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安規和EMC知識詳解

嘉峪檢測網        2019-10-29 10:35

前言

經常聽到某些產品需要各種各樣的認證,或者在產品標簽上看到各種認證的標簽貼紙。例如,中國強制性的3C認證,另有美國的UL、歐洲CE等。這些認證既需要對產品的功能、性能參數進行測試,也需要對安規和EMC進行測試。本文將講解安規EMC的測試內容,使工程師在設計時,能夠有目的地設計。一個產品的安規和EMC問題,不僅僅是PCB工程師的職責,也是結構工程師的職責(輻射發射、輻射抗擾度、靜電)。安規和EMC是一項系統工程,不能僅靠在測試中整改,而應貫穿需求分析、原理圖設計、PCB設計、結構設計之中。

 

何為安規、EMC

安規主要是對產品安全性方面的測試和要求,例如阻燃性、絕緣性、漏電、防塵防水等。

EMC(Electromagnetic Compatibility)電磁兼容性,指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行,并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC=EMI(Electromagnetic Interference)電磁干擾+EMS(Electromagnetic Susceptibility)電磁抗干擾。如果是非高頻和射頻設備,EMC主要是電源方面的EMI(輻射 和傳導)問題。

設計前的準備

  • 《產品需求說明書》:明確產品的功能、性能參數、安規標準和EMC標準。

  • 安規標準文件

  • EMC標準文件

1、EMC的基本測試項目

安規和EMC知識詳解

上面是EMC的所有項目:

  1. 輻射RE(Radiated Emission):測試場地要求比較高,一般使用EMC暗室代替開闊場地測量。EMC暗室只有地面為反射面,其他面都安裝吸波材料,測試時,人員等不在暗室內,防止有干擾。輻射測量的信號在30MHz-1GHz。注意頻率,在150KHz~30MHz的干擾信號主要通過傳導泄漏,輻射量比較小(原因是信號波長有關)。

  2. 傳導CE(Conducted Emission):傳導測量信號頻率在150KHz-30MHz。試驗前,接好所有線纜(電源、通信、IO等),待設備工作正常穩定后,測試線纜上的傳導騷擾。

  3. 諧波(Harmonics):設備工作時,向電網中傳輸的電源高次諧波的強度。難點

  4. 電源閃爍(Flickers)

  5. 靜電放電ESD(Electrostatic Discharge):包含直接放電和間接放電。直接放電時對產品直接打靜電,模擬的是人體和其他帶電設備對產品進行放電時的情況。直接放電分為:接觸放電、空氣放電。產品外殼是金屬部分的,需要放電槍直接接觸金屬部位,塑料外殼需要空氣放電。間接放電比較有意思,把設備放在水平耦合板和垂直耦合板間,放電槍在耦合板上接觸放電,這樣在耦合板上就會形成電場,對設備進行干擾。

  6. 輻射抗干擾RS(Radiated Susceptibility):在暗室,使用天線對設備進行輻射發射,測試。

  7. 電快速瞬變脈沖群EFT/B:設備附近或者設備所處的電網中,有感性負載切斷時,產生的脈沖。使用耦合板耦合在通訊和電源線上,脈沖群的能量會耦合到線纜上,產生電荷積累,對于沒有大地的設備(浮地系統),積累到一定程度,會導致數字邏輯電平錯亂、設備損壞等。

  8. 浪涌試驗(Surge):對電源和信號都需要做浪涌測試。浪涌的能量遠大于脈沖群和靜電。干擾頻率寬度比較窄。一般使用壓敏電阻和保險電阻抑制。

  9. 傳導騷擾抗擾度CS(Conducted Susceptibility):

  10. 工頻磁場試驗PMS(Power-frequency Magnetic Susceptibility):50Hz工頻磁場(例如大型變壓設備)下對設備的影響,主要影響設備中的一些磁性設備,如線圈、霍爾器件。

  11. 電壓跌落/短時中斷DIP/interruptions:指設備所在的電網中突然接入大功率設備,導致電網電壓變低對設備的影響。IEEE中定義,電網電壓跌落10%~90%,持續10ms-1min后恢復正常。電網短路一般跌落幅度30%,輸電線在絕緣子處發生閃,或對地放電,一般跌落幅度60%。跌落、短時中斷都會導致繼電器復位、通訊錯亂、不顯示、設備復位等,需要添加大電容進行儲能,扛過中斷和跌落。

2、產品對EMC的標準要求?

中國強制3C認證,美國的UL、歐洲CE等。標準中對不同類型的產品有不同的等級,例如靜電有6kV、8kV、12kV、15kV等級別,按照具體需求進行EMC試驗。

3、產品EMC整改的思路?

 要分析上述11中測試中,如何進行設計,才能提出如何整改。

輻射RE(Radiated Emission) 

根源:EMI是高頻電流回路形成。走線長度大于波長的1/20,就會成為天線。

測試:在內部可以先對設備進行測試,使用頻譜儀,在設備開機和關機時各測試一次,結果相減,去除環境噪聲的影響。在設備內部,使用近場探頭,追蹤定位EMI的源。另外,瞬態EMI可能不好測試,但可能會引起復位、死機、通訊錯誤等。

安規和EMC知識詳解

消除:傳播路徑、源頭方面考慮。

源頭:層疊設計、地平面的完整(布局、走線)、電源濾波、布線(阻抗連續)、提高頻信號上升沿和下降沿的時間。

傳導CE(Conducted Emission)

諧波(Harmonics)

電源閃爍(Flickers)

靜電放電ESD(Electrostatic Discharge): 

輻射抗干擾RS(Radiated Susceptibility)

電快速瞬變脈沖群EFT/B: 

浪涌試驗(Surge): 

傳導騷擾抗擾度CS(Conducted Susceptibility)

工頻磁場試驗PMS(Power-frequency Magnetic Susceptibility): 

電壓跌落

 

4、產品整改時常用元器件的使用?

共模電感

共模電感用于抑制共模干擾(指在兩根信號線上產生的幅度相等,相位相同的噪聲)。注意,下圖中的繞線方向。

安規和EMC知識詳解

當共模干擾從左向右經過時,根據右手螺旋法則,可以知道上面的線,產生的磁場是繞著鐵氧體順時針,下面的線,一樣。這樣,兩個線圈就會產生比較大的感抗,阻礙共模干擾信號的流出。

當正常信號經過時,例如電流,上面的線是電源正,下面的線是電源負,上面的線電流從左到右走,下面的線從右到左走。這樣,兩個線圈會產生方向相反的磁場,并抵消掉。所以,電感主要表現出阻抗。

共模電感在選用時,應考慮

  • 瞬時大電流經過時,磁芯會不會飽和,要選用電流合適的共模電感。

  • 高電壓經過時,漆包線的絕緣漆會不會被擊穿。漆包線的耐壓應該要測試,不能全信供應商。

  • 線圈要盡可能單層,減小線圈的寄生電容。

  • 共模電感的抑制頻率。主要根據使用環境中的共模干擾頻率決定。

  • 由于繞線不能完全封閉,會產生部分差模電感,有時需要人為增加此部分差模電感,抑制差模干擾。

電感

電感可以抑制高頻信號,其等效電路如下:

安規和EMC知識詳解

電感量越大,其分布電容也越大,導致其對高頻信號的抑制作用降低,所以,電感的電感量是隨著信號的頻率變化的,在某個頻率點,阻抗才會達到最大。在選型時,應該查看其頻率電感特性曲線。

電感量越大,其諧振頻率越低。也就是說,其分布電容諧振在這個頻率點對交流的直通作用,抵消了電感的阻抗。

如果我們還要對抑制頻率進一步提高,那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心電感,就是一個匝數小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍,因此,磁珠比單圈電感線圈的工作頻率更高。

磁珠

磁珠是鐵氧體材料,高頻流過時,由于高感抗,轉化成熱能,低頻信號可以經過。與普通電感相比,具有更好的高頻抑制效果。

磁珠廣泛應用在電源、信號線路上,可以抑制靜電脈沖等。磁珠的單位是歐姆,可以在datasheet上查看頻率阻抗特性曲線圖,比如100MHz的頻率下,阻抗位1000歐姆,通常選用600歐姆阻抗以上的。另外,需要降額80%使用,另外,用在電源線路上,應考慮直流阻抗產生的壓降。

一般磁環居里溫度110℃,達到這一溫度以后立刻失去磁性,有如空氣介質一般;恢復室溫以后,磁性能發生了永久性改變,磁導率降低了10%。所以,在大功率電路中應用時,應該考慮這種可能出現的溫度環境,放置器件失效。

濾波電容

濾波電容在高頻應用時,應考慮其諧振(同物理意義上的共振)。對于高頻噪聲提供一個旁路,流通到地。

普通陶瓷電容的電容量會隨著溫度的變化而變化,但穿心電容更接近理想電容,在數百兆Hz~1GHz,具有很好的旁路作用。穿心電容怕高溫和溫度沖擊,所以在焊接時,容易造成損壞。另外,穿心電容是三端電容:入、出、地。

 

5、EMC設計如何在設計過程的各階段開展?

 電路設計(包括器件選型)、軟件設計、線路板設計、屏蔽結構、信號線電源線濾波、電路接地方式。

Tips:電磁兼容領域,要描述的幅度和頻率范圍都很寬,在圖形上用對數坐標更容易表示,而 dB 就是用對數表示。

對于功率,dB=10log(),對于電壓和電流,dB=20log()。

例如:X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB   X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB     減法:10dB-5dB,實際就是兩個數值的相除,例如信噪比。

如何設計好EMC:

  • 設計人員的水平

  • 公司EMC設計規范

  • 公司EMC負責人

  • 在設計前期解決EMC問題

系統流程法(System Flow Method)

系統流程法,即主要在研發流程中融入 EMC 設計理念,在產品設計的各個階段進行 EMC 設計控制,把可能出現的 EMC 問題在研發前期進行考慮;設計過程中主要
從產品的電路(原理圖、PCB 設計),結構與電纜,電源模塊,接地等方面系統考慮 EMC 問題,針對可能出現 EMC 問題進行前期充分考慮,從而確保產品樣品出來后能夠一次性通過測試與認證!

  1. 產品總體方案設計

  2. 產品詳細方案設計

  3. 產品原理圖設計

  4. 產品PCB設計

  5. 產品結構設計

  6. 產品初樣試裝

  7. 產品EMC摸底驗證

  8. 產品認證

 

設計Tips

1、設計階段進行EMC設計,成本和效果是最好的。

2、高頻電流環路面積越大,EMI越嚴重。高頻信號電流流經電感最小路徑。當頻率較高時,一般走線電抗大于電阻,連線對高頻信號就是電感,串聯電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環路產生的,最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線,減小高頻電流回路面積,盡量消除任何非正常工作需要的天線,如不連續的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。

3、環路電流頻率f越高,引起的EMI輻射越嚴重,電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二,就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f,即減小騷擾電磁波的頻率f。

 

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來源:Internet

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