电路设计中如何考虑电磁兼容性

电路设计中如何考虑电磁兼容性

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2409_87378937/article/details/144742022

电磁兼容性（EMC）是确保电子设备在复杂电磁环境中稳定运行的关键技术。本文从基础知识、测试方法、设计考虑等多个维度，全面介绍了电路设计中EMC问题的解决方案，对于从事电路设计的工程师具有重要参考价值。

电磁兼容性（EMC）基础知识

1. 电磁干扰（EMI）：指由于设备在运行过程中产生的电磁能量，造成其他电子设备异常工作的现象。EMI 可以通过传导或辐射的方式传播。
2. 电磁敏感性（EMS）：设备在特定电磁环境下保持正常工作的能力。如果设备易受到 EMI 影响，则说明其 EMS 不足。
3. 传导干扰：通过电源线或信号线传播的电磁干扰。
4. 辐射干扰：通过空间以电磁波形式传播的干扰。

EMI测试方法

1. 辐射干扰：辐射干扰可以通过频谱仪加近场探头的方式进行测量；
   
2. 传导干扰：搭配隔离变压器、人工电源网络、频谱仪共同测试。

EMC 问题的典型来源

1. 开关电源和时钟电路：开关电源和时钟电路是常见的高频噪声源。它们的开关动作会产生大量的谐波，容易引起辐射干扰。
2. 高速数字接口：高速数据传输接口，如 USB、HDMI 等，会产生高频噪声，这种噪声可能通过传导和辐射两种方式传播。
3. PCB布局和走线：不合理的 PCB 布局和走线会引起不必要的寄生电容和寄生电感，导致 EMI 和 EMS 问题。
4. 接地问题：接地不良或者多点接地会引起参考电位的波动，影响电路的稳定性和抗干扰能力。
5. 屏蔽不足：电子设备内部和外部电路之间缺乏有效的屏蔽措施，也会导致电磁干扰。

EMC 设计考虑

1. 合理的元件选择：

• 低 EMI 元件： 选择具有低 EMI 特性的元件，如低噪声放大器、滤波器等。
• 屏蔽元件： 对于敏感电路，可以使用带有屏蔽罩的元件，以减少电磁干扰的影响。

2. 优化 PCB 布局和走线：

• 分区布局： 将高频电路和低频电路分区布局，减少相互影响。高噪声电路和敏感电路尽量远离。
• 走线优化： 关键信号线应尽量短和直，避免形成大的回路面积。高速信号线应采用差分走线，以减少共模干扰。
• 铺铜处理： 在 PCB 的关键区域铺设大面积的接地铜箔，以提供一个良好的低阻抗地平面。

3. 滤波和去耦：

• 滤波电路： 在电源输入端和关键节点添加滤波电路，如 LC 滤波器、铁氧体磁珠等，可以有效抑制高频噪声。
• 去耦电容： 在每个 IC 的电源引脚附近放置去耦电容，通常选择 0.1µF 和 100nF 的电容组合来过滤不同频段的噪声。

4. 接地设计：

• 单点接地： 在低频电路中，尽量采用单点接地，以防止地环路干扰。
• 多层板接地： 在多层 PCB 中，确保至少有一层完整的地平面，以提供良好的 EMI 抑制效果。

5. 屏蔽措施：

• 金属屏蔽盒： 使用金属屏蔽盒包裹高频电路，防止其对外部产生电磁辐射。
• 屏蔽电缆： 对于长距离传输的关键信号，可以使用屏蔽电缆以减少外界干扰。

6. 时序控制和同步：

• 同步时钟： 尽量使用同步时钟以减少不同电路块之间的相位差异，降低电磁干扰。
• 斜率控制： 控制高速开关信号的上升和下降时间，避免尖锐的边沿产生高频噪声。

7. 热设计：

• 散热管理： 高温会增加元件的工作噪声，合理的散热设计不仅能延长元器件的寿命，还能降低电路的噪声水平。

8. 软件设计：

• 抗干扰编程： 在软件设计时，采取抗干扰编程技术，如滤波算法、冗余校验等，以增强系统的鲁棒性。
• 看门狗定时器： 使用看门狗定时器以监控程序运行状态，当出现异常时可以进行自动复位，确保系统稳定性。

EMC 测试方案

1. 近场测试：使用近场探头和频谱仪，对电路板上的各个区域进行扫描，识别潜在的干扰源。近场测试主要用于定位问题区域，为后续整改提供依据。
2. 传导测试：使用网络分析仪和传导测试装置，对电源线和信号线上的传导干扰进行测量。这类测试一般在实验室环境下进行，评估设备是否符合相关标准（如 CISPR 22、FCC Part 15）。
3. 辐射测试：在开放区域测试场（Open Area Test Site, OATS）或屏蔽室内，使用天线和频谱仪对设备的辐射干扰进行测量。辐射测试的结果直接与设备的实际运行环境相关，为设备设计提供重要的数据支持。
4. 瞬态响应测试：使用示波器观察电路对突变信号的响应情况，评估系统的抗干扰能力。瞬态响应测试能够揭示设备在电磁脉冲（如 ESD、雷击）下的表现。
5. 模拟和仿真：在设计阶段，通过电磁仿真工具（如 ANSYS HFSS、CST Studio Suite）进行电磁兼容性分析，提前发现和解决问题。仿真可以节省大量的开发时间和成本。

整改和优化

1. 重新布线：根据测试结果，调整 PCB 布局和走线，缩小回路面积，优化地平面设计。
2. 增加滤波器：在干扰源和敏感电路之间增加滤波器，以有效抑制噪声传播。
3. 完善屏蔽措施：针对高频噪声，进一步加强屏蔽盒和屏蔽电缆的应用。
4. 改进接地系统：优化地平面设计，确保低阻抗接地，避免地环路干扰。
5. 使用更优质的元件：更换具有更好 EMI 性能的元件，如低噪声运放、高品质电容等。

总结

在电路设计中考虑电磁兼容性问题，是确保电子设备在复杂电磁环境下稳定运行的关键。通过选择合适的元件、优化 PCB 布局和走线、合理的接地设计、有效的滤波和屏蔽措施，以及严格的 EMC 测试与整改，可以显著提高设备的电磁兼容性能。随着科技的发展和电子设备的普及，电磁兼容性问题将变得越来越重要，只有不断积累经验和学习新技术，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。