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工程師經(jīng)驗(yàn)總結(jié):EMC電磁兼容知識(shí)盤點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2018-10-12 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】在全球市場(chǎng)化和國(guó)際貿(mào)易更加頻繁的今天,如果電子產(chǎn)品EMC指標(biāo)不符合國(guó)際和使用國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),就被列入不合格產(chǎn)品,無(wú)法出售,更談不上電子產(chǎn)品的價(jià)值。今天我們就講一下EMC設(shè)計(jì)及預(yù)防控制手段等各種相關(guān)知識(shí)。
有過(guò)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的朋友,可能都有過(guò)深刻而痛苦的體會(huì),辛辛苦苦設(shè)計(jì)好所有產(chǎn)品工作,等到做好樣機(jī)時(shí)機(jī)時(shí),要么電磁輻射超標(biāo),要么旁邊突然有人打個(gè)手機(jī),設(shè)備莫名其妙的“掛”了,出現(xiàn)各種異常、宕機(jī)、嚴(yán)重的直接冒煙……而這一切的根本原因則是EMC設(shè)計(jì)沒(méi)有做好,EMC設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)品可靠性重要的一部份。
1 什么是EMC?
電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility):
是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行,并且并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。
因此,EMC包括兩個(gè)方面的要求:
一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;
另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。
所以引申出兩種概念:
1.電磁干擾EMI(Electromagnetic Interference)
電磁干擾導(dǎo)致電子設(shè)備相互影響,并引起不良后果的一種電磁現(xiàn)象。
2.電磁敏感性EMS(Electromagnetic Susceptibility)
設(shè)備暴露在電磁環(huán)境下所呈現(xiàn)的不希望有的響應(yīng)程度。即設(shè)備對(duì)周圍電磁環(huán)境敏感程度的度量。電磁敏感意味著電磁環(huán)境已經(jīng)造成設(shè)備性能的降低。
2 EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程
2.1選用合適結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計(jì);
要使產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性,需要專門考慮與電磁兼容相關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。電磁兼容設(shè)計(jì)一般包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
1)接地
許多電磁干擾問(wèn)題是由地線產(chǎn)生的,因?yàn)榈鼐€電位是整個(gè)電路工作的基準(zhǔn)電位,如果地線設(shè)計(jì)不當(dāng),地線電位就不穩(wěn),就會(huì)導(dǎo)致電路故障。地線設(shè)計(jì)的目的是要保證地線電位盡量穩(wěn)定,從而消除干擾現(xiàn)象。
2)布板
無(wú)論設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾發(fā)射還是受到外界干擾的影響,或者電路之間產(chǎn)生相互干擾,線路板都是問(wèn)題的核心,因此設(shè)計(jì)好線路板對(duì)于保證設(shè)備的電磁兼容性具有重要的意義。線路板設(shè)計(jì)的目的就是減小線路板上的電路產(chǎn)生的電磁輻射和對(duì)外界干擾的敏感性,減小線路板上電路之間的相互影響。
3)屏蔽
對(duì)于大部分設(shè)備而言,屏蔽都是必要的。特別是隨著電路工作的頻率日益提高,單純依靠線路板設(shè)計(jì)往往不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。產(chǎn)品的屏蔽設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有許多不同之處,一般如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮電磁屏蔽的要求,很難將屏蔽效果加到產(chǎn)品上。所以,對(duì)于現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì),必須從開(kāi)始就考慮屏蔽的問(wèn)題。
屏蔽主要用于切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑,這三種耦合又對(duì)應(yīng)于靜電屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽與電磁屏蔽,衡量屏蔽的質(zhì)量采用屏蔽效能這一指標(biāo)。
電磁波經(jīng)過(guò)一種材料會(huì)產(chǎn)生如下3種情況:
反射、吸收和透過(guò)。
所以屏蔽材料必須擁有反射或吸收的特性。
目前主流的電磁屏蔽解決方案材料有:
不銹鋼、銅箔、鋁箔、導(dǎo)電涂料、電磁波吸收材料(鐵氧體、鎳粉、碳黑、羰基鐵等)。
屏蔽是結(jié)構(gòu)工程師對(duì)電子產(chǎn)品是一種非常實(shí)用的手段,特別是消費(fèi)類電子產(chǎn)品,如手機(jī),用的非常多,下面就舉一些實(shí)例:
3.1)金屬屏蔽罩:
3.2)銅箔屏蔽:
3.3)電磁屏蔽氈
3.4)電鍍導(dǎo)電屏蔽層
3.5)鎂合金外殼
鎂合金是功能化與結(jié)構(gòu)化相結(jié)合,既能實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能,又能實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)承重的帶有“智能化”特性的屏蔽材料。但這種方法對(duì)電磁屏蔽作用存在一定的爭(zhēng)議,暫時(shí)不要將其做主要方法。
4.濾波
對(duì)于任何設(shè)備而言,濾波都是解決電磁干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。因?yàn)樵O(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線,因此,設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射發(fā)射都是通過(guò)各種導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)的,而外界干擾往往也是首先被導(dǎo)線接收到,然后串入設(shè)備的。濾波的目的就是消除導(dǎo)線上的這些干擾信號(hào),防止電路中的干擾信號(hào)傳到導(dǎo)線上,借助導(dǎo)線輻射,也防止導(dǎo)線接收到的干擾信號(hào)傳入電路。
手段:如采用濾波元器件。
當(dāng)然,這幾種設(shè)計(jì)會(huì)通常會(huì)混合使用,以求達(dá)到EMC測(cè)試要求。
因?yàn)楦餍袠I(yè)對(duì)EMC的要求會(huì)有很大不同,所采用的主要手段也大不相同,如作者所見(jiàn)車用電子產(chǎn)品采用金屬屏蔽罩的就較少,而智能手機(jī)卻有一堆。所以建議對(duì)比標(biāo)桿產(chǎn)品,選用合適的EMC結(jié)構(gòu)。這里切記自性心爆棚,隨意跨行業(yè)選用EMC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),有利有弊的。
2.2選用此種EMC結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn);
EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)是很少,作者所見(jiàn)的EMC文檔資料多為參考性質(zhì),如上述的實(shí)例所示。設(shè)計(jì)時(shí)需要具體精確到EMC結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征,并在此結(jié)構(gòu)范圍下再次細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)的尋找,直到找到最小特征的標(biāo)準(zhǔn)為止。
如采用金屬屏蔽罩結(jié)構(gòu),選用合適供應(yīng)商之后,可參考供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn),如:
3.照章辦事;
3.1耐心解讀標(biāo)準(zhǔn);
因?yàn)镋MC結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)不完善,就算是好的供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)也很難說(shuō)是正確完美的,所以通讀、理解、梳理這些不完善的標(biāo)準(zhǔn)很需要耐心和專業(yè)素養(yǎng)。
3.2.作圖;
材質(zhì),尺寸與公差,測(cè)試等要求,都是要在圖紙上表現(xiàn)。規(guī)范的圖紙是實(shí)力的體現(xiàn)。
3.3計(jì)算書;
EMC基本上以測(cè)試為準(zhǔn),但有些EMC細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)需要公差控制,所以對(duì)應(yīng)公差分析的計(jì)算書是需要的。
4.特征優(yōu)化:書面形式的上升空間;
以書面形式表達(dá)EMC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可以寫在計(jì)算書中。
EMC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向有:
4.1EMC設(shè)計(jì)方法的更換:依據(jù)DFA原則,更少的零件能減少裝配時(shí)間,增加可靠性。所以若能用布板的方式達(dá)到EMC控制的效果,就不需要采用金屬屏蔽罩。其他如鎂合金的金屬外殼也可以考慮代替塑膠殼+導(dǎo)電布等。
4.2零件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化:如合理的布板能簡(jiǎn)化金屬屏蔽罩的結(jié)構(gòu)。
4.3材料成本:如噴涂導(dǎo)電粉時(shí)是否一定要用銀粉,是否能用銅粉,或用其他EMC設(shè)計(jì)手段替代,和4.1有些重復(fù)。
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