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EMC设计概述

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hunter4051
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LV8
副总工程师
  • 2022-2-18 17:33:56


引 言

大家可能常常会遇到这种情况,产品完成了功能开发、功能验证,但换个环境就不能工作了。还有的产品在实验室可以正常工作,到了客户的环境,可能会遇到按键失灵,或是其它莫名其妙的问题。
这种情况常常是遇到了EMC兼容性的问题,EMC是电磁兼容性的缩写(Electromagnetic Compatibility)。通过实验室中的EMC测试,可以提前发现一些潜在的问题,避免产品在用户端发生问题,因此EMC测试是电子产品开发过程中,不可或缺的重要环节。下表是一些常见的EMC测试标准。注意,不同的和地区对EMC也有不同的测试标准,但不同之处只是一些细化的要求,实验室测试都是按照下面标准来的。
EMC测试标准描述
IEC61000-4-4(EFT)快速瞬变脉冲群测试
IEC61000-4-5(Surge)浪涌测试
IEC61000-4-2(ESD)空气放电测试
直接接触放电
间接接触放电
备注:30~35%RH
IEC61000-4-6注入电流测试
CISPR发射传导测试(CE)
发射辐射测试(RE)
IEC61000-4-3射频电磁场抗扰度测试(RS)
00.jpg

EMC分类

电磁兼容性(EMC)可以简单的分为两类,一类是EMS(电磁抗扰),另一类是EMI(电磁辐射),比较通俗的来讲,EMS是被其它干扰,EMI是干扰其它。

在某些角度看,他们的影响是相互制约的。比如说为了提高抗干扰能力,可以通过提高信号的驱动能力,提高信号电平来改善,但是可能会导致辐射增加,从而造成EMI问题。
而从另一个角度看,他们又是相互促进的,比如说改善信号环路,如果信号环路变大,就容易造成信号辐射,造成EMI问题,同时也容易耦合外部噪声,造成EMS事件,所以减少信号环路,可以同时改善EMS和EMI性能。
所以在实际的问题上面要具体问题具体分析,针对不同的情况,采用合适的方案,下面简单介绍影响EMC的一些主要因素。



影响EMS的主要因素

影响EMS的因素有很多,比如说板子的布线,器件的布局不合理,地平面不够完整,地线的阻抗比较大,还有高速信号的接口电路带来的影响,下面从几个主要方向简单概述。
  • 元器件的选择
元件的选择和电路设计是影响板级电磁兼容性性能的主要因素。每一种电子元件都有它各自的特性,因此,要求在设计时必须仔细考虑。
下面以电容为例简要说明,为得到最好的EMC特性,要求电容具有低的ESR(EquivalentSeries Resistance,等效串联电阻)值是很重要的,因为它会对信号造成大的衰减,特别是在应用频率接近电容谐振频率的场合。
电容的谐振频率如下表所示:
电容值通孔插装
(0.25引线)
表面贴装
(0805)
1.0μF2.5MHz5MHz
0.1μF8MHz16MHz
0.01μF25MHz50MHz
1000pF80MHz160MHz
100pF250MHz500MHz
10pF800MHz1.6GHz
另一个影响电容的因素是绝缘材料(电介质)。
去耦电容的制造中常使用钡钛酸盐陶瓷(Z5U)和锶钛酸盐(NPO)这两种材料。Z5U具有较大的介电常数,频率在1MHz到20MHz之间。NPO具有较低的介电常数,但谐振频率较高(大于10MHz)。因此Z5U更适合用作低频去耦,而NPO用作50MHz以上频率的去耦。
常用的做法是将两个去耦电容并联。这样可以在更宽的频谱分布范围内,降低电源网络产生的开关噪声。多个去耦电容的并联能提供6dB增益,以抑制有源器件开关造成的射频电流。
0.jpg
除去电容之外,其他的比如电感,二极管或者其它器件的选择,也会造成EMC性能的差异,在电路设计和器件选择中,要根据不同的功能应用来考虑器件的影响。
  • 电容的摆放
有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。
所以推荐在靠近每个IC的电源输入管脚,放置去耦电容来减少高频噪声。
请注意保持电流先流过电容,然后到IC的管脚,这样才能达到最好的去耦效果。
  • 敏感信号的防护
对一些敏感的信号,比如说复位信号,时钟信号(crystal)容易受到干扰,不恰当的走线或者设计可能导致EMC问题发生。
比如复位信号,尽量减少信号的走线长度,并且靠近微控制器管脚增加RC电路,去耦电容要靠近MCU管脚,一般的常见电路如下:
1.jpg
对于晶振电路,走线要尽量短,并且用地线包络。下面是一个布线的例子。
1111.jpg
  • 环路的影响
环路包括电源环路和信号环路,环路越大,越容易接收噪声,受到干扰。
从电源来说,如果电源和地线的环路面积比较大,就比较容易接收噪声,造成地线的扰动,同样的,信号线也要有最小的环路,这样才不至于引入外界的噪声。
如下图所示,如果按照原来的地线连接,就会形成比较大的环路,按照建议的地线连接,就可以很好的减小环路,减少噪声的影响。
11.jpg
  • 放电路径
分析静电或者噪声信号的回流路径,可以很快的定位出问题,并且有针对性的采取措施。
在设计中应该尽量避免回流路径经过敏感信号,比如说微控制器,模拟信号等等。
对于USB外壳和板子地的连接,推荐通过一个RC或者是磁珠,把USB的外壳和板子的地连接起来,但是不同的布线会产生不同的结果,如下图所示,当USB外壳上产生静电,或者是通过静电*在USB外壳上进行接触放电时,正确的地分割可以避免放电路径经过微控制器(红线部分),这样就可以避免静电放电到USB外壳对微控制器的影响,从而通过电源(电容)泄放掉。

22.png

影响EMI的主要因素

产生EMI的问题,主要是高频信号的环流路径太大,或者是阻抗变大,形成天线效应,谐波就容易发射出去,对其他产品造成干扰。
如果在测试中发现产品的谐波超出设定的要求,首先可以根据谐波的频率找出干扰源的基波信号,然后有针对性的通过下面的方法来减少谐波的泄露。
  • 干扰源(基频)一般来自于高速的时钟信号,检查对应的时钟/数据信号环路面积,保持尽量小。
  • 可以选择在干扰源(基频)串接电阻,减少反射,或者并联电容来降低信号斜率。
  • 电源地平面分割不合理造成的。改善信号/电源地,推荐保持完整的地平面。
  • 如果辐射源距离接口太近,尽量远离并且用地线和接口隔离。
  • 如果辐射源时钟支持展频,使能展频可以减少谐波造成的影响。



结 束 语


以上简单介绍了一些通用的EMC的情况,详细的请参考下面的应用笔记:https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN13202.pdf


wzy616611
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LV8
副总工程师
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  • 2022-2-20 11:19:09
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这是好文啊,有没有一些器件选型参考的文章推荐,对于EMC测试快捷点
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