什么是電磁兼容EMC設(shè)計評審

大多數(shù)硬件工程師習(xí)慣于在他們的電路板和系統(tǒng)上進行功能設(shè)計評審，然后再按下制造的“開始”按鈕。在我工作過的工程團隊中，這種類型的設(shè)計評審?fù)ǔ２扇〉男问绞钦驹谝粡垥h室桌子旁，用一支紅色的鋼筆和我們能拿到的最大的圖紙打印出來。這也可以由一個人在個人電腦與交叉探測之間的原理圖和布局(如果你的老板很好地獲得許可證！)。我們篩選了設(shè)計，一針，由連接器，決定找到一個意外倒置界面或錯誤地釘出符號。你知道，你面前的原理圖很有可能包含一個隱藏的錯誤，它可能會把你的高端電路板變成昂貴的啤酒杯墊，或者至少會花費你大量的返工時間！你知道EMCFastPass作為一項服務(wù)提供EMC設(shè)計評審嗎？這些公司已經(jīng)將這種審查過程標準化為基于清單的程序，并在每一項設(shè)計上進行并進行驗證。通過這樣做，它們增加了審查的穩(wěn)健性，并將重大問題從裂縫中滑落的可能性降到最低。令人驚訝的是，我多年來參與的公司很少將這一重要過程遷移到EMC世界。就像功能設(shè)計評審可以捕獲許多設(shè)計錯誤一樣，可靠的EMC設(shè)計評審可以捕捉到許多已知的針對排放和抗干擾性能的不良設(shè)計實踐。這可能意味著您的產(chǎn)品通過或失敗在EMC測試實驗室之間的區(qū)別。一個良好的EMC設(shè)計評審應(yīng)該涵蓋整個產(chǎn)品設(shè)計的許多方面。在最高一級，設(shè)計審查應(yīng)包括以下主題：我喜歡把EMC測試看作一個完全獨立的功能規(guī)范。有一套特定的合格/失敗標準，您的產(chǎn)品必須滿足，否則您不能出售它。就這么簡單。如果您的產(chǎn)品在EMC實驗室中沒有明確的測試規(guī)范，那么您就缺少一個功能規(guī)范，在項目的設(shè)計階段就應(yīng)該加以考慮。你不會夢想在沒有向最終客戶提供功能集的情況下設(shè)計一個產(chǎn)品，對嗎？EMC測試只是一個不同的特性集，您的設(shè)計需要包括。如果沒有EMC功能規(guī)范，您就會在EMC實驗室留下通行證或失敗。那么，根據(jù)英特克(世界上最大的實驗室集團之一)，全球EMC首次通過率僅為50%？在這篇文章中，我將概述EMC設(shè)計評審是什么，以及如何對您的下一個產(chǎn)品進行評估。EMC故障很容易使您的公司花費數(shù)千美元的有形費用，如聘請顧問、租用調(diào)試設(shè)備、重新設(shè)計/制造設(shè)計以及支付重新測試費用。對許多公司來說，一個更大的問題是EMC故障可能導(dǎo)致的市場延遲。由于EMC批準才能合法銷售您的產(chǎn)品，故障可能導(dǎo)致延遲數(shù)天至數(shù)周的市場。由于EMC故障，我在市場上遇到的最長的延遲是大約4個月，因為公司真的很難通過幾次設(shè)計迭代來解決這些問題，但如果存在更長的延遲，我也不會感到驚訝。會計師們普遍認為，延遲上市將使任何特定產(chǎn)品的最高銷售量減少幾個百分點，并且取決于產(chǎn)品的性質(zhì)，可能會縮短整個銷售窗口的長度。對于許多中型到大型硬件公司來說，一個月的延遲很容易導(dǎo)致某一特定產(chǎn)品在超過100萬美元的生命周期內(nèi)的總收入下降。突然間，在設(shè)計周期的早期考慮EMC看起來一點也不壞。最后，進行健壯的EMC設(shè)計評審可以提高產(chǎn)品的性能，從而減少客戶回報的數(shù)量。例如，一家產(chǎn)品的免疫保護相對較差的公司，可能會因為最終用戶在產(chǎn)品上按鈕而產(chǎn)生的靜電放電造成的損害而獲得很多回報?；蛘撸摦a(chǎn)品將在相對噪聲的電磁環(huán)境中使用，并且該設(shè)備的功能在某些方面受到影響，例如rf性能的降低或測量精度的降低。良好的電磁兼容設(shè)計可以減少這些問題?；贓MCFASTPASS的EMC設(shè)計評審幸運地擁有一位EMC專家的公司可能還沒有實施強有力的EMC設(shè)計評審(目前為止)，但是專家頭腦中隱藏的知識可能已經(jīng)引入了某種類型的臨時審查。我注意到的是，在EMC測試方面有豐富經(jīng)驗的設(shè)計工程師傾向于使用他們對EMC失效模式的記憶來避免將來再次遇到相同的問題。例如，當(dāng)他們在布置電路板(或指導(dǎo)繪圖員)時，他們可能還記得以前設(shè)計的一種產(chǎn)品由于外部電纜上的過度噪音而導(dǎo)致的輻射排放失敗的時候。工程師然后采取任何設(shè)計改進，以減少電纜的噪音，并將該方法應(yīng)用于所有的設(shè)計在未來。實際上，他們所做的就是為每一個后續(xù)的設(shè)計建立一套他們所遵循的設(shè)計規(guī)則。隨著他們經(jīng)歷更多的EMC問題并解決這些問題，他們將這些規(guī)則添加到他們現(xiàn)有的心理列表中。“EMC設(shè)計評審專業(yè)”軟件是一種從許多EMC專家那里借用知識并將其集成到您的團隊中的簡單方法。它包括150多條設(shè)計規(guī)則，摘自許多EMC設(shè)計教科書，包括“第一次獲得電磁兼容“它還包含了對在我的EMC實驗室3年期間遇到的每一個故障模式的檢查，這樣您就不會犯與許多其他公司相同的錯誤。每個規(guī)則都有相應(yīng)的視頻培訓(xùn)課程，因此您可以了解每條規(guī)則背后的理論和思想背景。通過檢查每個設(shè)計規(guī)則的設(shè)計，您可以在工作中真正了解EMC，并第一次正確地獲得EMC。將這些規(guī)則標準化為正式的設(shè)計評審過程是重復(fù)執(zhí)行健壯EMC設(shè)計評審的關(guān)鍵。福特(Ford)和捷豹(Jaguar)等面臨一些最嚴峻的EMC挑戰(zhàn)(汽車)的公司實施了強有力的EMC設(shè)計評審。我相信每個人都可以從這種做法中獲益。形式化EMC設(shè)計評審的一個巨大好處是，它可以由一個相對初級的工程師承擔(dān)，而沒有足夠的EMC遵從設(shè)計經(jīng)驗。這是因為，檢查特定的設(shè)計規(guī)則是否正確實現(xiàn)比進行全面的EMC培訓(xùn)要容易得多，并從物理學(xué)的角度理解為什么規(guī)則是有意義的。對于沒有經(jīng)驗豐富的EMC專業(yè)人員的公司來說，EMC設(shè)計評審是快速驗證您的設(shè)計通過EMC測試的最佳機會的一個很好的方法。不幸的是，大多數(shù)公司沒有熟練的EMC工程師的員工，也沒有內(nèi)部知識來創(chuàng)建EMC設(shè)計評審過程。EMC培訓(xùn)通常是非常昂貴的，一個為期2-3天的短期研討會的典型價格是>1500美元，外加費用。每位工程師?！癊MC設(shè)計評審專業(yè)”軟件，再加上在線視頻培訓(xùn)，解釋每個設(shè)計規(guī)則背后的方法和理論，是我所知道的最快捷的方法，為EMC測試準備您的設(shè)計，并在您進行EMC測試時了解EMC。我不能進入一個全面的EMC設(shè)計審查涵蓋的每一個項目，但在這篇文章中，我將詳細介紹幾個最重要的方面，檢查在您的設(shè)計和如何著手進行。請閱讀下面的文章，了解我是如何為客戶進行EMC設(shè)計評審的。如果沒有明確的PASS/FILE標準定義，就沒有一個好的規(guī)范可供使用。在某些情況下，您的產(chǎn)品可能只測試輻射和進行排放性能。在其他情況下，您的產(chǎn)品也可能受到免疫現(xiàn)象，如ESD，浪涌和EFT。第一項任務(wù)是詳細說明產(chǎn)品在EMC測試期間必須達到的排放限制和排放水平。首先，您應(yīng)該定義產(chǎn)品的排放限制。這些可能會有所不同，取決于您的產(chǎn)品將使用的環(huán)境和世界上的地區(qū)，它將被出售。一個最重要的地方開始是確定您的產(chǎn)品是否屬于“A類”或“B類”的限制。下面是FCC如何區(qū)分：A類數(shù)字設(shè)備：一種在商業(yè)、工業(yè)或商業(yè)環(huán)境中銷售的數(shù)字設(shè)備，不包括供公眾使用或打算在家庭中使用的裝置。B類數(shù)字設(shè)備：一種盡管在商業(yè)、商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中使用但仍在住宅環(huán)境中銷售的數(shù)字設(shè)備。這類裝置的例子包括但不限于供公眾使用的個人電腦、計算器和類似的電子設(shè)備。需要注意的是，B類限值明顯低于A類限值。地理區(qū)域和產(chǎn)品類型之間的界限也不同。檢查適用于您的產(chǎn)品的標準(或要求測試實驗室)計算出你需要達到的極限。下面我給出了B類非故意發(fā)射裝置的一些限制的例子，這樣你就可以看到它是什么樣子的。限值所涵蓋的較低頻率和較高頻率取決于產(chǎn)品內(nèi)的內(nèi)部時鐘頻率，也取決于適用于您的產(chǎn)品的標準。雖然你可以在你的設(shè)計中感受到來自特定網(wǎng)絡(luò)的輻射排放，但是你可以使用一些免費的工具，比如最大排放計算器克萊姆森大學(xué)的工具，用這樣的工具來分析一個完整的設(shè)計是不太實際的。排放限制通常包括輻射和傳導(dǎo)排放以及以太網(wǎng)傳導(dǎo)排放(如果適用)。找出適用于你的特定產(chǎn)品的排放限制只會給你一個想法，讓你知道要讓你的產(chǎn)品的排放量低于限制是多么的困難。如果免疫測試適用于您的產(chǎn)品(CE標記和全球產(chǎn)品系列標準通常是強制性的)，那么就有必要了解EMC實驗室將要使用的測試級別，測試將在哪里應(yīng)用，以及您的產(chǎn)品在測試期間和測試之后需要執(zhí)行多好(這稱為性能標準)。這將幫助您確定在哪里應(yīng)用EMC抑制設(shè)備，選擇什么樣的評級，也將給您一個想法，你需要采取多少照顧。如果您有一個您使用的定期測試實驗室，他們應(yīng)該樂意為您提供一個預(yù)先的測試計劃，以便您可以在產(chǎn)品開發(fā)周期的設(shè)計階段使用它。您可以在下面看到一個免疫測試計劃的示例，其中包括將應(yīng)用于您的產(chǎn)品的級別以及您的產(chǎn)品需要滿足的標準。通行/不合格標準的定義可能因標準而略有不同，但以下是從住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境國際通用免疫標準(iec61000-6-1)中摘取的每項性能標準的說明：(A)性能標準A：該儀器應(yīng)在試驗期間和之后繼續(xù)按預(yù)期操作。當(dāng)設(shè)備按預(yù)期使用時，不允許性能下降或功能喪失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允許的性能損失所取代。如果制造商沒有指定最低性能水平或允許的性能損失，則其中任何一項可從產(chǎn)品描述和文檔中得出，以及如果按預(yù)期使用，用戶可以合理地期望從設(shè)備中得到什么。(B)性能標準B：測試后，儀器應(yīng)繼續(xù)按預(yù)期操作。當(dāng)設(shè)備按預(yù)期使用時，不允許性能下降或功能喪失低于制造商指定的性能水平。性能水平可以被允許的性能損失所取代。然而，在測試期間，性能下降是允許的。不允許更改實際操作狀態(tài)或存儲的數(shù)據(jù)。如果制造商沒有指定最低性能水平或允許的性能損失，則其中任何一項可從產(chǎn)品描述和文檔中得出，以及如果按預(yù)期使用，用戶可以合理地期望從設(shè)備中得到什么。c)性能標準C：允許暫時喪失功能，條件是該功能可自我恢復(fù)或可通過控件的操作恢復(fù)。這是至關(guān)重要的，找出性能標準，您的產(chǎn)品將必須滿足在一個測試實驗室。配置正確的PCB堆棧是EMC性能的基礎(chǔ)。如果沒有足夠的層數(shù)來計算給定的復(fù)雜性，并且沒有正確的層序和使用，您將使控制輻射和傳導(dǎo)排放的工作變得相當(dāng)困難。如果你的老板要求你減少層數(shù)以節(jié)省印刷電路板的成本，請記住，EMC的性能通常是一種權(quán)衡，這可能會對公司的錢包造成更大的傷害。良好的PCB堆棧(從EMC的角度來看)的可取特性是：信號層與平面層相鄰與回波功率/地面緊密耦合的信號層權(quán)力與理由緊密耦合埋地高速信號對稱為什么這些功能是可取的，超出了這篇博客文章的范圍，但我在視頻培訓(xùn)中詳細介紹了它們?？紤]到這些特性，下面是4層和6層板的樣本層堆棧：‘在這個圖中，您可以看到實現(xiàn)4層堆棧的幾種不同方式。看看您是否可以根據(jù)上面列出的理想特性來計算，每個堆棧的權(quán)衡是什么。您能計算出為什么不推薦左邊的堆棧嗎？我沒有時間在這里討論它，但堆棧幾何和PCB材料也會嚴重影響EMC性能。這是因為它將定義網(wǎng)絡(luò)和平面的阻抗，這些阻抗可以隨層的不同而變化。在不仔細考慮板阻抗的情況下，您可能會遇到嚴重的信號完整性和功率傳遞網(wǎng)絡(luò)(PDN)問題。這是一種無腦，但值得驗證和確認在EMC設(shè)計審查，每一個集成電路有足夠的去耦。當(dāng)我為客戶做EMC設(shè)計評審時，我通常會發(fā)現(xiàn)至少有幾個集成電路或pwr/gnd引腳對，其中設(shè)計師忘記添加解耦合帽，或者已經(jīng)以一種使它們非常無效的方式實現(xiàn)了。左上角圖在頻域上顯示了去耦合對電源噪聲的影響，右上圖顯示了時域上的影響。您可以看到，最優(yōu)的性能是當(dāng)脫鉤帽放置在集成電路之下，并盡可能直接路由之間的PWR和GND引腳對。值得注意的是，去耦電容器的重要特性不僅包括電容值(NF、PF等)，還包括等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。這，這個EDN博客文章很好地解釋了這些特性對PDN阻抗的影響。如果您不熟悉返回路徑，這只意味著路由電流返回源。每當(dāng)你有一個向另一個設(shè)備提供電流的集成電路時，就會有一個相等和相反的電流返回到源設(shè)備。上面的圖表說明了dc中的返回路徑通過最小電阻。交流(高頻信號)中的回波路徑最小電感，通常位于源信號正下方的參考平面上。當(dāng)參考平面上的返回路徑有一個切口時，返回電流必須繞著該切線流動，才能找到最小電感的路徑。這形成了一個很好的電流環(huán)，有潛力成為一個有效的散熱器。下圖顯示了一個0.5千兆赫的信號，它穿過地面的一個切口。在右邊的圖片中，您可以看到返回路徑上的當(dāng)前分布找到了繞過槽的方法，因此形成了一個循環(huán)。左邊的圖片顯示了一個場景，在返回路徑上的切割被電容器橋接，使得高頻回波電流“跳過”間隙。這個信號對遠場輻射發(fā)射的影響可能會讓你吃驚。對這一情況的模擬表明，僅在離這個網(wǎng)10米處測量的排放量就可高出30分貝以上，而返回平面上則有一個缺口。這肯定意味著在EMC實驗室通過或失敗之間的區(qū)別。在emc設(shè)計評審期間，您應(yīng)該一次查看布局2層，并仔細驗證所有數(shù)字信號都有定義良好的返回路徑。不切如果由于任何原因必須在返回路徑上進行切割，則確保在感興趣的頻率上與具有低阻抗的電容器橋接。一旦您知道您的產(chǎn)品的哪些端口將被測試，您就可以將這些端口添加到EMC設(shè)計評審清單中。現(xiàn)在去驗證每個端口在電路板上有足夠的ESD保護，在正確的位置和正確的等級。這里是一個USB端口的例子，它具有良好的ESD保護(來自德克薩斯儀器公司)。注意，保護應(yīng)該放在盡可能靠近端口連接器的物理位置。有許多不同類型的ESD保護裝置。請參閱“公共服務(wù)電子化計劃”中的“公共服務(wù)電子化”部分第一次正確設(shè)計電磁兼容“詳細信息，請參閱電子書。與此項目密切相關(guān)的是，驗證在ESD注入點附近的凈到凈間隙和凈到平面間隙不允許“弧”。這是為了確保靜電放電不能跳到另一個導(dǎo)體，并可能造成其他產(chǎn)品的損害。為確保在不同情況下在給定的電壓水平下不發(fā)生電弧所需的建議間隙包括在IPC-2221標準的。輻射免疫是一個非常常見的測試，適用于大多數(shù)運往歐洲的電子設(shè)備，或那些符合國際產(chǎn)品標準的電子設(shè)備。根據(jù)標準，你的產(chǎn)品的場強可以在1V/m到200V/m之間變化。該場也通常被掃過的頻率范圍為80兆赫-4千兆赫(一些標準可能會越來越高，低于此)。如果您的產(chǎn)品包含敏感電路，如模擬測量電路或RF電路，那么即使是低功率輻射電場也會帶