【導(dǎo)讀】電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互變化產(chǎn)生電磁波,電磁波向空中發(fā)射或泄露的現(xiàn)象,叫電磁輻射。電磁輻射是以一種看不見(jiàn)、摸不著的特殊形態(tài)存在的物質(zhì)。人類(lèi)生存的地球本身就是一個(gè)大磁場(chǎng),它表面的熱輻射和雷電都可產(chǎn)生電磁輻射,太陽(yáng)及其他星球也從外層空間源源不斷地產(chǎn)生電磁輻射。圍繞在人類(lèi)身邊的天然磁場(chǎng)、太陽(yáng)光、家用電器等都會(huì)發(fā)出強(qiáng)度不同的輻射。
電磁輻射(有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)EMR)的形式為在真空中或物質(zhì)中的自傳播波。電磁輻射有一個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的振蕩,分別在兩個(gè)相互垂直的方向傳播能量。電磁輻射波的頻率或波長(zhǎng)分為不同類(lèi)型,主要包括(按序增加頻率):無(wú)線(xiàn)電波、微波、太赫茲輻射、紅外輻射、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)等。其中,無(wú)線(xiàn)電波的波長(zhǎng)最長(zhǎng)而伽馬射線(xiàn)的波長(zhǎng)最短。除X射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)之外的電磁輻射都具有較弱電離能力,即非電離輻射。
電磁輻射所衍生的能量,取決于頻率的高低:頻率愈高,能量愈大。頻率極高的X光和伽瑪射線(xiàn)可產(chǎn)生較大的能量,能夠破壞合成人體組織的分子。事實(shí)上,X光和伽瑪射線(xiàn)的能量之巨,足以令原子和分子電離化,故被列為“電離”輻射。這兩種射線(xiàn)雖具醫(yī)學(xué)用途,但照射過(guò)量將會(huì)損害健康。X光和伽瑪射線(xiàn)所產(chǎn)生的電磁能量,有別于射頻發(fā)射裝置所產(chǎn)生的電磁能量。射頻裝置的電磁能量屬于頻譜中頻率較低的那一端,不會(huì)電離物質(zhì),而會(huì)改變分子或原子之旋轉(zhuǎn),振動(dòng)或價(jià)層電子軌態(tài),故被列為“非電離”輻射。
那么哪里會(huì)有電磁輻射呢?其實(shí)人體內(nèi)外均布滿(mǎn)由天然和人造輻射源所發(fā)出的電能量和磁能量。
自然電磁輻射源:
(1) 雷電
(2) 太陽(yáng)黑子活動(dòng)
(3) 宇宙射線(xiàn)
(4) 太陽(yáng)風(fēng)暴等
人為電磁輻射源:
(1) 電腦、電視、音響、微波爐、電冰箱等家用電器;
(2) 手機(jī)、傳真機(jī)、通訊站等通訊設(shè)備;
(3) 高壓電線(xiàn)以及電動(dòng)機(jī)、電機(jī)設(shè)備等;
(4) 飛機(jī)、電氣鐵路等;
(5) 廣播、電視發(fā)射臺(tái)、手機(jī)發(fā)射基站、雷達(dá)系統(tǒng)等;
(6) 電力產(chǎn)業(yè)的機(jī)房、衛(wèi)星地面工作站、調(diào)度指揮中心等;
(7) 應(yīng)用微波和X射線(xiàn)等的醫(yī)療設(shè)備等;
自然界的電磁輻射源,很難人為的影響,但是日常的電子產(chǎn)品,我們可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),預(yù)處理等辦法,將電磁輻射值控制在安全范圍內(nèi)。
電子電氣設(shè)備的電磁輻射發(fā)射(RE)是產(chǎn)品“3C認(rèn)證”測(cè)試項(xiàng)目的重要內(nèi)容之一。RE測(cè)試頻率通常為30MHz~1GHz,在半電波暗室中進(jìn)行。當(dāng)設(shè)備的電磁輻射發(fā)射量超過(guò)相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值后,如何正確判斷超標(biāo)的原因和應(yīng)當(dāng)采取何種應(yīng)對(duì)之策是工程師們十分關(guān)注的問(wèn)題,那么到底要怎樣來(lái)判斷超標(biāo)的原因呢?
首先,定位—沒(méi)有定位過(guò)程的優(yōu)化就像無(wú)頭蒼蠅一樣到處亂撞,有時(shí)候即使問(wèn)題搞定了,工程師們也不知道哪些優(yōu)化措施是必須的,哪些是多余的(帶來(lái)附加成本);
定位有兩種手段:一種是直覺(jué)判斷,需要完全依靠工程師積累的EMC經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷,另一種是比較測(cè)試,依靠測(cè)試儀器和EMC經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的定位判斷。以下幾種RE超標(biāo)定位流程小編得之不易,希望能夠輔助設(shè)計(jì)者更加準(zhǔn)確的找到RE超標(biāo)的源頭所在。
找到了原因,下一步就是確定應(yīng)對(duì)之策。常用的措施:減小高頻信號(hào)頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗藕合或感應(yīng)藕合、選用低速、低輻射器件、選用屏蔽機(jī)箱、屏蔽電纜和I/O
濾波器等。
設(shè)計(jì)優(yōu)化:
1、方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力,盡量選用本身發(fā)射小的芯片;所選器件不工作在非線(xiàn)性區(qū),以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源;考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;使數(shù)字信號(hào)波形產(chǎn)生過(guò)沖,應(yīng)使無(wú)用的諧波振蕩幅度最小,使無(wú)用的高次諧波成分最少;集總參數(shù)電路增加阻尼、減小Q 值,防止振蕩。
2、PCB的設(shè)計(jì):盡量減小所有的高速信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)構(gòu)成的環(huán)路面積,連接線(xiàn)要盡可能短,并使信號(hào)線(xiàn)緊鄰地回路;使用小型化器件和多層線(xiàn)路板,多層印制板可緊縮布線(xiàn)空間;印制板層數(shù)選擇應(yīng)考慮關(guān)鍵信號(hào)的屏蔽和隔離要求;印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線(xiàn)的原理一樣,即元件面下面為地平面,關(guān)鍵電源平面與其對(duì)應(yīng)的地平面相鄰;布線(xiàn)設(shè)計(jì)考慮的順序?yàn)椋弘娫春偷?時(shí)鐘線(xiàn)/信號(hào)線(xiàn),布線(xiàn)應(yīng)該短、直、粗、均,不應(yīng)有“之”字形,用圓角代替尖銳走線(xiàn),盡可能加寬電源和地的布線(xiàn),電源和地層的分割盡量符合微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)要求;走線(xiàn)盡可能遠(yuǎn)離騷擾源,布線(xiàn)考慮鐵氧體材料的使用,預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減。
3、電與接地、高速信號(hào)線(xiàn)路及內(nèi)部線(xiàn)纜的設(shè)計(jì):芯片間使用低阻抗地連接(地平面), 不同芯片供電腳間阻抗盡量小,芯片供電腳與地間接高頻旁路電容,供電布線(xiàn)預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置,以備按需加減;布線(xiàn)、I/O 排線(xiàn)的核心原則就是減小電流環(huán)面積,布置排線(xiàn)的原理與印制板分層原理一樣; 關(guān)鍵電源線(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的地線(xiàn)相鄰,其余的信號(hào)層特別是高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)相鄰,盡量避免兩信號(hào)線(xiàn)相鄰;為避免接地線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),可采用多點(diǎn)就近接地,接地線(xiàn)高頻阻抗要??;減小電纜的天線(xiàn)效應(yīng)及減小偶極子天線(xiàn)效應(yīng),跨線(xiàn)、I/O 排線(xiàn)采用屏蔽性能好的線(xiàn)纜;I/O 接口注意高速電路阻抗匹配,減小、消除反射。
4、屏蔽設(shè)計(jì):屏蔽好的要求有三: 完整的電連續(xù)體;濾波措施;良好的接地。
5、輸入/ 輸出的濾波設(shè)計(jì):傳導(dǎo)騷擾問(wèn)題處理的方法主要是低通濾波,綜合運(yùn)用抑制傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施,如屏蔽、去藕和濾波;濾波電路與負(fù)載的阻抗失配越大,濾波器衰減電磁騷擾的效果越好;減共模和差模電容,加減共模和差模線(xiàn)圈,調(diào)整電容和線(xiàn)圈匝數(shù),共模和差模插入損耗對(duì)頻率的曲線(xiàn)都可改變;電源濾波器安裝位置應(yīng)靠近電源線(xiàn)入口處, 如能與接口一體化更好。
除了以上設(shè)計(jì)優(yōu)化之外,元器件的選擇也很重要,電路的基本元件滿(mǎn)足電磁特性的程度將決定著功能單元和最后的設(shè)備滿(mǎn)足電磁兼容性的程度。選擇合適的電磁元件的主要準(zhǔn)則包括帶外特性和電路裝配技術(shù)。因?yàn)槭欠衲軌驅(qū)崿F(xiàn)電磁兼容性往往是由遠(yuǎn)離基頻的元件響應(yīng)特性來(lái)決定的。而在許多情況下,電路裝配又決定著帶外響應(yīng)(例如引線(xiàn)長(zhǎng)度)和不同電路元件之間互相耦合的程度。具體規(guī)則是:
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【經(jīng)驗(yàn)分享】資深工程師教你如何優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減少RE超標(biāo)