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【附現場提問】馬永健老師分享EMC設計中最棘手的案例

發(fā)布時間:2014-04-25 責任編輯:cicy

【導讀】馬永健老師是EMC領域中的著名專家,在2014安防電子技術研討會暨第十七屆電路保護與電磁兼容技術研討會上,馬老師詳細的講解分析了EMC設計中最棘手的案例,并講解了有關于EMC的全新認識,現場回答了一些工程師們提出的問題,物超所值!快來看看吧!絕對有料!

功能設計完了以后進行測試檢驗,不過進行整改,為什么會有這種現象?我了解了現在有些企業(yè)已經有EMC工程師了。我這次去了以后,至少有幾家企業(yè)讓我給他介紹EMC工程師,因為找EMC工程師比較難,原因是國內目前所有的企業(yè)在EMC設計這一塊是游擊戰(zhàn),誰的經驗多誰設計出來的就好一點,但是一次通過率很低,產品設計完了以后進行一次性實驗,一次性通過的很低,為什么?今天咱們講的很多是芯片,如果你選了好芯片,同時把EMC設計好,你的電子兼容基本上就解決了。因為沒有整體效果可以考慮的,只有依靠選好芯片,同時進行處理才能處理好。

這種現象的原因是什么?元器件本身的電子兼容性。這是金屬膜電阻的阻抗絕對值與頻率的關系。大家看,在低頻的時候完全是一條直線,但是到高頻以后,電感效應出來了,這點很多人是不太注意的。同樣,電容是這樣子,電感也是這樣子,電容曲線是倒V形的。這個大家在使用過程中可能不太關注這個事,這是個芯片的梯形脈沖時域波形,實際上真正出問題的是在這個地方,如果把這個問題處理好了,現在好多問題就不會出現。這是芯片參數的對照表,這個在使用過程中是有的,這個東西有什么用我后面會講。大家都知道這是差模效應,一個信號的環(huán)路就會對外輻射場強,在一定情況下,如果說環(huán)路比較大的話,輻射的場強與環(huán)路面積成正比,那么對外輻射場強就大。這是我們在設計過程中需要重點關注的問題之一。對外有連接導線,這樣的對外連接導線有一個向外輻射,這樣的話共模的效應就出來了。

在設計的時候,期間的選型考慮不周到,應該怎么做呢?我在端口的時候加上一個干音壁,什么意思?就是把整個平面里面端口這個地方不布置任何器件,與內部的數字臂也好,功能臂也好進行隔離,架橋連接,這樣外面的噪音進不來,里面的噪聲出不去,這就是干音壁的效應。這個地方本身是空的,我們這個企業(yè)有好多設計師想方設法地把這個地方添滿,這是沒必要的,而且也不方便。那我為何不設計一個干音壁呢?這樣的話就可以把傳導的問題解決。

還有一個問題,閉環(huán)路,我們之所以發(fā)生干擾,共模效應,就是因為有個閉環(huán)路存在。如果閉環(huán)路很小,或者阻抗很小,是零,即使通過再大的電流,有共模電壓降存在嗎?沒有共模電壓降也就不可能有對外模式。這在我們使用過程中需要注意的問題。

還有一個是分區(qū)布局,現在方向亂的,這個器件到處放。你要知道,電路也好,器件也好,有敏感器件,有噪聲器件。這個時候你在分區(qū)布局的時候一定要有序地安排。比如說高速路上有快車道和慢車道,我們國內經常堵車就是因為車穿來穿去的,我們很多人到香港去過,香港的公路上車也不少。這個道理是一樣的,如果你的器件安排不當,就會有耦合,有幾種耦合模式?一共有五種模式,其實有三種耦合模式都體現在這個線路板上了。

如果有序地分開,就可以減輕耦合效應,有一點屏蔽效應。把距離拉開,因為在這一場范圍內,場強的衰減是按照距離的平方和立方進行衰減的,距離稍微拉開一點場強衰減得就比較大,這樣子你就可以有效地把場強衰減下來,距離拉開一點效果就好一點。這個你們可以試一試,你可以把線路或者是器件拉開一點距離。我曾經做過,應該快一個月了,就在南山做實驗,里面的東西是模塊,我把模塊移了一下距離,然后衰減的時候事半功倍。一個是大的產品,功率大,個大,另外一個是小的產品,小的產品是大的產品的1/6,但是設計的結構形式是完全一樣的,大的產品通過了測試,小的怎么都通不過。我打開一看,就是因為距離太近了。我說把這個隔開,或者通過局部屏蔽進行隔離就可以了,效果很好。這是3月份才做的一個實例。
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為什么會有這種現象呢?每個從驅動端出去的信號最終都會回到驅動端來,這點很重要,每一個信號包括電源,從驅動端出去以后,不管走多遠,最終從各種通路回來,一定要回到終端來,否則一個功能就完不成。而偏偏我們做單循環(huán)設計的時候,注意的是去線、回線,我們自己安排,多終端回路的時候忽視了這個現象。只管拉一根虛線,回線不管了,因為通過耦合效應直接傳輸回來了,所以這就導致好多的回流面積很大的非常重要的原因,實際上是無意識造成的。我曾經去過一個單位,他超標超得很厲害。他們回流面積很小,我說你考慮傳輸線的前頭上有多少槽,多少器件進行隔離的。

為什么有這種現象呢?就是因為所有的信號頻率不一樣,傳輸漏洞是不一樣的,隨著頻率越來越高,會按照最小阻抗路徑回流。這是比較形象的,信號層和回流層,層間距,厚度很薄很薄,傳輸信號這么傳過來,在回流的時候直接就回來了,直線頻率最短,阻抗最小。高頻的時候不一樣了,從這邊回來了以后,它按照這條線緊著地平面回來,因為這個區(qū)間的阻抗最小。這點是需要嚴格注意的,如果在設計過程中回流徑搞不清楚,那你就不知道線跑哪去了,回流面積最小化就實現不了。

這個圖是什么意思呢?這是數據區(qū)域,這是模擬區(qū)域,數模轉換或者兩個區(qū)域。中間有個隔離,數字區(qū)域和模擬區(qū)域要分割開,很大部分的人是這樣做的。我這個數字線跨過分割區(qū)到模擬區(qū)以后,可是回流線怎么回?因為這中間是斷的,這回不來了,隔斷了,從哪回來的?哪里能回來的路徑它自己找,這樣它繞到哪去了,說不清楚了。這是導致很多數模轉換不成功或者干擾非常大的非常重要的原因,你們可以檢查你們的線路是不是有這種現象存在。

解決這個問題,第一個統(tǒng)一地,第二個把數字線直接在數字區(qū)域布置,不要跑到模擬區(qū)域去。第三,把兩個地聯通,我專門用一個回流線搭過去。這是在設計中間出現的問題。傳輸線傳動要求很嚴格,傳輸線路越短,上升時間越小,對外回流場強就越大。所以設計的時候,排線的傳輸線長度計算公式是不一樣的,所以設計的時候一定要計算一下。不能說師傅就是這么告訴我的,我就這么做。所以要算一下,看看長度夠不夠。我發(fā)現很多企業(yè)線明明可以短一點,他說我為了方便,就把線加長了。當然了確實是方便,因為沒有什么干涉,但是為了方便影響了反射,上沖、下沖,另外回路面積也大了,這是一個非常嚴重的問題。

給大家講一個比較簡單的屏蔽效應,我剛才講了屏蔽三種模式,一種模式是加一個罩殼,這個問題不大,我加一個金屬罩殼就屏蔽了。另外一種模式是進行衰減,這也是一種屏蔽模式。第三種模式,在兩個信號線之間加上地線,這個地線就相當于屏蔽線,這叫導線屏蔽。一個是加上地線,另外一個是把地線去掉,背面加上大面積地線,這也是一種屏蔽模式,這種模式非常管用。
設計過程中對一種不同的器件,我們要求前面加一個電容,后面加一個電容,中間加一個磁珠。所有的這些東西大家都是做的,甚至這些概念都很清楚,但要真正連貫起來難度就大了。對整個產品來講,電磁兼容性設計管理系統(tǒng):1.新產品的設計開發(fā)流程,2.產品的EMC設計技術平臺建設,3.元器件的EMC選型指南,4.EMC接地設計,5.EMC屏蔽設計,6.EMC濾波設計,7.PCB的EMC設計,8.典型產品的EMC設計,9.EMC設計檢查表。

我們說電容,各種不同的情況下容值計算是不一樣的。連接器咱們經常用,連接器的這些參數你是要知道的,這些東西是直接影響電子兼容的,不同的連接器是不一樣的,它的核心阻抗也是不一樣的,在過程中你要怎么做都是有規(guī)范的。我們今天講了很多芯片,它的特性是怎么樣的,怎么樣進行選型,有什么特點,這些都是要掌握的。至少你知道一個事,我拿一個芯片來,你說芯片怎么好,這些參數要提供給我,看它到底是好還是不好。

產品做完了有個問題,做完了以后是分階段進行的,不是一條線做完的,是分階段進行的。在哪一個階段怎么樣進行檢查,就是從這來,1.產品原理圖設計檢查表,2.PCB設計檢查表,3.結構設計檢查表,4.軟件設計檢查表,5.設計審核檢查表。

我剛才舉的例子,本來一個大個的產品通過了這個測試,但是個子變小了以后通不過了,明明是一樣的,結構、零件、器件都是一樣的,就因為空間大小不一樣變化那么大。你校對的時候怎么校對?相應的措施要怎么處理?電磁兼容評價對和錯很難,但是可以評價好和不好,你做得好一點,你的一次性通過率80%,我的一次性通過率20%,那么我設計出來的產品一次通過率是80%,70%,那效果完全是不一樣的。既然你設計的產品通過率是70%,80%的話,為什么不把你的經驗貢獻出來?放到一個平臺上讓大家共享呢?

這需要有一個培訓過程,不是光講,我剛才講的那些,不同的情況,電磁兼容很復雜,不同的情況下有不同的選擇,電容的容值計算有9個,你用哪一項來算?你給我講清楚是用哪一項來算的,你怎么樣算,我也按照這個模式算,我知道你怎么選的,我就可以給你校對,可以給你審核,否則分不出來,不是光肉眼可以看得出來的。所以我們要建立一個評審制度,不同的等級評審是不一樣的。電磁兼容工程師或者總工辦找一個人專門來做這個工作,做得好一點可以。

還有一個問題在哪呢?很多單位已經做了設計審核檢查表,但是幾百個工程師設計,可審核的時候一個人顧得過來嗎?我進行重點控制,我搞了一個設計審核重點控制,我把幾個關鍵的節(jié)點進行控制,不同的層級控制的要點不一樣,這樣子就可以大家來進行信息共享。如果說我是總管,或者我是項目經理,我自己巡查一遍不太放心,你就連夜24小時開辦,把前面的全部再檢查一遍。我這里有一個圖例,你們可以看看是怎么做的,提供給你們一個思路。把整個設計過程中由設計工程師自查,然后要求專門的電子兼容設計工程師復核你做到還是沒做到,分得很細很細,然后把復核的意見對、錯,或者你同意不同意,如果表列不上,你拉多一點嘛。因為電子兼容工程師,至少對我來講,我肯定比設計師的水平高,電子兼容工程師告訴你這個地方做得好像有點不太合適,咱們商量一下是不是改一改,這樣經驗就積累過來了。我也不用跟你吵架,也不用說你做到還是沒做到

。我給你們看這有多少頁?21頁,記不住吧,但是我一個表格拿出來逐條對,簡單吧。這樣做了以后就容易多了。同樣的結構設計一樣的,包括軟件檢查,怎么審核?按照工程設計的重點控制進行測試。不同的產品,不同的標準,不同的形式,審核標準是不一樣的,國標是19項,不是說每一項都要接地、屏蔽,不是那么回事兒。某幾項要重點考慮接地,這樣控制以后大部分問題都解決掉,當然其他方面也要考慮,但這是要重點考慮的。但是有一些,比如天線這塊加上濾波,那么選擇接地線要控制好,雷達本身就是一個很好的分區(qū)屏蔽的格式,你還要加大外罩,不是那么回事。不同的產品,室內的,室外的,臺式的,立式的,車載的,機載的,陸軍、海軍、空軍,不同的情況設計要點是不一樣的。你在設計過程中你要考慮你的產品結構形式是什么,你的標準是什么,控制的要點是什么,那你就好審核了。
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如果有實驗室的人可以看一看,關鍵有一個預測試試驗,試驗的時候一定要有一個預測試實驗,不能說到最后再去試驗,那時候代價就太大了。不要把實驗室的那些標準拿出來,但是試驗的特點是什么,你在試驗過程中關注的是什么,這個要心里有數。你們可能更感興趣的是這個,騷擾源的定位。產品內的主要電磁騷擾源是什么,這個你要清楚,我把騷擾源源頭控制,把傳播途徑切斷,這是你需要知道的東西,否則就累了。

同一個試品存在不同測試結果的原因,這個一定要進行分析,確實有這個現象,這是客觀存在的,我在A實驗室做的,B實驗室結果不一樣,確實有這個現象,這是很正常的現象。在試驗過程中問題整改怎么做,不同的情況怎么做,這些控制要點在哪?寬帶的,監(jiān)測的,直通的,泄露的,傳導的,輻射的,靜電,所有的這些都有自己的特點。出了問題大概在什么位置,出了什么問題。咱們知道,整改首先是定位,只要定位正確,做起來就很簡單。如果定位不好,做起來就很難了。騷擾源的定位非常重要。我們的目的是什么?不同的行業(yè),不同的環(huán)節(jié),不同的設計師,在中間各取所需。這個完全把我設計過程中遇到的問題提綱挈領地全部羅列出來了,設計師做的時候不同的環(huán)節(jié)進行檢測就行了,駕輕就熟一點,節(jié)省一點時間,效果好一點。我就講這么多吧,謝謝大家!

現場提問:

提問:今天我們講EAC的問題是最多的,MIE有個問題,這個問題是什么呢?我們打接觸的時候有三種現象,當我們把接地槍靠近這個的時候關機了,第二個問題是死機,就是機器停在那里不動,第三個現象是一打的時候屏幕上面有橫條,對這三個現象我們能不能判定電路是在哪個地方,我們能不能確定整改方向是哪個電路有問題?

馬永健:我這樣說吧,一個信號進來以后,你記住環(huán)路大了以后,環(huán)路大就是接收天線,等于是打了靜電以后,中間放電的時候直接打到環(huán)繞上去,然后芯片的端口可能跳或者是死機。如果嚴格說要設計好或者小一點,再不行就進行端口處理。

提問:我們直接用槍打那個地也是一樣,一碰就關機或者是干擾。

馬永?。河幸粋€問題要搞清楚,不要管打到哪個地方,因為打到地上以后,它又到芯片的端口上去。如果沒有端口,光打到線路上是沒有什么用的。如果是改設備的時候,芯片的端口要怎么處理,加上TBS管比較好一點,如果不行的話前面加上慈珠先過一下。

提問:我們在整改的時候,這方面的問題碰到比較多,但是根據我們的經驗,在打地的時候出現這個問題是很難搞的。

馬永健:你把接地點換個地方,還是把環(huán)比減小。

提問:我們的MCU是系統(tǒng)控制,數字線或者是一些控制器非常靈敏,你一打地上有一個波度,可能造成機器內部的軟件復位或者是關機。

馬永健:因為沒有看到實際產品,只能是從原理上講。

提問:這個問題是目前比較多的。

馬永健:還有一個辦法,把地浮起來。

提問:我們也做過實驗,把板子的層再多加一層,我們鋪一塊大的薄膜在上面,這個時候測試確實有改善。

馬永健:如果說在放靜電的時候,多鋪層地就是防靜電的最有效措施。為什么?還是一句話,閉環(huán)路小了。

提問:另外電路方面有很多問題。

馬永?。喝绻a品已經出來了就得想辦法在端口上加TPS管,加磁珠。要看產品的結構到底是怎么樣的。

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