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中心板使用开发遇到电磁兼容问题怎么办?

一、电磁兼容性按照GJB 72A-2002《电磁干扰和电磁兼容性术语》的定义,电磁兼容性(Elect

一、电磁兼容性

依照GJB 72A-2002《电磁搅扰和电磁兼容性术语》的界说,电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC)是指“设备、分体系、体系在一同的电磁环境中能一同履行各自功用的共存状况。包含以下两个方面: 

1. 设备、分体系、体系在预订的电磁环境中运行时,可按规则的安全裕度完成规划的作业功用、且不因电磁搅扰而受损或发作不行承受的降级;

2. 设备、分体系、体系在预订的电磁环境中正常地作业且不会给环境(或其他设备)带来不行承受的电磁搅扰。

综上所述,EMC一般包含以下两个方面的要求:

1. 电磁搅扰(Electro Magnetic Interference,EMI),是指任何或许中止、阻止、乃至下降、限值无线电通讯或其他电气电子设备功用的传导或辐射的电磁能量。依据电磁能量的传递途径,可分为辐射搅扰和传导搅扰。常见的EMI实验项目如下:

表1 常见EMI实验项目

EMI实验项目

相应的实验规范

电源线及信号线传导打扰(CE)

CISPR 16, GB/T 6113

辐射打扰(RE)

谐波电流(Harmonic)

IEC61000-3-2, GB 17625.1

电压动摇和闪耀(Fluctuation and Flicker)

IEC61000-3-3, GB 17625.2

2. 电磁灵敏性(Electro Magnetic Susceptibility,EMS),是指设备、器材或体系因电磁搅扰或许导致作业功用降级的特性。常见的EMS实验项目如下:

表2 常见EMS实验项目

EMS测验项目

相应的实验规范

静电放电抗扰度(ESD)

IEC61000-4-2, GB/T17626.2

射频电磁场辐射抗扰度实验(RS)

IEC61000-4-3, GB/T17626.3

电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFT/B)

IEC61000-4-4, GB/T17626.4

雷击(浪涌)抗扰度(SURGE)

IEC61000-4-5, GB/T17626.5

射频感应场传导抗扰度(CS)

IEC61000-4-6 , GB/T17626.6

工频磁场抗扰度(PFM)

IEC61000-4-8, GB/T17626.8

电压下跌与中止(DIP)

IEC61000-4-11, GB/T17626.11

二、常见的电磁兼容性问题

内嵌中心板的产品,常见的电磁兼容性问题如下:

表3 内嵌中心板产品的常见EMC问题

电磁兼容性实验项目

常见的EMC问题

电源线及信号线传导打扰(CE)

电源线或信号线的传导打扰呈现超支

辐射打扰(RE)

整机辐射打扰呈现超支

静电放电抗扰度(ESD)

体系呈现死机、复位,液晶显示闪耀或花屏,通讯数据过错或中止,丈量数据跳变或过错,按键及LED指示灯误动作

电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFT/B)

射频感应场传导抗扰度(CS)

雷击(浪涌)抗扰度(SURGE)

电源接口损坏短路,通讯数据过错、中止或通讯接口损坏

三、电磁兼容性问题的处理

关于电磁兼容问题,就发作机理而言,离不开搅扰源、传达途径和灵敏源 这三个方面,无论是EMI电磁搅扰问题仍是EMS电磁抗扰问题,捉住这三个方面进行剖析,望闻问切,再辅以针对性的有用办法,即可手到病除。电磁兼容问题的确诊及整改,可以分为三大过程:问题现象及描绘、剖析及根因定位、整改及作用验证。

image.png 

下面就以某类型内嵌中心板产品的EMI辐射超支作为事例,对上述三个过程进行阐明,而关于EMS电磁抗扰问题的确诊及整改,也是可触类旁通,咱们可触类旁通。

1. 问题现象及描绘(过程1)

关于EMI电磁搅扰问题,要点捉住4个方面进行描绘:

●   依据的实验规范;

●   超支的频点或频段;

●   超出规范限值多少;

●   实验时产品的作业状况和装备。

关于EMS电磁抗扰问题,捉住以下4个方面进行描绘:

●   依据的实验规范;

●   产品反常时的实验等级;

●   产品的反常现象,及其相应的搅扰方位;

●   实验时产品的作业状况和装备。

无论是EMI电磁搅扰仍是EMS电磁抗扰问题,这儿都特别强调关于产品作业状况和现场实验装备的切当描绘。所有这些描绘,必须客观实在,描绘得越清楚和详尽,对后边的问题剖析和根因定位就越有协助。产品作业状况,触及比方电源输出是否满载,详细产品中有哪些通讯、体系内部框图等;现场的实验装备,触及比方选用直流仍是沟通供电,是否外接适配器,是否有衔接外部通讯线缆,线缆的长度,接地状况,产品实验时的体系框图等。

2. 剖析及根因定位(过程2)

关于EMC问题剖析和根因定位,就类似于查案相同,抽丝剥茧,根究本相。下面别离关于EMI和EMS的问题剖析及根因定位给出一些办法。

image.png

关于EMI电磁搅扰问题的定位,全体思路是:化整为零,逐渐迫临。一般有以下两种办法:

1)排除法:若产品为一个杂乱的体系,就可以选用化整为零,逐渐迫临的办法,比方将产品的各个部分逐个封闭或撤消(比方将液晶显示屏及排线拔掉、将外部通讯线缆拔掉、将原有的开关电源适配器选用线性稳压电源或电池供电、用软件屏蔽某些信号源的输出等),仅保存最小体系作业,先看看最小体系是否可以满意EMI规范的限值要求。假如最小体系的EMI没有问题,咱们再逐个翻开或康复去掉的部分,比照前后实验成果的差异,以便定位EMI的首要源头或途径。

杂乱产品或体系的EMI问题剖析及定位,一般适宜在电波暗室(企业自建,或许找其他企业或第三方组织租借)中进行,可以一边剖析定位,一边进行整改及作用验证。

2)近场扫描法:假如企业没有自建电波暗室,也不方便租借电波暗室,可以选用近场扫描的办法,需求用到频谱剖析仪(或许带频谱剖析功用的示波器)和近场探头号附件。 

经过对产品全体或部分进行辐射电磁场的近场扫描,可以开始确认危险较大的区域或方位,乃至直接定位到EMI搅扰的首要源头。施行针对性的整改后,再次进行近场扫描,并进行整改前后的成果比照,假如整改后有较为显着的改进(比方超支频点的幅值下降许多或许简直消除),咱们就可以去电波暗室做进一步的丈量验证。

关于近场扫描,这儿需求说清楚几点:

——近场扫描归于定性丈量,经过监测产品辐射的频点以及近场电磁场强巨细来开始判别产品的辐射打扰水平,但这并不能同等或代替电波暗室关于产品辐射打扰的定量丈量。

——近场扫描对产品辐射打扰的丈量区域远小于电波暗室,形象一点比方,近场扫描是“井蛙之见”,电波暗室则是“纵观大局,明察秋毫”。

——总归,近场扫描的成果仅供参阅,电波暗室的丈量成果才是客观事实,不行相提并论,愈加不行以两者相提并论。

如上所述,排除法适用于辐射打扰和传导打扰的定位,而近场扫描法一般仅适用于辐射打扰的定位,在实践EMI问题的剖析定位中,咱们也可以两种办法结合运用。

内嵌中心板产品的常见EMI搅扰源,如下4所示。

表4 内嵌中心板产品的常见EMI搅扰源

EMI搅扰源

反常体现

DC-DC电源电路

在其开关频率点呈现差模搅扰超支,或许高频段共模搅扰超支

液晶驱动电路

液晶时钟及数据的基频及倍频辐射打扰超支

以太网通讯电路

以太网通讯时钟等信号的基频及倍频辐射打扰超支

有源晶振电路

时钟信号频率的基频及倍频呈现辐射打扰超支

高速数字信号电路

高速通讯数据频率的基频及倍频呈现辐射打扰超支

关于EMS电磁抗扰问题的定位,首要是寻觅产品或体系中对电磁搅扰较为灵敏的部件或电路,全体思路是:由外至内,寻根溯源。

在进行电磁搅扰灵敏源的定位时,咱们也可以选用排除法,化整为零,从整机到部件,由外至内,再从部件到电路,逐渐迫临,寻根溯源,直至找到终究的灵敏方位。

内嵌中心板产品中常见的EMS灵敏源,如下表5所示。

表5 内嵌中心板产品的常见EMS灵敏源

EMS灵敏源

反常体现

复位电路

体系或功用电路呈现复位现象

时钟电路

体系呈现死机现象或功用电路停止作业

液晶显示电路

液晶显示呈现闪耀、白屏或花屏现象

AD采样电路

丈量采样数据呈现过错或许中止采样

接口通讯电路

通讯数据呈现过错、丢帧或中止

输入信号电路

体系或功用电路呈现误动作

除了上述的“搅扰源”和“灵敏源”,咱们在进行EMC问题剖析时还需求特别注意“传达途径”的影响。电磁搅扰的“传达途径”一般分为辐射和传导两种,而“电缆”(包含互联接口线缆、电源线缆,以及PCB上的电源及信号走线等)则是电磁搅扰传达途径的物理前言,依据相关计算,将近90%的EMC问题是由电缆形成的,电缆是高效的电磁波接纳天线和发射天线,一起也是电磁搅扰传导的杰出通道。

3. 整改及作用验证(过程3)

对产品EMC问题的整改,一般有“屏蔽”、“滤波”、“接地”这三大办法,信任应该大部分用户现已开始了解过,也可以自行查阅相关书本或网络文献。这儿咱们首要就产品EMC整改过程中一些比较简单疏忽的点进行介绍。

“屏蔽”,是针对辐射电磁搅扰进行整改的首要办法,一般针对产品的电缆、结构及孔缝进行屏蔽。要特别注意的是,屏蔽办法一定要合作接地办法来运用,不然作用折半或毫无作用;别的,施行屏蔽办法时要做到360度的闭合搭接,不留孔缝或许等效的棒状天线。

“滤波”,是针对传导电磁搅扰进行整改的首要办法,一般需求在产品及其电路上额定添加滤波器材,比方共模电感、差模电感、电容、磁珠及电阻等。一般分为引导型和耗费型两种滤波办法,引导型“滤波”办法(如电容滤波)需求合作“接地”运用。需求特别注意的是,滤波办法尽量接近搅扰源或灵敏源放置,防止“滤波”办法的作用大打折扣。

“接地”是“屏蔽”和“滤波”两大办法中电磁搅扰的有用引导途径。接地的办法有许多种,比方单点接地、多点接地、电容接地、阻容接地、电感接地、磁珠接地、电阻接地等,实践的产品或体系中,适宜采纳哪种接地办法,需求看归于哪个类型的地(如大地、安全地、数字地、模仿地、功率地等),一个接地办法,一个地的类型,得搞清楚两个问题,才干防止接错“地”的状况,总结起来便是“接地办法决定于接地意图”。

如上所述的“屏蔽”和“滤波”都是从硬件方面进行整改,从更广义的视点,“屏蔽”和“滤波”也是可以经过软件办法来完成的。这儿罗列一些软件上“屏蔽”和“滤波”的整改办法供咱们参阅,在实践应该用中,可以触类旁通。

表6 软件EMC整改办法

软件整改办法

办法及意图

设置不运用的I/O口作为输出口

设置I/O方向寄存器,屏蔽不运用的I/O口,防止耦合到EMS搅扰输入,从而导致体系误动作

对按键输入信号或凹凸电平信号作软件滤波处理

对输入信号作防抖处理(即二次电平判别),除掉瞬态的搅扰信号,防止体系呈现误动作

对AD采样数据作软件滤波处理

对AD采样数据做数字滤波(如平均值滤波、中值滤波、限幅滤波等),削减搅扰对丈量成果的影响

对通讯数据进行软件校验处理

对通讯数据选用奇偶校验、CRC校验等办法,除掉搅扰对通讯数据的晦气影响,防止通讯犯错

四、中心板使用的的注意事项

以上是产品呈现EMC问题后的整改办法和大体思路,那么在使用中心板进行产品开发时怎么防止EMC问题呢?接下来,咱们看看有哪些注意事项。

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1. 电源电路的EMC规划

电源接口是产品EMC实验必做的接口之一,包含EMI电磁搅扰和EMS电磁打扰两个方面。内嵌中心板的产品在电源接口规划时,要注意如下几个方面:

1) 在产品底板电源电路接近电源接口处添加TVS二极管防护,以便按捺浪涌搅扰。需求结合供电电压挑选适宜标准的TVS二极管。

2) 假如选用DC/DC(一般放置在底板)作为中心板的直流供电,主张在DC/DC输入添加EMI滤波电路,以便下降产品呈现传导打扰和辐射打扰超支的概率。

3) 假如中心板有多个电源供电引脚,底板上这些电源信号接近中心板处添加滤波电容。选用比方10uF、0.1uF、1nF等不同容值的贴片电容并联,以便进行宽频滤波。

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2. 接口电路的EMC规划

中心板的接口电路经过板对板衔接器(或邮票孔)扩展到底板,有的乃至成为产品整机的输入输出接口,比方按键、LED指示、SPI、I2C、串口、LCD、Ethernet等,假如这些接口电路没有做EMC规划或是EMC规划不合理,一方面外界电磁搅扰经由接口及接口电路传导到中心板,轻则引起误动作,重则损坏中心板,另一方面中心板和底板的电磁搅扰会以传导或辐射的办法对外发射电磁搅扰,导致产品整机的EMI测验超支。

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内嵌中心板的产品在接口电路规划时,有如下几个注意事项:

1) 若产品输入信号为凹凸电平信号(如按键、复位、开关量等),且信号在底板上的走线较长时,应在底板上接近中心板I/O输入邻近添加RC滤波;

2) 若产品输入信号为高速数字信号(如时钟、SPI、I2C、AD采样信号等),应该更多地从PCB布局及布线上去考虑,保证底板上的高速信号走线尽量短,尽量少过孔,可在信号走线上恰当添加ESD等防护器材,但不宜有过大的寄生电容或滤波电容,防止影响高速信号的质量;

3) 关于从中心板扩展到底板的凹凸电平输出信号,更多的是从抗电磁搅扰的视点考虑,在底板上的信号走线尽量短,也可恰当添加ESD等防护器材;

4) 关于从中心板扩展到底板的高速数字信号(如SPI、I2C、串口、以太网及LCD接口)输出,更多是从EMI的视点去考虑,可以在这些高速数字信号上恰当添加匹配电阻或RC滤波电路,一起高速信号在底板的走线也要尽量短并少过孔。

5) 关于有较多数据线和时钟线的输出接口(比方LCD接口),可在信号线中串入排阻,并在底板大将排阻接近中心板放置,从源头上削减EMI的发射能量,一起也可以选用多层板规划,高速信号和时钟走线尽量在PCB内层走线,对LCD的时钟线进行包地处理,削减信号环路面积,进一步削减EMI搅扰。

3. 中心板在底板的布局及装置

除了供电和接口电路的优化规划,中心板在底板上的布局或是装置办法不合理,也会简单引起EMC问题。中心板在底板布局和装置方面,有如下注意事项:

1) 中心板尽量布局在底板的中心区域,防止放置在底板边缘或接近底板的外围接口,这样可以减小外界电磁搅扰关于中心板的晦气影响;

2) 假如中心板有定位孔(与GND衔接)和板对板衔接器,咱们主张在底板上预留与中心板对应的定位孔(也与GND衔接),将中心板经过衔接器装置到底板后,一起在中心板和底板的定位孔装置上铜柱,用螺丝锁紧,既能减震,也能保证整个中心板有杰出的接地,且坚持较低的接地阻抗。

3) 在产品内部结构规划或装置时,接口线缆不能直接放置在中心板的上方,或穿过中心板和底板之间的缝隙,或紧挨着中心板,以便可以尽量防止中心板将搅扰耦合到接口线缆上,或外界搅扰经过接口线缆耦合到中心板上。

篇幅所限,以上仅对内嵌中心板的整机产品EMC问题剖析及处理做了概要性的介绍,供用户参阅和学习。咱们也可认为用户供给EMC规划或整改的技术服务,助力用户产品尽早达到预订的电磁兼容功用指标。

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