EMI/EMC控制在“摇篮”中 可使电源设计事半功倍

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关键词: 摘要:本文介绍在电源产品设计之初,控制EMI/EMC所应考虑的问题。   电子研发工程师最常采用的EMI/EMC防范措施...
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  • 摘要:本文介绍在电源产品设计之初,控制EMI/EMC所应考虑的问题 。

  电子研发工程师最常采用的EMI/EMC防范措施不外乎是屏蔽 、滤波、接地和布线 ,但是随着电子系统的集成化,在考虑成本、质量 、功能,又要兼顾产品推出速度的要求下 ,工程师们必须在设计初始阶段就展开EMI/EMC预测分析和设计 ,避免在研发后期发生问题,采取挽救修补措施的被动控制方法,而收到事半功倍的效果。本文就介绍在产品设计之初 ,控制EMI/EMC所应考虑的问题。

  1.PCB板设计

  1.1PCB板层数与功能分布

  当设计一个电路板时,首先要考虑的是PCB板的层数及信号 、电源、地的分布 。层数的决定在于功能规格、噪声抑制 、信号种类、走线分布排列、阻抗匹配 、有源组件密度、网络数目等 。在PCB层面压制射频辐射更胜于在机壳或金属涂装于塑料壳上下功夫。

  表1显示的是电路板层数与信号、电源 、地的通用分配方式。这些分配方式并非一成不变的,可依功能要求及所须绕线层数(RountingLayers)要求适当修改 。须把握的重点是每一个绕线层必定要相邻一个完整平面。

  PCB一般都是偶数层 ,两层板常用于低于10kHz频率要求。如果提供多于3个完整平面,即:一个电源两个地,将最高速clock布线于相邻groundplane且不相邻于powlane ,可得最佳之EMI效果 。这是PCB上抑制EMI抑制的基本观念。

  1.2电源及接地

  高速PCB板设计最重要的考虑就是把电源电压向各部分电路供电,将噪声降为最低,它就如同开发一个无干扰电源。一个好的接地其阻抗应该为零 ,因此可以提供一个好的参考电压给所有的电路,同时也不会有EMI的产生 。实际上,真实的电源网络中 ,由于有非零值传递延迟的电流存在 ,所以于其中应该是具有一些有限的阻抗,如电阻、电感、或是电容,它们是分散于整个电路板之中。

  在高速PCB板中 ,另外一个问题是交流信号所产生的交变电磁场,电流流通于一个由导线所围成的闭回路,它们会使得电路的串音 ,以及辐射更加的严重。分散电源的效能是受到板子上电路的不同电位所决定,设计的目的是尽可能降低电源网络的阻抗 。通常采用有两种方法解决,分别为利用电源总线以及电源平面。

  一般设计者倾向于使用电源总线 ,是因为它具有合理的成本,故为首选,但是电源总线是与信号线分享整个布局层 ,以及有许多的电源供应到所有的装置。通常总线为既长又窄,所以它的阻抗比较大,这就是为什么电流受限制于总线所定义的路径 。由器件所产生的EMI ,都是与电源总线上的器件有关联 。

  至于电源平面因其充满了整个布局层 ,并且电源平面的阻抗是为电源总线一小部分。在电源平面上,因为电流路径没有受到限制,所以噪声电流是分散的。所沿行的路径阻抗也较低 ,所以电源平面较电源总线安静 。电源平面的另外一个功能,是于系统中对于所有的信号提供均有一条返回路径,可以用来限制许多高速噪声的问题。

  在低速时 ,电流流向最低电阻的路径,在高速时,在所既给的返回电流路径的电感是远低于有效的电阻 ,高速返回电流是走最低电感的路径,但此一路径并非是最低电阻的路径。此一最低电感返回路径是被直接的放在一个信号导通器之下,并于返回电流路径之间有一最小的总回路 。电源平面提供给系统中所有的信号一个返回路径 ,则电流就可以经由VCC或是接地返回。

  1.3终端

  路线越短其传输延迟也越短,若是导线的长度超过电子上升边缘长度的1/6,则信号延迟就大于传输时间的有效部份 ,所以信号路线必须被视为是一个传输线 ,一个不适当的终端传输线容易造成反射,进而破坏到信号。太短的终端线,会产生一个负的反射以减慢转换时间 ,使数据流变慢;而太长的终端线,又会产生正反射其可被解释为一个多任务信号,由于于此频率下 ,具有高阻抗以及传输率,故可以与相邻的路径线路作有效的耦合 。

  在线路负载端的信号可以被组合形成环型,以降低系统的速度 ,它也可能会造成错误的时序,甚至于破坏系统的功能。故应该将终端线的终端电阻降低,或是限制于无反射之下 ,使其电阻值匹配于传输线的特性阻抗时才能有效抑制反射。

  在平行终端之间并入一个具有负载特性的电阻器可以降低负载阻抗,但是它却有一个缺点,就是于正电压态输出时 ,有较高的电流 ,此电流可以通过电源以及接地两端电阻的使用,予以合理的降低,此两电阻即是所谓的Thevenin等效应;虽然此一方法是很好 ,但是因为电阻是介于电源与接地之间,所以需要较大的电源供应电流 。

  另外一个技巧是并入电阻及电容,电容可使交流短路与直流开路 ,此一电路可以被参考且视为交流终端。负载终端技术的设计可以限制第一次反射。

  另外的一个选择方法是增加Zs使其等于Zo,并将Zs与电源相串联,当加入Zs之后 ,会使电源产生一个新的阻抗Zo 。我们也可以考虑同时在电源以及负载端使用终端器,使接收到的一半信号,并降低巨大的反射 。在数字电路中 ,此一技术仅是被使用于连接有接收组件的线路。

  手持式装置会格外注重在印刷电路板上的EMI设计,在大多数情况下电路板的表面安装组件产生的发射比电路板铜箔线产生的大。流过铜箔线的相同电流必须同样流过IC,保证铜箔线及其最近的参考基准面之间的面积小于从芯片接脚到电路板并返回器件的电源和接地引脚的电流回路面积 ,可使芯片发出较铜箔线辐射更大的能量 ,此外,假如两条铜箔线等长并载有相同的信号,在物理上位处高于最近实心基准面的铜箔线的辐射会较大 。简单地说 ,距离基准面越高,辐射越高。                                    

  2.屏蔽措施的采用

  对设计工程师而言,采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用 ,从金属罐 、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等) 。无论是金属还是涂有导电层的塑料,一旦设计人员确定作为外壳材料之后,就可着手开始选择衬垫。

  2.1金属屏蔽效率

  只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低 ,另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低,还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率 。综上所述,选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂 ,通常要向EMI屏蔽材料供货商以及有关咨询机构寻求解决方案。

  在高频电场下,采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果,但条件是屏蔽必须连续 ,并将敏感部分完全遮盖住 ,没有缺口或缝隙。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作,因此就会有缝隙需要接合 ,另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的联机 。设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙,而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板联机、通风口 、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免 ,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的 。

  2.2屏蔽设计关键

  设备一般都需要进行屏蔽,这是因为结构本身存在一些槽和缝隙 。所需屏蔽可通过一些基本原则确定,但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度 ,如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形,表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。

  由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降,因此屏蔽效率也会降低 。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比 ,例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性;另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物,如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础 。

  多孔薄型屏蔽层:多孔的例子很多 ,比如薄金属片上的通风孔等等 ,当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑,接缝和接点:电焊 、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式,接合部位金属表面必须清理干净 ,以使接合处能完全用导电的金属填满。不建议用螺钉或铆钉进行固定,因为紧固件之间接合处的低阻接触状态不容易长久保持。

  导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙,使RF辐射不会散发出去 。EMI衬垫是一种导电介质 ,用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。通常EMI衬垫可在两个导体之间提供一种灵活的连接,使一个导体上的电流传至另一导体。

  封孔EMI衬垫的选用必须考虑一些变量,包括:特定频率范围的屏蔽效率、安装方法和密封强度 、与外罩电流兼容性以及对外部环境的抗腐蚀能力、工作温度范围、成本 ,多数商用衬垫都具有足够的屏蔽性能以使设备满足EMC标准,关键是在屏蔽罩内正确地对垫片进行设计 。

  2.3屏蔽材料的选择

  目前可用的屏蔽和衬垫产品非常多,包括铍一铜接头 、金属网线、嵌入橡胶中的金属网和定向线、导电橡胶以及具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等。大多数屏蔽材料制造商都可提供各种衬垫能达到的SE估计值 ,但要记住SE是个相对数值,还取决于孔隙 、衬垫尺寸、衬垫压缩比以及材料成分等。衬垫有多种形状,可用于各种特定应用 ,包括有磨损、滑动以及带铰链的场合 。目前许多衬垫带有粘胶或在衬垫上面就有固定装置 ,如挤压插入 、管脚插入或倒钩装置等 。

  各类衬垫中,涂层泡沫衬垫是最新也是市面上用途最广的产品之一。这类衬垫可做成多种形状,厚度大于0.5mm ,也可减少厚度以满足UL燃烧及环境密封标准。还有另一种新型衬垫即环境/EMI混合衬垫,有了它就可以无需再使用单独的密封材料,从而降低屏蔽罩成本和复杂程度 。这些衬垫的外部覆层对紫外线稳定 ,可防潮、防风、防清洗溶剂,内部涂层则进行金属化处理并具有较高导电性。最近的另外一项革新是在EMI衬垫上装了一个塑料夹,同传统压制型金属衬垫相比 ,它的重量较轻,装配时间短,而且成本更低 ,因此更具市场吸引力。                               

  3.信号通路的考虑

  产生EMI需要许多变量的配合,因为EMI是被动组件正常状态以外所衍生的结果 。这些被动组件在高频的一些行为特性一般称之为“隐藏之电路”。硬件工程师一般假设这些组件有单一的频率响应。结果,其根据时域之功能特性来选择组件 ,而不管在频域里的实际表现 ,很多时候,当设计者弯曲或打破规则时,很多EMI情况就产生了 。

  一旦了解到这些隐藏行为就很容易可以设计出一个能够符合要求的产品了。同时也要考虑到主动组件之切换速度所带来之隐藏行为 ,其中隐藏着有电感 、电容 、电阻组件。

  当信号传输于电路板中的线路时,介于电线之间的串扰是明显的,在高速设计中只有接地线是不被所有信号所推荐 ,为确认每一信号都拥有自己的返回路径以降低串扰源 。返回信号电流是依据个别路径的电感,而流动于所有接地路径之间。于低电感线路中,会有更多的返回电流 ,而这些低电感线路被放于靠近信号线之处,但于外部路径则较少。与传统的信号传输线相比较,传统信号传输线仅有一条信号线 ,以及电流返回的地线,至于差分信号传输方式,则需有两条信号线以及一条电流返回地线 。信号差动所衍生的信号返回电流问题 ,不仅对于单一信号提供有低阻抗的路径、并也会限制阻抗 。

  差分信号的理论相当的简单 ,当传输两个信号时,将要传送的信号加入于第二个信号之后,并使其等于第一个信号的负值 ,而来自于第一个信号是为正的;来自于第二个信号的返回电流却是为负的。在接收端比较两个信号以决定逻辑的极性,比较的过程中,需要一个不属于本地的参考电压 ,接地电压的移位是介于传送端与接收端之间,以使每一条线有效的等于不同的两条线所形成的影响。若接地电压移位于传送器与接收器之间,可以使差动接收无效 。当有一差分信号经由传送时 ,应保持相邻脚位的连接,在此方法中,返回信号电流路径将会被覆盖及取消 ,也可以将线路紧密结合并移到印刷电路板之上,串音是来自于不同金属路线,而它们会有着干扰的产生 ,并进而产生EMI ,这些均是产生于任何两个不平衡的传输信号之间,我们称此不平衡为共模干扰。

  若是以双绞线的电缆来连接差分信号时,可以将传输效能改进 ,在差分信号中包含所有于正、负信号间形成的闭回路的实际返回电流,在绞线对中有一个信号线,以及最接近于返回路径所紧密绞合 ,当有一信号传递延迟沿着绞线对时,则有一磁场会来自于这不同极性对,来自两条线的磁场有不同的极性 ,对于相同距离的磁场极性则决定于最近的线,当这些线互相滚绕,则其磁场极性会反向 ,所产生的结果,为介于相邻绞线对的串音是为零,并可确保绞线的电线有相同的方向。

  使用绞线对的另一个优点是不同的传输时可以降低电磁场的发射 ,对于个别信号流中的大多数返回电流是在接地线 ,此是为取消辐射场图像的方法之一 。

  在差分方式中,低电压差分方式信号发送(LVDS)因不依赖电源电压,在信号产生时可更快更稳定 ,因此具有相当优势。                                 

  低振幅的差分信号还可以改善高速状态下的信号完整性,由于通信界对数据传输量的需求增大,更高的频率和更大的位宽会引起传输线路的反射和串扰问题。随系统负载增加 ,系统的阻抗特性会改变并引起阻抗不匹配,从而造成传输线发送反射信号,这些反射会造成位错误或延长系统稳定时间 ,令速度增加时的时间分配更为困难 。如LVDS等差分方式发送信号的技术能通过接受差分线路的共模噪声而解决这个问题,此外,较低振幅的差分技术可减少反射 ,因为低电压振幅能够限制供应给传输线路的能量。

  4.电源需要采取的措施

  电源设计选择有助于降低EMI,尤其是滤波器 、扼流线圈及控制器频率的调变组件,都是降低携带型设备有害辐射的方法。

  电源降低EMI的重要设计问题是切换器的频率调制 。频率调制可通过在更宽的频率范围分散能量而将EMI减至最小。与EMI降低量直接相关的是调制电平和调制速度。频率调制可以使用经济的电感器而不是AC输入扼流线圈 ,以满足EMI极限和规范要求 。

  至于在滤波器方面 ,可以选择单节或多节,单节滤波器较小型且便宜,但可能出现电路寄生和组件寄生现象 ,此外,扼流器也是电源领域的重要考虑因素,电源包含桥式整流输入滤波器 ,可吸收宽度相当窄且峰值相对较高的电源频率电流 。差劲模式扼流器的最基本形式可以传输电源频率同时过滤/阻隔高频传导发射的一系列电感器。通常,差动模式扼流线圈缠绕在由铁粉或铁磁材料制成的螺线管蕊上。共模扼流线圈是设计用于共模EMI滤波器的简单电感器 。这种扼流线圈由两个绕制相同的绕组构成,以消除差模电流引起的电磁场 ,环形扼流线圈是减弱辐射最好的扼流线圈之一。圆环是一些环状成型铁蕊,带有穿过环状中心的线圈。磁场环绕铁蕊的中央运动,将磁场限制在铁蕊的内部 。

  当一个EMI问题发生时 ,工程师应在逻辑性之分析来探讨问题。描述EMI之模式须有三个元素:能量之源头、被能量干扰之接受者、在源头与接受者间之耦合路径。           

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