13/09/2021,hardwarebee
任何电子电路的主要目的是执行一个特定的函数。因此,一个设计师的主要目的是实现这个函数在最有效和安全的方式。然而,常常忽略的一个方面,是在早期的设计,这是一样重要的电路的主要功能,是电磁干扰。电磁场(EF)目前在空中可以耦合,从而导致噪音和故障。最重要的是,生成的EF设备将干扰周围的设备,特别是与高频电路的工作原理。因此,该设备应隔绝外部EF领域虽然不是干扰附近的设备。在这个意义上,两个量应该在早期设计:解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)。工程师应该考虑EMI、EMC不仅提高产品,也因为电子设备必须由监管机构批准和注册之前商业发布。
图1:辐射、电容和电感EMI和各自的真实情况
电磁干扰(EMI)是不必要的电磁能量,达到设备和故障原因。这种故障通常发生在噪声的形式,但其他问题也会发生,如通信错误在高频设备和测量仪表电子产品中的错误。一个经典的EMI信号是50/60赫兹信号(频率随国家)耦合的电线可以在仪器设备,特别是缺乏适当的过滤。
电磁干扰(EMI)存在于两种基本的方式:辐射发射和发射进行。辐射发射能量转移的发生在空气中,通过电磁波。这种辐射可以产生的AM和FM发射器,无线天线,蓝牙传播者,基本上任何电路操作在高频率,由于在PCB天线效应。进行电磁干扰传播通过电线和电缆,现有的电网中,地面线,金属住房等。
电磁兼容性(EMC)是一个量化的谐波之间的操作设备和周围的电磁场。即如何兼容的设备与其他设备的电磁干扰。而EMI只考虑干扰本身,EMC处理整个上下文的应用程序:多少钱我的设备影响和影响其他设备?
一个设备兼容特定的环境中,应该考虑两件事:设备产生的电磁干扰,外部电磁干扰和免疫力。处理辐射和传导干扰。例如,在医疗环境中存在一定程度的电磁干扰,如果新设备的电磁免疫力水平低于外部电磁干扰,设备将故障在这样的环境中,不会通过EMC认证。
图2:所有的辐射和传导EMI的来源,包括电感和电容耦合。
正如之前提到的,为了防止设备故障,并确保每一个环境提出一个可预测的电磁干扰水平,国家和国际标准定义电磁干扰和免疫力。在全球范围内,IEC(国际电工委员会)建立干扰和免疫力标准被许多国家所采用的新设备,如美国、日本、台湾和欧洲国家。然而,即使在这些国家,立法可能不同,所以开发人员必须检查的具体立法的目标市场。
验证应该满足什么标准和测试为一个特定的产品,设计师应该首先确定管理机构,负责设备类型。例如,美国生物医学产品由FDA(美国食品和药物管理局),和通讯设备是由FCC(联邦通信委员会)。这些机构定义的规定通过EMI / EMC测试设备必须满足。
其中一个最令人沮丧的情况下在设计是获得认证拒绝经过几个月的工作。EMI / EMC测试是昂贵的,所以失败的一个或多个测试可以显著增加项目的开发成本,除此之外的额外成本的变化产品的设计周期。因此,重要的是要确认如果你的设备符合EMI / EMC的规定在设计的早期阶段的目标市场。这里我们提出一些EMI屏蔽技巧来提高你的电子设备的电磁干扰发射和免疫,基于IEC法规和基本电磁理论。
能够吸收电磁波的金属片,当连接到地面。他们生成一个电流在金属板,然后被地面吸收连接。EMI能源被消耗的热量。如果一个盒子用金属做的,表是建立在一个设备,设备产生的电磁干扰和外部EMI相互隔绝。因此,包屏蔽能够增加一个设备的辐射电磁场的免疫力和排放。这就是显著改善设备的兼容性,并根据设计可能足以隔离辐射电磁场。该技术的主要优势是,它可以实现年底设计流程,可以节省设计如果设备本身不符合EMI / EMC的要求。然而,它通常是笨重,不防止EMI进行。
图3:包保护设备免受外部电磁干扰
电缆是连接两个问题其他问题,所以应该小心当为敏感EMI设计有线电视系统设备。因为它的形状,电缆可以作为天线耦合辐射电磁波的环境。另外,电感和电容耦合与附近会发生设备。
为了防止这种问题的一个方法是使用电缆屏蔽。原理是一样的包屏蔽:围绕主线接地金属箔。盾牌隔离主线从外部领域,增加免疫力和发射的电磁干扰。屏蔽线是典型,但敏感的信号(如在仪表系统)需要同轴电缆。屏蔽线和同轴电缆增加输电线路的电容,这可能降低高频信号。在这些情况下,三轴电缆可能是最好的选择,与一家中介机构相同的护盾,驱动电压为主线。在这种情况下,主线接地屏蔽隔离,消除了电容。
图4:屏蔽线、同轴电缆和三轴电缆
如果电缆太接近对方,外部电磁干扰耦合所产生的噪声将是相似的。因此,这两个之间的差分电压电缆走出这个EMI将减少近似的电缆。如果电缆是理想的近,电磁干扰耦合差动电压为零。因此,减少外部电磁干扰的影响的一种方法是扭转两个电缆和使用这些电缆之间的差分电压传输信息,而不是单端电压(引用到地面)。
这种技术提供了更多的优势:首先,在地上的EMI进行耦合路径将被淘汰,因为信号不再引用在地上。第二,电压依从性是翻了一倍,所以可以使用低电压设备和信噪比增加。最后,产生的辐射EMI b设备减少,因为每个电缆传输电流相反,取消发射领域。微分信号并不局限于电缆,可用于低电压具有类似特征的多氯联苯。一个重要的注意的是,必须尽可能密切和相同的路径,以避免不匹配。经典的标准之一是LVDS(低电压差分信号),在微分中实现低电压信号传输线路。微分信号的主要缺点是需要完全微分放大器和信号处理单元,从而增加复杂性和,因此,成本。
图5:微分信号的优点和双绞线
EMI进行传播不同设备之间通过电源线。电源线可以大量的电磁干扰,如果PSRR(电源抑制比)不够好,此干扰耦合到设备。最基本的方法来防止损坏敏感信号是实现一个电源线滤波器。线过滤器设备隔离的电力线路设备,只允许信号通过。通常实现微分滤波器,调在50/60 Hz(取决于电力系统)和共模滤波器,它只允许差动电流通过。共模滤波器由两个电感共享一个核心,称为EMI抑制。电感器都是连接在同一个方向,所以共模电流增加了通量的核心,作为一个高阻抗电感路径,和微分电流互相取消通量,作为一个低阻抗路径。电源线过滤器是基本防止电磁干扰,并能显著提高EMI / EMC合规的设备。
图6:一个商业力量衬垫过滤器
最后,在PCB级别,可以减少EMI适当的接地。为了避免传感器噪声、地面和权力的路径应该尽可能小。此外,它不应该形成循环。地面在高频循环系统基本上是天线,和发送EMI附近的设备。最有效的方法减少地面循环的机会是实现地面的飞机。地面的飞机是整个层接地铜表,允许电流通过最小的路径,减少噪音传感器和发射的机会。同样的飞机的PCB。这种技术的额外优势提供PCB EMI衬垫,吸收辐射之前到达信号层。因此,电力和地面层获得良好的EMI / EMC合规是必不可少的,而且应该实现只要是可能的。
图7:地平面双层印刷电路板和电源/地面层三层印刷电路板
EMI / EMC测试应该包括免疫测试,告诉多少设备受到外部字段,和排放测试,告诉多少设备产生电磁干扰。具体的测试,应该应用取决于测试设备的性质和法律负责的监管要求。医疗设备例如,FDA要求测试应该覆盖FDA审查指导文档,和欧洲联盟要求欧洲IEC 60601-1-2标准应满足。
测试可以检查EMC合规关于磁场,电力中断的波动,电-静电放电,电磁噪声,激增造成的闪电,高速开关信号,等。EMC测试实验室的工作是模拟所有这些极端条件下检查设备是否仍能正常工作。同时,应该测量他们发出的设备来验证是否符合EMI标准。只有在设备通过所有的测试,认证市场发布。