本文的讀者對象為
電子產品設計人員,產品范圍包括了從電源模塊、單板計算機、馬達驅動器等零部件到獨立的或聯(lián)網的產品,如計算機、視聽設備、儀器等整個范圍。
文章中介紹的技術包括:
1.
PCB電路設計(數(shù)字電路、模擬電路、開關電源、通信設備)和器件選擇
2. 電纜和連接器
3. 濾波器和瞬態(tài)干擾抑制
4. 屏蔽
5. 線路板設計(包括傳輸線)
6. 靜電放電、機電設備和電源功率因數(shù)校正
由于已經有很多關于以上問題的教科書,因此這篇文章僅將問題提出并介紹最實用技術中的一些關鍵點,這些內容都是十分重要且實用的。但我們在這里并不介紹這些技術為什么管用,而僅介紹這些技術是什么,怎樣應用。當然,了解這些技術的原理對于靈活應用這些技術是十分必要的,您可以參考其它教科書和參加我們的培訓課程。
1.PCB電路設計及EMC器件選擇
在新設計及開發(fā)項目的開始,正確選擇有源與無源器件及完善的PCB電路設計技術,將有利于以最低的成本獲得EMC認證,減少產品因屏蔽和濾波所帶來的額外的成本、體積和重量。這些技術也可以提高數(shù)字信號的完整性及模擬信號信噪比,可以減少重復使用硬件及軟件至少一次,這也將有助于新產品達到其功能技術要求,盡早投入市場。這些EMC技術應視為公司竟爭優(yōu)勢的一部分,有助于使企業(yè)獲得最大的商業(yè)利益。
1.1數(shù)字器件與EMC電路設計
1.1.1器件的選擇
大部分數(shù)字IC生產商都至少能生產某一系列輻射較低的器件,同時也能生產幾種抗ESD的I/O芯片,有些廠商供應EMC性能良好的VLSI(有些EMC微處理器比普通產品的輻射低40dB);大多數(shù)數(shù)字電路采用方波信號同步,這將產生高次諧波分量,如圖1示。時鐘速率越高,邊沿越陡,頻率和諧波的發(fā)射能力也越高。因此,在滿足產品技術指標的前提下,盡量選擇低速時鐘。在HC能用時絕不要使用AC,CMOS4000能行就不要用HC。要選擇集成度高并有EMC特性的集成電路,比如:
* 電源及地的引腳較近
* 多個電源及地線引腳
* 輸出電壓波動性小
* 可控開關速率
* 與傳輸線匹配的I/O電路
* 差動信號傳輸
* 地線反射較低
* 對ESD及其他干擾現(xiàn)象的抗擾性
* 輸入電容小
* 輸出級驅動能力不超過實際應用的要求
* 電源瞬態(tài)電流低(有時也稱穿透電流)
這些參數(shù)的最大、最小值應由其生產商一一指明。由不同廠家生產的具有相同型號及指標的器件可能有顯著不同的EMC特性,這一點對于確保陸續(xù)生產的產品具有穩(wěn)定的電磁兼容符合性是很重要的。
高技術集成電路的生產商可以提供詳盡的EMC設計說明,比如Intel的奔騰MMX芯片就是這樣。設計人員要了解這些并嚴格按要求去做。詳盡的EMC設計建議表明:生產商關心的是用戶的真正需求,這在選擇器件時是必須考慮的因素。在早期設計階段,如果IC的EMC特性不清楚,可以通過一簡單功能電路(至少時鐘電路要工作)進行各種EMC測試,同時要盡量在高速數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)完成操作。發(fā)射測試可方便地在一標準測試臺上進行,將近場磁場探頭連接到頻譜分析儀(或寬帶示波器)上,有些器件明顯地比其他一些器件噪聲小得多,測試抗擾度時可采用同樣的探頭,并連到信號發(fā)生器的輸出端(連續(xù)射頻或瞬態(tài))。但如果探頭是儀器專配的(不只是簡單的短路環(huán)或導線),首先要檢查其功率承受能力是否滿足要求。測試時近場探頭需貼近器件或PCB板,為了定位“關鍵探測點”和最大化探頭方向, 應首先在整個區(qū)域進行水平及垂直掃描(使探頭在各個方向相互垂直),然后在信號最強的區(qū)域集中進行掃描。
1.1.2不宜采用IC 座
IC座對EMC 很不利,建議直接在PCB上焊接表貼芯片,具有較短引線和體積較小的IC芯片則更好, BGA及類似芯片封裝的IC在目前是最好的選擇。安裝在座(更糟的是,插座本身有電池)上的可編程只讀存儲器(PROM)的發(fā)射及敏感特性經常會使一個本來良好的設計變壞。因此,應該采用直接焊接到電路板上的表貼可編程儲存器。
帶有ZIF座和在處理器(能方便升級)上用彈簧安裝散熱片的母板,需要額外的濾波和屏蔽,即使如此,選擇內部引線最短的表貼ZIF 座也是有好處的。
1.1.3電路技術
* 對輸入和按鍵采用電平檢測(而非邊沿檢測)
* 使用前沿速率盡可能慢且平滑的數(shù)字信號(不超過失真極限)
* 在
PCB樣板上,允許對信號邊沿速度或帶寬進行控制(例如,在驅動端使用軟鐵氧體磁珠或串聯(lián)電阻)
* 降低負載電容,以使靠近輸出端的集電極開路驅動器便于上拉,電阻值盡量大
* 處理器散熱片與芯片之間通過導熱材料隔離,并在處理器周圍多點射頻接地。
* 電源的高質量射頻旁路(解耦)在每個電源管腳都是重要的。
* 高質量電源監(jiān)視電路需對電源中斷、跌落、浪涌和瞬態(tài)干擾有抵抗能力
* 需要一只高質量的看門狗
* 決不能在看門狗或電源監(jiān)視電路上使用可編程器件
* 電源監(jiān)視電路及看門狗也需適當?shù)碾娐泛蛙浖夹g,以使它們可以適應大多數(shù)的不測情況,這取決于產品的臨界狀態(tài)
* 當邏輯信號沿的上升/下降時間比信號在PCB走線中傳輸一個來回的時間短時,應采用傳輸線技術:
a 、經驗:信號在每毫米軌線長度中傳輸一個來回的時間等于36皮秒
b 、為了獲得最佳EMC特性,對于比a中經驗提示短得多的軌線,使用傳輸線技術
有些數(shù)字IC產生高電平輻射,常將其配套的小金屬盒焊接到PCB地線而取得屏蔽效果。PCB上的屏蔽成本低,但在需散熱和通風良好的器件上并不適用。
時鐘電路通常是最主要的發(fā)射源,其PCB軌線是最關鍵的一點,要作好元件的布局,從而使時鐘走線最短,同時保證時鐘線在PCB的一面但不通過過孔。當一個時鐘必須經過一段長長的路徑到達許多負載時,可在負載旁邊安裝一時鐘緩沖器,這樣,長軌線(導線)中的電流就小很多了。這里,相對的失真并非重要。長軌線中的時鐘沿應盡量圓滑,甚至可用正弦波,然后由負載旁的時鐘緩沖器加以整形。
1.1.4擴展頻譜時鐘
所謂的“擴展頻譜時鐘”是一項能夠減小輻射測量值的新技術,但這并非真正減小了瞬時發(fā)射功率,因此,對一些快速反應設備仍可能產生同樣的干擾。這種技術對時鐘頻率進行1% ~ 2% 的調制,從而擴散諧波分量,這樣在CISPR16或FCC發(fā)射測試中的峰值較低。所測的發(fā)射減小量取決于帶寬和測試接收機的積分時間常數(shù),因此這有一點投機之嫌,但該項技術已被FCC所接受,并在美國和歐洲廣泛應用。調制度要控制在音頻范圍內,這樣才不會使時鐘信號失真,圖2是一時鐘諧波發(fā)射改善的例子。擴展頻譜時鐘不能應用于要求嚴格的時間通信網絡中,比如以太網、光纖、FDD、ATM、SONET和ADSL。
絕大多數(shù)來自數(shù)字電路發(fā)射的問題是由于同步時鐘信號。非同步邏輯(比如AMULET微處理器,正由steve Furbe教授領導的課題組在UMIST研制)將大大地降低發(fā)射量,同時也可獲得真正的擴頻效果,而不只是集中在時鐘諧波上產生發(fā)射。
1.2模擬器件和PCB電路設計
1.2.1 選擇模擬器件
從EMC的角度選擇模擬器件不象選擇數(shù)字器件那樣直接,雖然同樣希望發(fā)射、轉換速率、電壓波動、輸出驅動能力要盡量小,但對大多數(shù)有源模擬器件,抗擾度是一個很重要的因素,所以確定明確的EMC訂購特征相當困難。
來自不同廠商的同一型號及指標的運算放大器,可以有明顯不同的EMC性能,因此確保后續(xù)產品性能參數(shù)的一致性是十分重要的。敏感模擬器件的廠商提供EMC或PCB電路設計上的信噪處理技巧或PCB布局,這表明他們關心用戶的需求,這有助于用戶在購買時權衡利弊。
1.2.2 防止解調問題
大多數(shù)模擬設備的抗擾度問題是由射頻解調引起的。運放每個管腳都對射頻干擾十分敏感,這與所使用的反饋線路無關(見圖3),所有半導體對射頻都有解調作用,但在模擬電路上的問題更嚴重。即使低速運放也能解調移動電話頻率及其以上頻率的信號,圖4表明了實際產品的測試結果。
為了防止解調,模擬電路處于干擾環(huán)境中時需保持線性和穩(wěn)定,尤其是反饋回路,更需在寬頻帶范圍內處于線性及穩(wěn)定狀態(tài),這就常常需要對容性負載進行緩沖,同時用一個小串聯(lián)電阻(約為500)和一個大約5PF的積分反饋電容串聯(lián)。
進行穩(wěn)定度及線性測試時,在輸入端注入小的但上升沿極陡 (<1ns) 的方波信號(也可以通過電容饋送到輸出端和電源端),方波的基頻必須在電路預期的頻帶內,電路輸出應用100MHz(至少)的示波器和探針進行過沖擊和振鈴檢查,對音頻或儀表電路也應如此,對更高速模擬電路,要選取頻帶更寬的示波器,同時注意使用探頭的技巧。
超過信號高度50%的過沖擊表明電路不穩(wěn)定,對過沖擊應予以有效的衰減,信號的任何長久的振鈴(超過兩個周期)或突發(fā)振蕩表明其穩(wěn)定度不好。
以上測試應在輸入及輸出端均無濾波器的情況下進行,也可以用掃頻代替方波,頻譜分析儀代替示波器(更易看出共振頻率)
1.2.3其它模擬電路技術
獲得一穩(wěn)定且線性的電路后,其所有聯(lián)線可能還需濾波,同一產品中的數(shù)字電路部分總會把噪聲感應到內部連線上,外部連線則承受外界的電磁環(huán)境的騷擾。濾波器將在后面介紹。
決不要試圖采用有源電路來濾波和抑制射頻帶寬以達到EMC要求,只能使用無源濾波器(最好是RC型)。在運放電路中,只有在其開環(huán)增益遠大于閉環(huán)增益時的頻率范圍內,積分反饋法才有效,但在更高頻率,它不能控制頻率響應。
應避免采用輸入、輸出阻抗高的電路,比較器必須具有遲滯特性(正反饋),以防止因為噪聲和干擾而使輸出產生誤動作,還可防止靠近切換點處的振蕩。不要使用比實際需要快得多的輸出轉換比較器,保持dv/dt在較低狀態(tài)。
對高頻模擬信號(例如射頻信號),傳輸線技術是必需的,取決于其長度和通信的最高頻率,甚至對低頻信號,如果對內部聯(lián)接用傳輸線技術,其抗擾度也將有所改善。
有些模擬集成電路內的電路對高場強極為敏感,這時可用小金屬殼將其屏蔽起來(如果散熱允許),并將屏蔽盒焊接到PCB地線面上。
與數(shù)字電路相同,模擬器件也需要為電源提供高質量的射頻旁路(去耦),但同時也需低頻電源旁路,因為模擬器件的電源噪聲抑制率(PSRR)對1kHz以上頻率是很微弱的,對每個運放、比較器或數(shù)據(jù)轉換器的每個模擬電源引腳的RC或LC濾波都是必要的,這些電源濾波器轉折頻率和過渡帶斜率應補償器件PSRR的轉折頻率和斜率,以在所關心的頻帶內獲得期望的PSRR。
一般的EMC設計指南中都很少涉及射頻設計,這是因為射頻設計者一般都很熟悉大多數(shù)連續(xù)的EMC現(xiàn)象,然而需要注意的是,本振和IF頻率一般都有較大的泄漏,所以需要著重屏蔽和濾波。
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