避免EMC故障應(yīng)該如何設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須考慮許多工程選擇。從組件選擇到機(jī)殼決定，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和構(gòu)造都需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力。然而，設(shè)計(jì)師特別需要關(guān)注的是他們的產(chǎn)品在最終測(cè)試階段的表現(xiàn)如何。

測(cè)試階段最關(guān)鍵的部分之一是電磁兼容性（EMC）。EMC測(cè)試從本質(zhì)上衡量產(chǎn)品中的兩件事：其在預(yù)期環(huán)境中按預(yù)期運(yùn)行的能力（抗擾度測(cè)試），以及設(shè)備對(duì)附近運(yùn)行的其他設(shè)備造成有害干擾的可能性（排放測(cè)試）。

抗擾度測(cè)試可衡量設(shè)備在暴露于各種形式的電磁干擾或現(xiàn)象時(shí)如何反應(yīng)，而排放測(cè)試則可測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的電磁（傳導(dǎo)和輻射）能量。

兩者都是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段必須考慮的極其重要的方面。如果控制不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致電磁不兼容對(duì)周圍環(huán)境造成負(fù)面影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)品故障，違反安全協(xié)議，丟失數(shù)據(jù)等。

避免失敗的EMC合規(guī)性測(cè)試僅涉及在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中使用基本設(shè)計(jì)規(guī)則。為避免代價(jià)高昂的EMC測(cè)試失敗，我們列出了設(shè)計(jì)未通過(guò)EMC測(cè)試的一些最常見(jiàn)原因，為什么會(huì)出現(xiàn)這些失敗以及如何通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)避免它們：

1.避免干擾信號(hào)返回平面

在正常情況下，對(duì)于任何板極少需要在信號(hào)回路或接地層中放置裂縫，間隙或切口。添加這些中斷可能會(huì)導(dǎo)致比解決方案更多的問(wèn)題。這些問(wèn)題中最主要的是設(shè)計(jì)控制低頻電流流動(dòng)的方法所需的時(shí)間和精力增加。

如果您完全確信您的電路板確實(shí)需要在信號(hào)返回平面上進(jìn)行分割，縫隙或切割以防止低頻耦合問(wèn)題，請(qǐng)尋求其他幫助或建議。專家可以檢查您的工作，提出建議并幫助您提出解決方案，以幫助您有效地彌補(bǔ)差距。重要的是要記住，對(duì)其他設(shè)計(jì)有效的方法可能與您的設(shè)計(jì)不同。

2.不要在連接器之間放置高速電路

太多的設(shè)計(jì)師忽略了這個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則。繞過(guò)此細(xì)節(jié)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)大，從而需要屏蔽和過(guò)濾，超出了必要。

連接器在印刷電路板（PCB）上的放置至關(guān)重要，因?yàn)檫B接到這些連接器的電纜可以用作非常有效的天線，尤其是在頻率低于兩到三百M(fèi)Hz時(shí)。雖然PCB走線也可以用作天線，但相對(duì)于這些頻率下的波長(zhǎng)，其影響在電氣上往往很小。這使得PCB走線的輻射效率相對(duì)較低。在這些頻率下，電纜長(zhǎng)度通常更接近最佳波長(zhǎng)，從而使它們成為更高效的輻射器。

通常，當(dāng)這些連接器沿電路板的單個(gè)邊緣排列時(shí)，它們之間的電壓相對(duì)較小。但是，當(dāng)高速電路位于連接器之間時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生更高的電位差，從而在電纜的屏蔽層和導(dǎo)體上產(chǎn)生RF電流。進(jìn)而導(dǎo)致電纜輻射，有可能導(dǎo)致產(chǎn)品超出排放要求。

3.確保輔助設(shè)備合規(guī)

在排放測(cè)試期間，要求制造商使用市售電纜將輔助設(shè)備連接到所有I / O端口。這樣可確保使用設(shè)備內(nèi)的所有端口，從而展示設(shè)備的全部功能。這通常會(huì)帶來(lái)最壞的情況，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生最大的發(fā)射水平。

此步驟對(duì)于測(cè)試過(guò)程非常重要，但是不正確的輔助設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題。

4.準(zhǔn)備進(jìn)行ESD測(cè)試

靜電放電測(cè)試（也稱為ESD測(cè)試）是常規(guī)CE測(cè)試的重要要求。此測(cè)試過(guò)程將檢查您的產(chǎn)品在遇到強(qiáng)力靜電放電時(shí)的行為。該過(guò)程通常涉及向產(chǎn)品的裸露金屬表面（接觸放電）和絕緣表面（空氣放電）施加2至8 kV ESD脈沖。ESD測(cè)試可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞產(chǎn)品。

為了提高產(chǎn)品的性能并避免受到ESD測(cè)試的損害，設(shè)計(jì)人員可以采取以下幾項(xiàng)措施：

查明ESD測(cè)試位置。這些是不使用特殊設(shè)備或拆卸產(chǎn)品即可觸摸的區(qū)域。在外殼上進(jìn)行探索性測(cè)試是該過(guò)程的一部分，其中測(cè)試儀接觸產(chǎn)品機(jī)箱的所有外部。如果機(jī)箱不導(dǎo)電，則其他常見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)包括連接器，螺釘頭，鍵盤和按鈕，機(jī)箱接縫，顯示器以及內(nèi)部PCB和組件靠近機(jī)箱的區(qū)域。

• 確定ESD測(cè)試級(jí)別。通常，以逐漸增加的電壓水平施加放電，對(duì)于接觸放電，電壓從2千伏增加到4伏，對(duì)于空氣放電，電壓從2千伏增加到8伏。這些級(jí)別可能會(huì)根據(jù)您的產(chǎn)品和預(yù)期的安裝環(huán)境而有所不同。請(qǐng)咨詢您的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室或參考適用于您產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，以確定要應(yīng)用于您產(chǎn)品的確切測(cè)試級(jí)別。

• 選擇合適的抑制器。查找電路板的ESD保護(hù)。請(qǐng)記住，此保護(hù)措施必須適合應(yīng)用于您產(chǎn)品的測(cè)試級(jí)別。為此，火花隙，電阻器，電容器，壓敏電阻和TVS二極管都是很好的抑制器，但它們必須適當(dāng)?shù)剡m合您的產(chǎn)品，而不會(huì)引起自身問(wèn)題。

• 將抑制器放置在正確的位置。有了保護(hù)組件后，請(qǐng)確保將它們放置在盡可能靠近問(wèn)題區(qū)域的位置。這樣可將由放電位置和抑制器之間的任何布線引起的串聯(lián)電感降至最低。

• 考慮放電路徑。仔細(xì)考慮所施加的ESD的放電路徑。在許多設(shè)計(jì)中，出于安全原因，機(jī)箱接地與主板接地是分開(kāi)的。一種常見(jiàn)的方法是將機(jī)箱接地在電路板上接地回到主電源輸入。這樣可以消除任何放電，而不會(huì)影響電路的其余部分。

5.管理信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間

較低諧波頻率下格式正確的數(shù)字信號(hào)的幅度要比較高諧波高得多。降低數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以進(jìn)一步減少這些較高的諧波。但是，過(guò)度增加過(guò)渡時(shí)間會(huì)開(kāi)始降低信號(hào)完整性。找到“最佳位置”是關(guān)鍵。

控制上升和下降時(shí)間的三種常見(jiàn)方法包括：

• 用邏輯系列控制擺率。這通常是應(yīng)用程序最有效的選擇，尤其是在匹配終端的情況下。

• 將電阻器或鐵氧體與設(shè)備的輸出串聯(lián)。控制電路的上升時(shí)間可為設(shè)計(jì)人員提供更多控制權(quán)，而其成本通常低于所列的其他選項(xiàng)。鐵氧體同樣有效，但成本更高。

• 將一個(gè)電容器與設(shè)備的輸出并聯(lián)。電容器會(huì)增加源設(shè)備拉動(dòng)的高頻電流。對(duì)于過(guò)渡時(shí)間控制，這通常是最沒(méi)有用的選擇，但是在某些情況下它可以工作。

6.最小化回路面積

電路板設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單，最常見(jiàn)的錯(cuò)誤之一是增加了與高頻電流相關(guān)的環(huán)路區(qū)域。這通常是設(shè)計(jì)人員疏忽的結(jié)果，尤其是在設(shè)計(jì)人員不知道電流流向何處的情況下。

為避免此問(wèn)題，電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 信號(hào)電流總是返回其源極。因此，當(dāng)前路徑始終是回路。

• 信號(hào)電流采用最小阻抗的路徑。對(duì)于高頻電流，這往往是電感最小的路徑。對(duì)于低頻電流，這是電阻最小的路徑。

7.減少電纜上的射頻噪聲

電纜往往容易發(fā)出RF噪聲，這會(huì)增加產(chǎn)品的總體輻射并導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)輻射測(cè)試。

如果完成的設(shè)計(jì)存在輻射問(wèn)題，則應(yīng)首先嘗試找出盡可能多的電纜，以找出問(wèn)題所在。如果輻射消失，您將知道噪聲是從哪一根分離的電纜中輻射出來(lái)的。使用簡(jiǎn)單的消除方法，將電纜一個(gè)接一個(gè)地重新連接，直到問(wèn)題再次出現(xiàn)為止。在某些情況下，多根電纜可能是問(wèn)題的根源，這使得識(shí)別和處理問(wèn)題電纜變得更加困難。

盡管應(yīng)該牢記這些步驟來(lái)減輕這些問(wèn)題的發(fā)生，但最好在設(shè)計(jì)階段將所有意外的RF能量降至最低。設(shè)計(jì)人員通過(guò)最小化信號(hào)擺率來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，如前面第6條所述。

有數(shù)百種減輕這些信號(hào)對(duì)發(fā)射的影響的方法，但是可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)防止它們。這些設(shè)計(jì)實(shí)踐中的第一個(gè)涉及在電源和靜態(tài)I / O信號(hào)中添加串聯(lián)鐵氧體磁珠，或者在將來(lái)可能需要鐵氧體磁珠的區(qū)域中簡(jiǎn)單地放置0歐姆電阻作為占位符。這些嵌入式磁珠起著抑噪磁珠的作用，專門設(shè)計(jì)用于吸收RF能量并將其轉(zhuǎn)化為熱量。這些建議中的第二個(gè)建議涉及在連接器處提供足夠的電源去耦。

8.選擇合適的電源適配器

嘈雜的電源或電源轉(zhuǎn)換器會(huì)給您的設(shè)備帶來(lái)大量噪聲，從而在測(cè)試過(guò)程中對(duì)設(shè)備的發(fā)射性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，選擇適合您設(shè)備發(fā)射等級(jí)的電源適配器很重要。

除了此要求之外，您還應(yīng)該考慮：

• 容納電源適配器。電源適配器通常在直流電阻負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試，而直流電阻負(fù)載與動(dòng)態(tài)負(fù)載根本不同。這意味著，當(dāng)適配器連接到具有較寬電流供應(yīng)頻譜的動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)，適配器的發(fā)射特性可能會(huì)有所不同。當(dāng)前特性的這種差異可能會(huì)導(dǎo)致排放量超過(guò)廣告宣傳的數(shù)量。為了最大程度地減小這種差異的影響，您可能需要專門設(shè)計(jì)電源電路，以處理更寬的電源頻譜。

• 購(gòu)買更好的適配器。當(dāng)涉及到合規(guī)性測(cè)試時(shí)，許多制造商會(huì)強(qiáng)調(diào)低價(jià)。這在質(zhì)量較低的產(chǎn)品制造商中尤為常見(jiàn)，因?yàn)樗档土藘r(jià)格并最大化了利潤(rùn)。因此，從值得信賴的制造商那里花更多的時(shí)間和金錢購(gòu)買高質(zhì)量的適配器并沒(méi)有什么壞處。

• 要求制造商提供測(cè)試報(bào)告。仔細(xì)檢查您要購(gòu)買的設(shè)備，尤其是來(lái)自新制造商的設(shè)備，永遠(yuǎn)不會(huì)感到麻煩。許多制造商將提供測(cè)試報(bào)告，以支持其關(guān)于其設(shè)備的主張。

9.對(duì)過(guò)度敏感的電路使用屏蔽