電子設(shè)備中基于接地與屏蔽的電磁兼容性設(shè)計

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，電子系統(tǒng)的集成度越來越高，但是在復(fù)雜電磁環(huán)境下，電子系統(tǒng)對電磁干擾有明顯的敏感性和脆弱性。為了減少故障并杜絕事故的發(fā)生，必須對電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計。只要電子電氣設(shè)備通電就會產(chǎn)生電磁場，電生磁，磁生電，因此電磁環(huán)境是非常復(fù)雜的，一方面要求使用電子設(shè)備時對周圍的電磁環(huán)境不造成污染，另一方面也要求該電子設(shè)備在現(xiàn)實電磁環(huán)境應(yīng)用中不至于性能下降或發(fā)生故障以致產(chǎn)生嚴(yán)重事故。因此必須對電子設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行研究，對電磁導(dǎo)致的干擾進(jìn)行控制與防護(hù)[1-2]。基于電磁兼容性設(shè)計的重要性，以下對相關(guān)問題作某些探討。

1 常見的電磁干擾現(xiàn)象及其分析

電磁及其感應(yīng)現(xiàn)象是普遍存在的，因此電子系統(tǒng)的電磁工作環(huán)境是非常復(fù)雜的。從工程應(yīng)用角度，電磁干擾按工作頻率的不同可將其進(jìn)行分類。例如，一般電網(wǎng)中普遍存在諧波信號電壓波動、電網(wǎng)頻率變化與低頻感應(yīng)電壓、電網(wǎng)電壓不平衡、電網(wǎng)供電波動短暫下降與短時間中斷等導(dǎo)致的低頻傳導(dǎo)干擾，磁場與電場的低頻輻射干擾;由于感應(yīng)連續(xù)波電壓電流的振蕩瞬變與單向瞬變引起的高頻傳導(dǎo)干擾，電磁場(連續(xù)波、瞬態(tài))與磁場、電場導(dǎo)致的高頻輻射干擾;由于材料的絕緣性能導(dǎo)致的靜電放電干擾等。上述提及的干擾包含了工程應(yīng)用中絕大多數(shù)的電磁干擾現(xiàn)象。

在對電子系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾性能分析時，必須對導(dǎo)致系統(tǒng)的固有特性及其應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行綜合分析。電子電路系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電磁干擾類型有：例如，由于存在電路回路的公共阻抗耦合，因而導(dǎo)致電路性的相互干擾;由于干擾源與干擾對象之間存在著變化的電場，通過電容耦合可能形成電容性干擾，因其會產(chǎn)生干擾電壓; 空間電磁波的電、磁場強(qiáng)度變化，可能產(chǎn)生感電勢導(dǎo)致的傳導(dǎo)電流和傳導(dǎo)電壓的干擾;在交變磁場干擾源中，電流變化可能導(dǎo)致在電感性元件上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，因而產(chǎn)生電感性干擾等等。

2 電磁兼容性及其設(shè)計機(jī)理

2.1 電磁兼容性

隨著電氣及電子設(shè)備在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)備聯(lián)接越來越復(fù)雜，功率越來越大，數(shù)量急劇增加，對設(shè)備要求也越來越高，頻帶日益加寬，設(shè)備靈敏度更高， 因此電磁兼容性問題變得更加重要。電磁兼容(EMC，ElectromagneticCompatibility)的涵義是指處于電磁環(huán)境中的電子系統(tǒng)， 任何其他事物都不可能對它構(gòu)成不能承受的電磁干擾能力，且設(shè)備或系統(tǒng)都能夠正常地工作。電磁兼容技術(shù)涉及通信、計算機(jī)、電子、生產(chǎn)、軍事以及生活的各個方面，是一門正在迅速發(fā)展的交叉學(xué)科。電磁兼容是研究在有限空間、有限時間與有限頻譜資源條件下，不同設(shè)備相互之間可以共存而不致相互影響的科學(xué)。由上述電磁兼容定義可知，電磁兼容的涵義包括：設(shè)備對周圍其他設(shè)備不產(chǎn)生不能承受的干擾，其本身也不受其他設(shè)備干擾的影響。電磁兼容性研究涉及多個方面，首先是對電磁干擾源自身特性的研究;其次，電磁發(fā)射強(qiáng)度、干擾機(jī)理與電磁干擾抑制方法以及電磁干擾的時頻域特性等方面的研究，第三，特別值得注意的是設(shè)備自身抗電磁干擾性能的研究;最后，如何評價電磁輻射與傳導(dǎo)特性等電磁兼容性，采用什么設(shè)備與測量方法對電磁干擾進(jìn)行測量，如何處理測量數(shù)據(jù)與測量結(jié)果。從更大范圍考慮，它還涵蓋了系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的電磁兼容性。電磁兼容性研究內(nèi)容包括自然及人為電磁干擾源，如閃電現(xiàn)象與靜電放電就是自然電磁干擾源，干擾源的測量包括開闊場地、輻射、傳導(dǎo)與脈沖干擾的測量(電浪涌、快速瞬變脈沖群與靜電放電)，在實現(xiàn)電磁兼容性的技術(shù)方面有屏蔽、接地、綁接與濾波等，也包括采用特殊設(shè)計技術(shù)以抑制電磁干擾。

2.2 抗電磁干擾設(shè)計機(jī)理

要構(gòu)成電磁干擾必須同時具備三個條件：其一，必須有干擾源存在，沒有干擾源存在，顯然不可能對設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾;其二，有傳播電磁干擾的通道存在，否則不可能形成對設(shè)備的電磁干擾;其三，設(shè)備要能夠接受到干擾信號，并直接影響到設(shè)備的正常工作，因此即使設(shè)備接受到了干擾，如果采取技術(shù)措施可消除其對設(shè)備的干擾。例如，一個魯棒性很強(qiáng)的設(shè)備，是不會受到電磁干擾影響的。抗電磁干擾設(shè)計機(jī)理就是要采取電磁兼容性設(shè)計，使上述三個條件不同時具備，以達(dá)到提高設(shè)備抗電磁干擾的目的。

以電子設(shè)備抗干擾設(shè)計為例，因為設(shè)備中高頻干擾特別突出，首先是對設(shè)備發(fā)射的射頻能量進(jìn)行控制，使其盡可能地小以免干擾其它設(shè)備，其次，為了設(shè)備不受到外界干擾，必須盡量減小進(jìn)入該設(shè)備的射頻能量。電磁干擾可以借助輻射或者傳導(dǎo)傳輸兩種方式實現(xiàn)，如干擾源能量直接輻射到控制線、信號線與電源線進(jìn)入設(shè)備后，可通過公共信號、控制電纜或公共電源線等耦合途徑直接干擾設(shè)備的正常工作。因此，可在設(shè)備端口或敏感回路，采用共模或差?？垢蓴_措施，最大限度地減少對其影響，降低輻射與傳導(dǎo)的能量，提高設(shè)備的抗干擾性能，其抗電磁干擾設(shè)計機(jī)理就是杜絕同時滿足上述的三個必備條件[3-4]。基于此，其抗電磁干擾設(shè)計的技術(shù)措施可以是各種各樣的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，可采取的技術(shù)措施會越來越豐富，以保證設(shè)備設(shè)計的電磁兼容性。

3 抗干擾設(shè)計策略

抗電磁干擾設(shè)計就是在復(fù)雜電磁頻譜環(huán)境下，采用綜合技術(shù)措施以保障電子設(shè)備正確發(fā)揮效能。按照抗電磁干擾設(shè)計機(jī)理，首先是抑制干擾源以防范電磁干擾; 其次是采取防電磁干擾措施，以阻斷干擾傳播途徑;最后，是降低電子設(shè)備對干擾的敏感度，或者提高電子設(shè)備的魯棒性性能，以預(yù)防與抑制電磁干擾。針對電子系統(tǒng)的電纜接插件、印制板布局、信號布置，抑制干擾布線、元器件、濾波器、接地與旁路等環(huán)節(jié)可能引入的電磁干擾信號，可采用隔離、電路阻抗控制、濾波、解耦、密封、接地、屏蔽、正確布線等抗電磁干擾措施。

3.1 PCB版的合理布局與布線設(shè)計

在電路布局方面，電源、模擬與數(shù)字電路的元件布局和布線是不同的，在元件布局時應(yīng)將其分別放置，應(yīng)將高、低頻電路分開，盡可能將其各自隔離，注意信號傳輸方向、途徑以及強(qiáng)、弱信號的器件分布相互之間不要產(chǎn)生干擾。對于容易產(chǎn)生噪聲干擾的電路，如時鐘發(fā)生器、晶振與CPU 時鐘等的輸入端等，應(yīng)當(dāng)相互盡可能地靠近些，以便于合理布局整個PCB版，減少干擾源。強(qiáng)弱電流不同的電路與易產(chǎn)生噪聲的器件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離邏輯電路。最大限度地減少信號通路與電路元件布局中無用信號的相互耦合。為避免模擬、數(shù)字電路產(chǎn)生公共阻抗耦合，將低電平的模擬與數(shù)字電路分開，并且遠(yuǎn)離無濾波的電源和高電平信號線;在PCB版布局上，應(yīng)將不同的高、中、低速邏輯電路分別布局于不同的區(qū)域，確保同層相鄰布線、同板相鄰層、相鄰板之間的平行信號線盡可能長度最小;EMI濾波器放置于同一線路板并盡可能靠近EMI源;整流器、DC/DC變換器與開關(guān)元件與變壓器的放置位置應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近以縮短導(dǎo)線長度。濾波電容器、調(diào)壓元件與整流二極管的放置位置也應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近，以減少對外部的干擾;噪聲與非噪聲元件盡量遠(yuǎn)離，將印刷電路板按電流開關(guān)特性與頻率分區(qū)， 杜絕大電流、高速開關(guān)線與噪聲敏感布線相互平行。