(jià)格昂貴，后者分布電感大n電容量10470uF，取決于PCB板的瞬態(tài)電流需求。若有多個(gè)IC、高速開(kāi)關(guān)電路、具有長(zhǎng)引線的電源，則應(yīng)取大電容n去耦電容（濾除高頻干擾）n電容量(1/1001/1000）旁路電容，工作頻率越高，旁路電容越小n兩個(gè)去耦電容并聯(lián)效果更好，它們的容量應(yīng)相差2個(gè)數(shù)量級(jí)n不同的電源采用各自的旁路電容和去耦電容，以防止電源間的噪聲耦合 5.6 濾波 電源濾波設(shè)計(jì)旁路電容去耦電容5.6 濾波 濾波電容大小的確定5.6 濾波 差模濾波與共模濾波差模濾波：相當(dāng)于低通濾波器共模濾波：對(duì)差模干擾不起作用交流線路濾波：對(duì)差模干擾和共模干擾均有效5.6 濾波 多級(jí)放大器的去耦5.6 濾波 LC

9、濾波與RC濾波nLC濾波n無(wú)功耗n需要電感，對(duì)IC內(nèi)部不可用n濾除低頻噪聲效果較差n常用于數(shù)字電路nRC濾波n無(wú)需電感n濾出低頻噪聲效果較好n有電阻引入的附加功耗n常用于模擬電路5.6 濾波 抑制寬頻干擾5.6 濾波 降低時(shí)鐘干擾的擴(kuò)譜時(shí)鐘技術(shù)5.7 電纜 雙絞線抑制干擾的原理雙絞線發(fā)射干擾：在被干擾線中所感應(yīng)出的噪聲電流，在各節(jié)之間是反向的，故相互抵消信號(hào)線信號(hào)回饋線信號(hào)回饋線信號(hào)線雙絞線接收干擾：噪聲電流產(chǎn)生的磁力線在相鄰的各節(jié)間反相相反，故也相互抵消5.7 電纜 各種電纜的特點(diǎn)平行雙線：串?dāng)_大，僅用于短距離強(qiáng)信號(hào)傳輸雙絞線：可抑制串?dāng)_，成本低，抵抗低頻磁場(chǎng)噪聲能力強(qiáng)，高頻損耗較大同軸電纜

10、：能抑制電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾，高頻損耗小，適合傳送高速信號(hào)帶屏蔽的平行雙線：優(yōu)于平行雙線帶屏蔽的雙絞線：優(yōu)于雙絞線雙重屏蔽的同軸電纜：抗干擾性和高速傳輸特性良好，成本高5.7 電纜 通信電纜的選用5.7 電纜 電纜接頭的處理5.8 終端 反射的產(chǎn)生過(guò)程n反射產(chǎn)生的原因反射產(chǎn)生的原因n線的傳輸延遲時(shí)間Tpd信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)間Ts（長(zhǎng)線，高頻）n常用數(shù)字電路的Ts=318ns，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)線25cmn反射造成的后果反射造成的后果n信號(hào)波形產(chǎn)生畸變n出現(xiàn)上沖、下沖、臺(tái)階、缺口等復(fù)雜波形n抑制反射的方法抑制反射的方法n盡量縮短布線長(zhǎng)度n盡量選用低速芯片n實(shí)現(xiàn)傳輸線阻抗匹配（終端技術(shù)）5.8 終端 反射形成的干擾5.8 終端 無(wú)源匹配:電阻并聯(lián)匹配:負(fù)載阻抗匹配，引入附加功耗串聯(lián)匹配:源阻抗匹配，影響噪聲容限和速度串并聯(lián)匹配:負(fù)載與源阻抗同時(shí)匹配，上述問(wèn)題兼而有之5.8 終端 無(wú)源匹配:阻容、二極管阻容匹配:無(wú)靜態(tài)功耗，對(duì)速度有一定影響Thevenin匹配:用于減少并聯(lián)匹配的功耗二極管匹配:適合多種特性阻抗 差動(dòng)輸出/輸入驅(qū)動(dòng)器差動(dòng)輸出/輸入驅(qū)動(dòng)器匹配電阻施密特觸發(fā)器RC濾波器5.8 終端 有源匹配5.9 差分 差