第5-1电磁兼容性设计

第5章系统可靠性设计1概念干扰来源干扰传播路径接地屏蔽滤波电缆终端本章概要5.1概念电磁兼容性和信号完整性电磁兼容性（ElectroMagnericCompatibility，EMC）产品既不对其它系统施放无用的电磁能（不产生干扰），同时也不受来自外部电磁环境的干扰（不受干扰影响）抗扰度（Immunity）：产品不受干扰影响的能力耐受性（Susceptibility）：对噪声的感知能力信号完整性（SignalIntegrity）信号在信号线上的质量当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值，则信号具有良好的完整性常见的信号完整性问题有反射、振荡、地弹、串扰等定义：除了有用信号之外的不期望的扰动作用：轻则对电路正常工作产生干扰（电磁兼容性问题)；重则对电路产生潜在损伤（可靠性问题）5.1概念干扰的作用5.1概念干扰的分类电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）传导干扰：通过导电介质把一个电网络上的信号（不期望地）耦合到另一个电网络辐射干扰：干扰源通过空间把其信号（不期望地）耦合到另一个电网络强调无用信号为“噪声”，强调有害作用为“干扰”随机涨落为“噪声”，突发脉冲为“干扰”来自内部为“噪声”，来自外部为“干扰”干扰噪声5.1概念干扰与噪声5.1概念干扰对数字电路的影响模拟电路（干扰造成信号失真）数字电路（干扰造成误触发）5.1概念干扰引起位错误5.1概念实例:干扰对J-K触发器的影响J-K触发器干扰三要素干扰入侵途径输入线电源线输出线接地系统空中辐射不明34％32％25％4％3％2％数据来源：日本电气学会技术报告5.1概念干扰三要素干扰源干扰传播路径被干扰对象市电、音频、无线电台、电视、移动电话、雷电、电磁辐射、火花放电等5.2干扰来源来自外部的干扰数字电路、高频与射频器件、感性元件（继电器、开关电源等）、微处理器时钟等，本振及其谐波5.2干扰来源来自内部的干扰5.2干扰来源实例:开关电源形成的干扰5.2干扰来源电路寄生参数理想电路实际电路寄生电阻寄生电容寄生电感5.2干扰来源电场与磁场电压加在导体上产生磁场，电流流过导体产生磁场近场条件下，电场与磁场各自独立作用；远场条件下，电场与磁场共同相互作用5.2干扰来源导体长度与信号频率导体越长，信号频率越高，则辐射作用越强5.3干扰传播路径电子设备内的干扰传播5.3干扰传播路径空间传播降低空间辐射的途径：增距，隔离，屏蔽5.3干扰传播路径公共阻抗耦合有公共阻抗无公共阻抗实例：螺丝钉紧固不充分，导致公共阻抗降低公共阻抗耦合的途径：单点接地，低阻接地5.3干扰传播路径导线传播降低导线传播干扰的途径：插入滤波器，采用差动输入消除共模噪声电感耦合：磁场耦合，对低阻抗电路影响大电容耦合：电场耦合，对高阻抗电路影响大5.3干扰传播路径电容与电感耦合5.3干扰传播路径互电容及互电感与与距离的关系什么是串扰？平行线之间通过互感和耦合电容产生的感应信号容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压大小与线间距离的平方成反比，与信号频率成正比5.3干扰传播路径串扰一点接地：可避免地线公共阻抗引起的干扰，但接地线往往较长，易引发高频串扰5.4接地单点接地与多点接地多点接地：可减少地线电感引起的高频串扰，但地线阻抗干扰较大f<1MHz（或L<0.05)：低频一点接地（复杂系统树状接地）f>10MHz（或L>0.15)

：高频多点接地f＝1～10MHz（或L=0.05~0.15)

：短线多点接地，长线一点接地5.4接地接地方式如何选择数字电路多点接地，模拟电路单点接地，整个设备单点接地5.4接地混合应用5.4接地数字部分与机电部分隔离采用独立的接地点（较好）采用独立的电源（最好）不同设备接地电位的不同导致干扰电流采用光电耦合器切断干扰电流5.4接地不同设备地线的隔离5.4接地小信号地线与大功率地线的隔离5.4接地零线与地线的分离零线是交流供电的零电位参考点，对地电位不一定为0地线接大地，对地电位应恒为0不能将零线当地线用5.4接地设备接地实例PCB整机5.5屏蔽屏蔽的分类静电屏蔽磁屏蔽5.5屏蔽常用屏蔽材料5.5屏蔽缝隙对屏蔽效果的影响不同接地钣金件之间最好采用面接触搭接或者无间隙设计即使缝隙很窄，只要缝隙足够长，也能产生可观的泄漏5.5屏蔽实例1:电缆屏蔽的效果干扰源为交流50Hz感应噪声5.5屏蔽实例2:机箱屏蔽的效果辐射电磁场测量结果（f=533MHz,λ=0.54m）发射电磁场测量结果（f=533MHz,λ=0.54m）5.5屏蔽机箱间的连接方式旁路电容与去耦电容成对使用旁路电容（提供储能及滤除低频干扰）钽电解电容优于铝电解电容，前者价格昂贵，后者分布电感大电容量10～470uF，取决于PCB板的瞬态电流需求。若有多个IC、高速开关电路、具有长引线的电源，则应取大电容去耦电容（滤除高频干扰）电容量＝(1/100~1/1000）旁路电容，工作频率越高，旁路电容越小两个去耦电容并联效果更好，它们的容量应相差2个数量级不同的电源采用各自的旁路电容和去耦电容，以防止电源间的噪声耦合5.6滤波电源滤波设计旁路电容去耦电容5.6滤波滤波电容大小的确定5.6滤波差模滤波与共模滤波差模滤波：相当于低通滤波器共模滤波：对差模干扰不起作用交流线路滤波：对差模干扰和共模干扰均有效5.6滤波多级放大器的去耦5.6滤波LC滤波与RC滤波LC滤波无功耗需要电感，对IC内部不可用滤除低频噪声效果较差常用于数字电路RC滤波无需电感滤出低频噪声效果较好有电阻引入的附加功耗常用于模拟电路5.6滤波抑制宽频干扰5.6滤波降低时钟干扰的扩谱时钟技术5.7电缆双绞线抑制干扰的原理双绞线发射干扰：在被干扰线中所感应出的噪声电流，在各节之间是反向的，故相互抵消信号线信号回馈线信号回馈线信号线双绞线接收干扰：噪声电流产生的磁力线在相邻的各节间反相相反，故也相互抵消5.7电缆各种电缆的特点平行双线：串扰大，仅用于短距离强信号传输双绞线：可抑制串扰，成本低，抵抗低频磁场噪声能力强，高频损耗较大同轴电缆：能抑制电场和磁场干扰，高频损耗小，适合传送高速信号带屏蔽的平行双线：优于平行双线带屏蔽的双绞线：优于双绞线双重屏蔽的同轴电缆：抗干扰性和高速传输特性良好，成本高5.7电缆通信电缆的选用5.7电缆电缆接头的处理5.8终端反射的产生过程反射产生的原因线的传输延迟时间Tpd信号脉冲转换时间Ts（长线，高频）常用数字电路的Ts=3~18ns，对应的长线>25cm反射造成的后果信号波形产生畸变出现上冲、下冲、台阶、缺口等复杂波形抑制反射的方法尽量缩短布线长度尽量选用低速芯片实现传输线阻抗匹配（终端技术）5.8终端反射形成的干扰5.8终端无源匹配:电阻并联匹配:负载阻抗匹配，引入附加功耗串联匹配:源阻抗匹配，影响噪声容限和速度串并联匹配:负载与源阻抗同时匹配，上述问题兼而有之5.8终端无源匹配:阻容、二极管阻容匹配:无静态功耗，对速度有一定影响Thevenin匹配:用于减少并联匹配的功耗二极管匹配:适合多种特性阻抗差动输出/输入驱动器差动输出/输入驱动器＋匹配电阻施密特触发器＋RC滤波器5.8终端有源匹配5.9差分差动输