- 探討電磁兼容EMC設(shè)計(jì)
- 分析電磁兼容EMC測(cè)試技巧
- 設(shè)計(jì)從元器件選型、印制板設(shè)計(jì)等的角度考慮
- 測(cè)試采用靜電抗擾度檢測(cè)等的方法
當(dāng)前,日益惡化的電磁環(huán)境,使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境,日益關(guān)注電磁環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響,從設(shè)計(jì)開(kāi)始,融入電磁兼容設(shè)計(jì),使電子設(shè)備更可靠的工作。
電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含浪涌(沖擊)抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計(jì)。
電磁干擾的主要形式
電磁干擾主要是通過(guò)傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入系統(tǒng),影響系統(tǒng)工作,其他的方式還有共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。
傳導(dǎo):傳導(dǎo)耦合即通過(guò)導(dǎo)電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較低的部分(低于30MHz)。在我們的產(chǎn)品中傳導(dǎo)耦合的途徑通常包括電源線、信號(hào)線、互連線、接地導(dǎo)體等。
輻射:通過(guò)空間將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較高的部分(高于30MHz)。輻射的途徑通過(guò)空間傳遞,在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。
共阻抗耦合:當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)出現(xiàn)的相互干擾。在電源線和接地導(dǎo)體上傳導(dǎo)的騷擾電流,多以這種方式引入到敏感電路。
感應(yīng)耦合:通過(guò)互感原理,將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘?hào),感應(yīng)到另一條回路對(duì)其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種。
對(duì)這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對(duì)策:傳導(dǎo)采取濾波(如我們?cè)O(shè)計(jì)中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用),輻射干擾采用減少天線效應(yīng)(如信號(hào)貼近地線走)、屏蔽和接地等措施,就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力,也可以有效的降低對(duì)外界的電磁干擾。
電磁兼容設(shè)計(jì)
對(duì)于一個(gè)新項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程,電磁兼容設(shè)計(jì)需要貫穿整個(gè)過(guò)程,在設(shè)計(jì)中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計(jì),才不致于返工,避免重復(fù)研發(fā),可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間,提高企業(yè)的效益。
一個(gè)項(xiàng)目從研發(fā)到投向市場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)需求分析、項(xiàng)目立項(xiàng)、項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)、項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣品試制、功能測(cè)試、電磁兼容測(cè)試、項(xiàng)目投產(chǎn)、投向市場(chǎng)等幾個(gè)階段。
在需求分析階段,要進(jìn)行產(chǎn)品市場(chǎng)分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,挖掘?qū)?xiàng)目有用信息,整合項(xiàng)目發(fā)展前景,詳細(xì)整理項(xiàng)目產(chǎn)品工作環(huán)境,實(shí)地考察安裝位置,是否對(duì)安裝有所限制空間,工作環(huán)境是否特殊,是否有腐蝕、潮濕、高溫等,周圍設(shè)備的工作情況,是否有惡劣的電磁環(huán)境,是否受限與其他設(shè)備,產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效率,或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來(lái)很大的方便,操作使用方式能否容易被人們所接受,這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品要滿足現(xiàn)場(chǎng)功能需要、易于操作等,最后要整理詳細(xì)的需求分析報(bào)告,以供需求評(píng)審。
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經(jīng)過(guò)企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人的評(píng)審之后,完善需求分析報(bào)告,然后是項(xiàng)目立項(xiàng),項(xiàng)目立項(xiàng)需要組建項(xiàng)目組,把軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測(cè)試等人員安排到項(xiàng)目組中,分配各自的職責(zé)。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的下一階段是項(xiàng)目概要設(shè)計(jì),將項(xiàng)目分解成多個(gè)功能模塊,運(yùn)用WBS分解結(jié)構(gòu)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行功能分解細(xì)化,根據(jù)工作量安排時(shí)間,安排具體人員。整理項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)報(bào)告,總體對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估,確定使用電源類型,電源分布情況,電源隔離濾波方式,系統(tǒng)接地方式,產(chǎn)品屏蔽,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計(jì),采用屏蔽機(jī)箱機(jī)殼,分析信號(hào)類型,對(duì)雷電、靜電、群脈沖等干擾采取防護(hù)措施。
產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)報(bào)告出來(lái)后要經(jīng)過(guò)相關(guān)人員評(píng)審,分析實(shí)現(xiàn)方式是否合理,實(shí)施方案是否可行,由評(píng)審人員給出評(píng)審報(bào)告,項(xiàng)目組結(jié)合評(píng)審報(bào)告對(duì)概要設(shè)計(jì)進(jìn)行修改后,進(jìn)入產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,這階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、PCB采購(gòu)及焊接、軟件編寫(xiě)、功能調(diào)試等過(guò)程,原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到電磁兼容方面的影響,對(duì)板級(jí)電源增加濾波電容,對(duì)信號(hào)的接口部分增加濾波電路,根據(jù)信號(hào)類型,選擇合適的濾波電路,若信號(hào)為低頻型號(hào),應(yīng)選擇低通濾波電路,計(jì)算合適的截至頻率,選擇對(duì)應(yīng)的電阻、電容等。另對(duì)接口部分設(shè)計(jì)大電流泄放回路,設(shè)置防雷器件,做到第三級(jí)的防雷。
一、元器件選型
我們常用的電子器件主要包括有源器件和無(wú)源器件兩種類型,有源器件主要指IC和模塊電路等器件,無(wú)源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下面分別對(duì)這兩種類型元件的選型、在電磁兼容方面要考慮的問(wèn)題做一些介紹。
有源器件EMC選型
工作電壓寬的EMC特性好,工作電壓低的EMC特性好,在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)延時(shí)大(通常所說(shuō)的速度慢)特性好一些,靜態(tài)電流小、功耗小的比大的特性好,貼片封裝的器件的EMC性能好于插裝器件。
無(wú)源器件選型
無(wú)源器件在我們的應(yīng)用中通常包括電阻、電容、電感等,對(duì)于無(wú)源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。
無(wú)源器件在某些頻率下,會(huì)表現(xiàn)出不同特性,一些電阻在高頻時(shí)擁有電感的特性,如線繞電阻,電解電容的低頻特性好,高頻特性差,而薄膜電容和瓷片電容高頻特性較好,但通常容量較小??紤]溫度對(duì)元器件的影響,根據(jù)設(shè)計(jì)原理,選用各種溫度特性的器件。
二、印制板設(shè)計(jì)
印制板設(shè)計(jì)時(shí),要考慮到干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開(kāi),對(duì)核心電路重點(diǎn)防護(hù),將系統(tǒng)地線環(huán)繞,并布線盡可能粗,電源增加濾波電路,采用DC-DC隔離,信號(hào)采用光電隔離,設(shè)計(jì)隔離電源,分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時(shí)鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等),對(duì)這兩種類型的電路分別采取措施。對(duì)于干擾元件采取抑制措施,對(duì)敏感元件采取隔離和保護(hù)措施,并且將它們?cè)诳臻g和電氣上拉開(kāi)距離。在板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí),還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿,這對(duì)防護(hù)空氣放電是有利的。
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采樣電路的原理圖設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖1:
圖1:采樣電路設(shè)計(jì)
電路的合理布局可以降低干擾,提高電磁兼容性能。按照電路的功能劃分若干個(gè)功能模塊,分析每個(gè)模塊的干擾源與敏感信號(hào),以便進(jìn)行特殊處理。
印制板布線時(shí),需要注意以下幾個(gè)方面:
1、保持環(huán)路面積最小,例如電源與地之間形成的環(huán)路,減小環(huán)路面積,將減小電磁干擾在此回路上的感應(yīng)電流,電源線盡可能靠近地線,以減小差模輻射的環(huán)面積,降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)的導(dǎo)線緊緊放在一起,使用一條粗導(dǎo)線進(jìn)行連接,信號(hào)線緊挨地平面布線可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。
2、使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡可能的縮短,減小了印制板的面積,降低導(dǎo)線上的干擾。
3、采用完整的地平面設(shè)計(jì),采用多層板設(shè)計(jì),鋪設(shè)地層,便于干擾信號(hào)泄放。
4、使電子元件遠(yuǎn)離可能會(huì)發(fā)生放電的平面如機(jī)箱面板、把手、螺釘?shù)?,保持機(jī)殼與地良好接觸,為干擾提供良好的泄放通道。對(duì)敏感信號(hào)包地處理,降低干擾。
5、盡量采用貼片元器件,貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。
6、模擬地與數(shù)字地在PCB與外界連接處進(jìn)行一點(diǎn)接地。
7、高速邏輯電路應(yīng)靠近連接器邊緣,低速邏輯電路和存儲(chǔ)器則應(yīng)布置在遠(yuǎn)離連接器處,中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。
8、電路板上的印制線寬度不要突變,拐角應(yīng)采用圓弧形,不要直角或尖角。
9、時(shí)鐘線、信號(hào)線也盡可能靠近地線,并且走線不要過(guò)長(zhǎng),以減小回路的環(huán)面積。
三、系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)
印制板設(shè)計(jì)出來(lái)后,進(jìn)行試制,焊接調(diào)試,系統(tǒng)裝機(jī),考慮電磁兼容設(shè)計(jì)因素,機(jī)柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面:
1、機(jī)柜選用電磁屏蔽柜,具有良好的屏蔽性能,很好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽,降低外界電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。
2、總電源進(jìn)線選用屏蔽電源線,并加磁環(huán),屏蔽層在進(jìn)入機(jī)柜處360度接地。
3、對(duì)系統(tǒng)外部信號(hào)線選用屏蔽線,屏蔽層機(jī)柜入口處良好接地。
4、設(shè)備外殼就近接機(jī)柜,避免交叉。
5、系統(tǒng)設(shè)置隔離變壓器和ups,保證系統(tǒng)供應(yīng)純凈電源。
6、嚴(yán)格將電源線和信號(hào)線分開(kāi),設(shè)備外殼的各個(gè)面之間和各個(gè)板子面板之間要良好接觸,接觸電阻要小于0.4歐,越小越好,保證設(shè)備外殼良好接大地,這樣在有靜電釋放時(shí),不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作。
四、系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)
接地是最有效的抑制騷擾源的方法,可解決50%的EMC問(wèn)題。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連,可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地,還可以提供靜電電荷的泄漏通路,防止靜電積累。
1、地線的概念
安全接地 包括保護(hù)接地和防雷接地。
保護(hù)接地 為產(chǎn)品的故障電流進(jìn)入大地提供一個(gè)低阻抗通道;
防雷接地 提供泄放大電流的通路;
參考接地 為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平,為電源和信號(hào)提供基準(zhǔn)電位。
安全接地是為了當(dāng)出現(xiàn)一些電氣異常時(shí),為大電流和高電壓提供一個(gè)泄放的回路,主要是對(duì)電路的一種保護(hù)措施。參考地主要是信號(hào)地和電源地,是保證電路實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。
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2、接地方式
懸浮接地 對(duì)一個(gè)獨(dú)立的與外部沒(méi)有接口的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)一般也沒(méi)有什么問(wèn)題,但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線,那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響,所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。
單點(diǎn)接地 當(dāng)f<1MHz時(shí)可以選擇單點(diǎn)接地,可分為并聯(lián)單點(diǎn)接地和多級(jí)電路串聯(lián)單點(diǎn)接地兩種。
并聯(lián)單點(diǎn)接地:每個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上,每個(gè)單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連。
多級(jí)電路的串聯(lián)單點(diǎn)接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,形成一個(gè)公共點(diǎn),然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地。
多點(diǎn)接地 當(dāng)f>10MHz時(shí)會(huì)采用多點(diǎn)接地。 設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點(diǎn)。
單點(diǎn)接地各電路接在同一點(diǎn),提供公共電位參考點(diǎn),沒(méi)有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路,但對(duì)高頻信號(hào)存在較大的地阻抗。多點(diǎn)接地為就近接地,每條地線可以很短,提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據(jù)實(shí)際需要選用哪種接地方法。
混合接地 是綜合單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地,對(duì)系統(tǒng)中高頻部分采用多點(diǎn)接地。
信號(hào)線屏蔽接地 有高頻和低頻之分,高頻采用多點(diǎn)接地,低頻電纜采用單點(diǎn)接地。低頻電場(chǎng)屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地,低頻磁場(chǎng)屏蔽要求在兩端接地。多點(diǎn)接地,除在兩端接地外,并以3/20或1/10工作波長(zhǎng)的間隔接地。
系統(tǒng)做到良好接地,才能有效的抑制電磁干擾,一個(gè)大的系統(tǒng)機(jī)柜首先要保證每個(gè)面接觸良好,接觸緊湊,其次是機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地,避免二次干擾,就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進(jìn)行環(huán)接,再就近接機(jī)架。機(jī)柜下方設(shè)置接地銅排,系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好,對(duì)電磁干擾進(jìn)行很好的泄放,保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
電磁兼容測(cè)試
系統(tǒng)功能測(cè)試,滿足現(xiàn)場(chǎng)功能需要后,進(jìn)行電磁兼容測(cè)試,電磁兼容測(cè)試容易出問(wèn)題是靜電、群脈沖、浪涌、射頻場(chǎng)傳導(dǎo)等
1、靜電抗擾度檢測(cè)
參與了幾個(gè)項(xiàng)目的靜電抗擾度檢測(cè),對(duì)靜電有一定認(rèn)識(shí)。靜電分為接觸放電和空氣放電,靜電是積累的高壓,當(dāng)接觸到設(shè)備的金屬外殼時(shí)會(huì)瞬間放電,會(huì)影響到電子設(shè)備的正常工作,可能引起設(shè)備故障或重啟,在安全性要求較好的場(chǎng)合這是不允許的。
靜電會(huì)影響顯示效果,可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏,影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常,程序死機(jī)或重啟。
如果在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計(jì),做靜電試驗(yàn)不必過(guò)分擔(dān)心,通過(guò)設(shè)計(jì),對(duì)靜電積累的電荷進(jìn)行良好的泄放,不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。
2、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)
電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設(shè)備上,觀察設(shè)備是否受到其影響。防護(hù)群脈沖主要的方法是“疏導(dǎo)”“堵”,“疏導(dǎo)”就是提供泄放回路,是干擾在進(jìn)入系統(tǒng)之前,泄放至大地,良好的屏蔽層接地,可以泄放大部分動(dòng)干擾,“堵”是使群脈沖濾除在設(shè)備之外,增加磁環(huán),效果明顯,封閉磁環(huán)的效果好于對(duì)扣磁環(huán),也可以將磁環(huán)加入到板級(jí)中,固定在印制板中,這樣使設(shè)備更可靠。
對(duì)電源線、信號(hào)線、通訊線兩端增加磁環(huán),可以對(duì)群脈沖干擾進(jìn)行防護(hù)。
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3、雷擊浪涌檢測(cè)
雷擊浪涌主要包含兩個(gè)方面,一個(gè)是電源防雷,一個(gè)是信號(hào)防雷。
電源防雷主要是針對(duì)系統(tǒng)級(jí)而言的,系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)要按照三級(jí)防雷設(shè)計(jì),總電源進(jìn)入端設(shè)置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH 385),可以對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)行一級(jí)防護(hù),電源經(jīng)過(guò)電源防雷后,進(jìn)入隔離變壓器,隔離變壓器可以對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行較好的防護(hù),抑制其對(duì)系統(tǒng)的影響。后進(jìn)入U(xiǎn)PS,UPS可以濾除一部分干擾信號(hào),這樣電源再進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備,電源是一種純凈的電源,可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作。
圖2:系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)示例。
信號(hào)防雷是對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)通路進(jìn)行防護(hù),主要涉及的是板級(jí)設(shè)計(jì),在板級(jí)設(shè)計(jì)中增加防雷器件,如氣體放電管,增加TVS泄放回路,當(dāng)有大電流時(shí)通過(guò)配套電阻和TVS、氣體放電管泄放,對(duì)后級(jí)電路起到保護(hù)作用。而后信號(hào)進(jìn)行光電隔離,再進(jìn)入系統(tǒng),系統(tǒng)可以采集到一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào),使系統(tǒng)正常分析判斷,正常發(fā)出指令,正常工作。另一方面就是設(shè)計(jì)較寬的信號(hào)范圍,信號(hào)正常波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)正常工作。
4、射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測(cè)
射感試驗(yàn)可能會(huì)對(duì)顯示信號(hào)、采集驅(qū)動(dòng)等造成影響,可能使顯示閃爍或黑屏,影響設(shè)備操作,可能使采集驅(qū)動(dòng)工作異常,采集不到需要的信號(hào),無(wú)法驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
射頻試驗(yàn)是0.15k~80M頻率范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)線、電源進(jìn)行干擾,3級(jí)強(qiáng)度是10V/m。
射感防護(hù)的原則是將電源、信號(hào)線的屏蔽做好,屏蔽層良好接地,選擇合適頻率進(jìn)行濾波,將干擾濾除。
5、輻射發(fā)射檢測(cè)、射頻場(chǎng)輻射抗擾度檢測(cè)
該測(cè)試主要是測(cè)試系統(tǒng)的抗射頻信號(hào)及整體屏蔽性能,只要系統(tǒng)做好良好的屏蔽,系統(tǒng)地線接地良好,系統(tǒng)就可以通過(guò)檢測(cè)。
通過(guò)相關(guān)電磁兼容測(cè)試,產(chǎn)品就可以推向市場(chǎng),進(jìn)行試運(yùn)行了,對(duì)試運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題,進(jìn)行匯總,以備產(chǎn)品的改進(jìn)。
電子產(chǎn)品滿足相關(guān)的電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)測(cè)試,才可以推向市場(chǎng),用戶才能放心使用,極大地減小因電磁干擾發(fā)生的事故,對(duì)企業(yè)的效益、產(chǎn)品的推廣起到積極的作用。
6、總結(jié)
本文是針對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境,分析了電磁干擾的來(lái)源,通過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的分解,融入電磁兼容設(shè)計(jì),從原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、元器件選型、系統(tǒng)布線、系統(tǒng)接地等方面逐步分析,總結(jié)概括電磁兼容設(shè)計(jì)要點(diǎn),最后,介紹了電磁兼容測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容。相信讀者能從中獲取有用的信息。