PCB設計中的EMC設計概念

PCB設計中的EMC設計概念

EMC設計的目的就是想辦法使自己設計或生產的電子設備產生各種干擾信號的幅度符合別人的要求；同時還要想辦法讓自己設計或生產的電子設備在受到其它電子設備產生干擾的情況下還能正常工作。因此，EMC標準一般都是強制性的?？梢杂媒饘贆C殼對電磁場進行屏蔽，以及對電源輸入電路用變壓器進行隔離，并且還要對變壓器也進行靜電感應和磁感應屏蔽。但由于金屬機殼比較笨重，并且成本很高，另外50周的電源變壓器體積很大，并且對其進行靜電感應和磁感應屏蔽也比較麻煩。

這種方法只有一些要求特別高的場合才會使用，例如：精密測試儀表，對于一般的普通電器設備，目前已很少使用。在塑料機殼內表面噴涂導電材料也是一種對電磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料機殼內表面噴涂石墨，對超高頻電磁屏蔽效果就非常好，因為，石墨既導電又有電阻，是吸收電磁波的良好材料，它不容易對電磁波產生反射，并對電磁波產生衰減作用。如果只從屏蔽效果來比較，石墨對電磁場屏蔽的效果的確不如導電良好的金屬，但金屬屏蔽也有缺點，它最大的缺點就是產生電磁波反射，并使電磁反射波相互迭加，嚴重時會產生電磁振蕩。

當被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機殼的某個尺寸接近的時候，金屬機殼很容易會變成一個大諧振腔，即：電磁波會在金屬機殼內來回反射，并會產生互相迭加，其工作原理與圖13基本相同。這種情況在電腦機殼內最容易實現，當電腦機殼的邊長正好等于某干擾信號的半個波長，且干擾信號源正好位于電腦機殼的中央位置的時候，干擾信號很容易就會在機殼內部產生電磁振蕩。當某一干擾信號頻率正好在諧振腔中產生諧振的時候，電磁波的能量反而會被加強。被加強了的干擾信號，一方面會破壞設備自身的正常工作，另一方面干擾信號也會從金屬機殼的裂縫逃逸出去，產生輻射干擾，雷達設備經常使用的裂縫天線就是這個工作原理。特別指出，電磁波在金屬機殼中產生輻射或諧振，與外殼接地或不接地無關。

大多數電器設備傳導干擾都是由開關電源引起的，為了提高開關電源的工作效率，一般都希望開關管導通和關斷速度越高越好，即：方波的前、后沿越陡越好，這樣的結果會使開關電源產生的干擾更加嚴重，要進行抑制更加困難。因此，在對開關電源進行設計時，不要無條件地追求開關電源的工作效率為越高越好。

不管采用什么樣的濾波電路來抑制電子設備產生的傳導干擾，其主要目的都是要把圖6中的V1、V2、V3等三個干擾信號的幅度降到最低。例如：要抑制V1干擾信號，最有效的方法是在V1的兩端并聯一個電容，由于這個電容連接的位置比較特殊，需要符合安全標準，因此，一般人們都稱他為Y電容；同理，要抑制V2干擾信號，最有效的方法也是在V2的兩端并聯一個Y電容。由于Y電容會引起設備漏電或機客帶電，容易危及人身安全，所以這兩個Y電容都是屬于安全電容，其容量不能大，并且要求耐壓很高，否則，機器將會漏電。安全標準規(guī)定，一般在亞熱帶機器對地漏電電流不能超過0.7mA，在溫帶機器對地漏電電流不能超過0.35mA，因此，Y電容的總容量一般都不能超過4700P。

特別提示，Y電容為安全電容，必須經過安全檢測部門人證過后才能使用。Y電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓高達5000V以上，因此，Y電容不能隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來代用。

抑制V3干擾信號最有效的方法，同樣也是在V3的兩端并聯一個電容，由于這個電容連接的位置比較特殊，也需要符合安全標準，因此，一般人們都稱他為X電容。X電容同樣也屬于安全電容，其容量可以比Y電容大，但必須在X電容的兩端并聯一個安全電阻，用于防止電源線拔插時電源線插頭長時間帶電。安全標準規(guī)定，當正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端帶電的電壓（或對地電位）必須小于原來電壓的30%。

X電容也是安全電容，必須經過安全檢測部門認證過后才能使用。

X電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓達2000V以上，使用的時候不要隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來代用。

X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容，這種電容體積一般都很大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，即：內阻比較小。普通電容紋波電流的指標一般都很小，動態(tài)內阻比較大，用普通電容代替X電容，除了耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。

實際上，光靠用Y電容和X 電容就想把傳導干擾信號完全濾除是不可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz到幾百MHz甚至上千MHz的頻率范圍。對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全條件的限制，Y電容和X電容的容量都不能用大；對高端干擾信號的濾除，大容量電容的濾波性能又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，因為它是用卷繞工藝生產的，并且聚脂薄膜介質高頻響應特性與陶瓷或云母相比相差很遠，一般聚脂薄膜介質都具有吸附效應，它會降低電容器的工作頻率，聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右，超過1MHz其阻抗將顯著增加。

因此，抑制電子設備產生的傳導干擾除了選用Y電容和X電容進行濾波以外，一般還要同時選用多個電感濾波器一起組合對干擾除進行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多種類和無數多種規(guī)格，例如有：差模、共模，以及高頻、低頻等，每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用，對其它頻率的干擾信號的濾除起作用不大。因為，電感量很大的電感，其線圈匝數很多，分布電容也很大，高頻信號會通過分布電容旁路掉，另外，導磁率很高的磁芯，其工作頻率也不高。目前，國內大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數都在75MHz以下，對于工作頻率要求比較高的場合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導磁率一般都不高，但漏感特別小。

PCB設計中的電磁兼容設計

電磁兼容設計主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾 度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈沖磁場抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場感應的傳導抗擾度等相關設計。..

當前，日益惡化的電磁環(huán)境，使我們逐漸關注設備的工作環(huán)境，日益關注電磁環(huán)境對電子設備的影響，從系統設計開始，包括后續(xù)的結構，PCB設計，都要充分考慮到EMC問題，融入電磁兼容設計，使電子設備更可靠的工作。電磁兼容設計主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾 度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈沖磁場抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場感應的傳導抗擾度等相關設計。

電磁干擾的主要形式

電磁干擾主要是通過傳導和輻射方式進入系統，影響系統工作，其他的方式還有共阻抗耦合和感應耦合。傳導：傳導耦合即通過導電媒質將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上，屬頻率較低的部分（低于30MHz）。在我們的產品中傳導耦合的途徑通常包括電源線、信號線、互連線、接地導體等。

輻射：通過空間將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上，屬頻率較高的部分（高于30MHz）。輻射的途徑通過空間傳遞，在我們電路中引入和產生的輻射干擾主要是各種導線形成的天線效應。

共阻抗耦合：當兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時出現的相互干擾。在電源線和接地導體上傳導的騷擾電流，多以這種方式引入到敏感電路。

感應耦合：通過互感原理，將在一條回路里傳輸的電信號，感應到另一條回路對其造成干擾。分為電感應和磁感應兩種。

對這幾種途徑產生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波（如我們設計中每個IC的片頭電容就是起濾波作用），輻射干擾采用減少天線效應（如信號貼近地線走）、屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。

電磁兼容設計

對于一個新項目的研發(fā)設計過程，電磁兼容設計需要貫穿整個過程，在設計中考慮到電磁兼容方面的設計，才不致于返工，避免重復研發(fā)，可以縮短整個產品的上市時間，提高企業(yè)的效益。

一個項目從研發(fā)到投向市場需要經過需求分析、項目立項、項目概要設計、項目詳細設計、樣品試制、功能測試、電磁兼容測試、項目投產、投向市場等幾個階段。

在需求分析階段，要進行產品市場分析、現場調研，挖掘對項目有用信息，整合項目發(fā)展前景，詳細整理項目產品工作環(huán)境，實地考察安裝位置，是否對安裝有所限制 空間，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕、潮濕、高溫等，周圍設備的工作情況，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否受限與其他設備，產品的研制成功能否大大提高生產效 率，或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來很大的方便，操作使用方式能否容易被人們所接受，這就要求項目產品要滿足現場功能需要、易于操作等，最后要整理詳 細的需求分析報告，以供需求評審。

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