家用电器印制电路板辐射骚扰抑制问题的研究

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  【摘要】随着对家用电器功能需求的日益复杂化,电子科技和高集成度技术被大量施加与家用电器中,家用电器设备的稳定性、安全性和电磁兼容性的要求也越来越高。这些问题给电子化的家用电器系统的硬件带来很大的挑战,内嵌于家用电器中的高速电路的电磁兼容性设计已经成为系统设计的主要因素。本文主要从电子家用电器方面着手,结合标准GB 4343.1从空间辐射EMI的原理及生成模式入手,研究了家用电器设备的印制电路板的电磁干扰及其抑制措施。
  【关键词】电磁兼容;辐射骚扰;家用电器;辐射EMI;印制电路板
  为防止电子设备的相互干扰,国外的一些国家和地区已经强制实施了产品电磁兼容性进口标准,如欧盟(15国)1989年开始强制执行89/366/EEC指令,规定电气和电子产品都必须符合EMC标准才能在欧盟市场销售,违者将被责令收回并处重罚。美国联邦通讯委员会FCC(Federal Communication Commission)颁布了一些有关EMC的法规,并进行这方面的管理,对于通讯发射机、接收机、电视机、计算机、各种家用电器均有相应的法规要求,任何想出口到美国的这些设备必须取得FCC的某种形式的认可,否则就违反美国的法律。在中国虽然各主管部门暂未完全整合产品质量监管体系,但是对一些有着重大关系的电子产品都有着正在强制执行的相关标准,以家用电器为例,GB 4343.1-2009强制执行标准的出台就将此类产品的电磁兼容性问题推到了产品生产者和使用者的眼前。
  1.研究背景与意义
  我国对电磁兼容理论和技术的研究起步比其他国家较晚,直到上世纪80年代初才针对电子设备的EMC问题颁布一系列条款和强制性法规,宣布在进入中国及国内生产自销的电子设备必须获得3C认证并贴3C标志后才能销售。而随着市场经济的发展和加入WTO,我国对各个行业各种产品的电磁兼容性有了更高的要求,在标准更新方面也力求同国际接轨,现用的电磁兼容标准GB/T 17626系列和GB9254等于06至08年间在等级及实验方法上都有更新。虽然家用电器的相关执行标准GB 4343.1虽等同采用了CISPR的标准,但其早版本从发布到开始执行的内,并未对家用电器形成规范化管理,企业产品设计过程中工程师们依旧分强调产品的功能和满足市场的需要,忽视对产品EMC标准性要求以及产品的安全要求,结果当产品通不过EMC标准的测试进行重新设计的时候,费用会大大的增加。大多企业的工程师缺乏电磁兼容思想,在进行产品研制后进行测试,运用各种抑制干扰的技术去逐个解决测试中出现的电磁干扰问题,而为了解决问题,可能要进行大量的拆卸和修改,同时可能出现这个问题解决,那个问题又出现,典型的头痛医头脚痛医脚的情况。因此在一开始设计时就要结合电磁兼容理念,通过对设备的电磁兼容性程度进行分析预测,找出干扰的部分,对其采取针对性措施实现电磁兼容。所以,了解电磁兼容性的原理,在设计产品的时候尽量避免干扰源,才能设计出高质量的产品,才能在今后的产品设计中形成一种好的习惯。
  2.研究内容
  电磁兼容型设计的目的就是提高电子设备本身的抗干扰能力、减少电子设备本身的电磁辐射、提高产品工作的稳定性,进而提高设备的电磁兼容稳定性。
  本论文主要研究电磁兼容中的辐射EMI的产生机理和抑制办法,从产生电磁干扰的三要素着手,深入分析主要的辐射干扰耦合途径。在各种干扰传播途径下,对造成辐射干扰的不同耦合方式进行预测分析。从辐射干扰产生的原因具体分析辐射EMI的几种解决办法:电磁屏蔽、滤波、接地等。同时对PCB上的辐射干扰进行理论预测分析,深入理解电磁兼容机理,得出抑制电磁干扰最实际的解决方法。
  本文从一下几个方面进行了研究:
  (1)电磁干扰及途径;
  (2)空间辐射EMI的原理及生成模式;
  (3)PCB的電磁干扰及抑制措施。
  3.电磁干扰及途径
  电磁干扰的形成必须同时具备以下三个因素:(1)电磁干扰源:指产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或者自然现象。(2)敏感设备:指对电磁干扰发生响应的设备。(3)耦合通道:指把能量从干扰源耦合(或者传播)到敏感设备上,并使该设备产生响应的通路或者媒介。
  电磁干扰(EMI)是一种普遍的电磁现象,它会降低装置、设备或一个系统的性能。首先来研究电磁干扰如何从源传至接收器,接收器可以是一台装置或设备或一个系统。我们用“接收器”这个词表示它可接受电磁干扰。
  连接在源上的电源、信号、控制线缆与接收器的电源、信号、控制线缆耦合时(特别是当线缆成束敷设在一起时)引起的电磁干扰(这种干扰可通过空间传导转至接收器,即使共用电源、信号、控制线缆不存在),在电磁兼容项目中定义为辐射干扰,通过空间的传输对外界其他电子设备。
  通常认为电磁干扰EMI的传输途径有两种方式,即“路”的干扰和“场”的干扰。“路”的干扰又称传导干扰,是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。“路”的干扰必定在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接,干扰沿着这个通路到达被干扰对象。“场”的干扰又称辐射干扰,是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。“场”的干扰不需要沿着电路传输,而是以电磁场辐射的方式进行。本文主要研究辐射干扰的问题。
  4.空间辐射EMI的原理及生成模式
  辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。从经典的电磁理论知道,任何加速的充电过程都会产生辐射,因此,在必须快速充放电而产生电信号的数字系统中,辐射是不可避免的。电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分,其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动,不向外发射,称为感应场;另一部分电磁场能量脱离辐射体,以电磁波的形式向外发射,称为辐射场。一般情况下,电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场(感应场,紧靠干扰源的区域)和近区场(辐射场,距离大于λ/2π的区域)。   骚扰源在向周围空间辐射发射可以根据天线和电波传播理论来得出计算方式,而在辐射的方式中,大致可以分为单点辐射、单导线辐射及平行线环路辐射。
  单点辐射主要是模拟较小的骚扰源,就同电场分析中单电荷的电场分布一样,其辐射场公式为:
  (4.1)
  式中:E——电场强度,V/m;P——发射功率,W;G——天线的增益;r——到发射源的距离,m。
  在该表达式中,场强的大小同辐射源的发射功率大小,接收器到发射源的距离以及接收器的增益(阻抗匹配问题)有很大的关系,所以减少单点辐射的措施要从这几个方面入手。
  单导线的辐射相对来说就是单点辐射的一个单次积分,量值能通过电流的大小来得到,其公式为:
  (4.2)
  在平行双线环路中,双平行线之间的关系为差模关系,它的辐射大小同通过的电流有很大关系,也是单导线辐射抵消部分差模信号的结果,当l≤λ/4时,辐射场为:
  (4.3)
  5.PCB的EMI干扰及抑制措施
  干扰信号由干扰源传到被干扰的设备的途径有两种,一种是靠电源线或信号线的传导耦合,另一种是靠电磁波在空间辐射。电压电流的变化在传输时有二种形态,分别为“共模”和“差模”。差模辐射是由电路中传送电流的导线所形成的环路产生的,这些环路相当于可产生磁场辐射的小型天线。为了限制辐射发射,必须在设计过程中对电流导线环路的尺寸和面积进行控制。
  模辐射是因电路中不需要的电压降产生的,这种电压降使系统的某些部件与“真正”的地之间形成一个共模电位差。一般来说,共模辐射来自于系统中的电缆。如图所示,辐射发射的频率由共模电势(通常是地电压)决定。
  控制差模辐射发射的方法有:减小天线上的电流大小;减小电流信号的频率或电流的谐波分量(信号上升时间);减小导线电流环路面积。
  a.减小导线电流环路面积(PCB布局和多层电路板)
  尽管电流环路时电路正常工作所必需的,但为了限制差模辐射发射。必须在设计过程中对环路的尺寸与面积进行控制。选用较小尺寸的芯片封装,使用表面安装形式的芯片,不使用安装座;将信号层紧邻完整的地-电源平面,尽量避免信号线跨越地-电源平面的槽,如果不得不跨越,则应该在跨越槽两侧紧靠信号线放置低阻抗的桥接电容,使信号回流通过电容跳过槽而不增大环路面积;连接器是高速信号传输的关键环节,也是易产生EMI的薄弱环节,在连接器的端子设计上可多安排地针,减小信号与地的间距,必要时,要考虑将一些关键信号用地针隔离。
  同时注意高速时钟信号,时钟通常是系统中频率最高的信号,因此所有时钟线都应该有毗邻的地回流线;其次是地址总线和数据总线,至少应保证每8位一组的数据导线或地址导线有一条信号回流导线(接地线)相邻。因为最低有效地址导线上的电流频率往往最高,所以地回流导线最好靠近它来布线。
  b.减小天线上的电流大小
  如果接地合理,电源有去耦且布局良好,PCB上的差模辐射发射不会是主要问题。通常最主要的差模辐射来源是背板和互联电缆。在数字系统中,背板所产生的辐射往往是最主要的差模辐射源。在保证电路功能的前提下,尽量使用低功耗的芯片;当较长的导线上有较大的电流时,用缓冲器来减小电流。
  减小辐射发射大小的主要方法是限制共模电流的大小。采取下面的措施就能够达到控制共模电流大小的目的:使驱动天线的源电压最小,通常是指地电压;提供足够大的共模阻抗与电缆串联,即使使用所谓的共模扼流圈;将共模电流分流到地;电缆实施屏蔽10。
  a.减小共模电压
  使用接地网格或接地平面减小接地系统上的电压降是减小共模电压的有效方法。为设备选择与外部大地合理连接点也有助于减小共模电压。设备的外部接地点距离借口电缆的位置越远,这两点之间就越容易产生较大的共模电压。
  b.共模扼流圈
  共模扼流圈普遍用于限制电缆上的共模发射,其工作特性不会影响到差模电流。由于扼流圈绕组之间寄生电容的旁路效应,共模扼流圈的效果一般不会大于20dB,典型值在6dB~12dB之间。一般要求共模扼流圈在需要抑制的频率范围内至少具有100Ω~1000Ω的阻抗,小于这个范围就很难有效了。
  c.电缆的去耦
  使用去藕电容将电缆上的共模电流分流到地,其使用效果取决于驱动电路的共模源阻抗。除了去耦电容之外,采用与电缆串联的电阻或电感也能获得减小共模电流的效果。内嵌并联电容器或串联电感类元件的引脚滤波型连接器也是一种用于电缆共模抑制的技术。
  d.电缆的屏蔽
  为了减小电缆的辐射,可以采用屏蔽电缆。电缆的去耦和屏蔽都需要一个没有受到数字逻辑电路噪声污染的“干净”的地。
  为了避免I/O地受到污染,只能将I/O线的去藕电容和外部电缆的屏蔽层连接到这个地上。I/O地与外部大地之间必须提供低阻抗连接,通常是通过安全接地线接地。为了减小I/O地的接地电感,I/O地与结构地之间必须多点连接。
  在产品的设计和布局阶段很容易控制差模辐射。相比之下,共模辐射却很难控制。通常,恰恰是共模辐射决定着产品的整体发射性能。
  在得到相等的辐射场场强下,解出差模电流与共模电流的比值,就可以算出产生大小相等的辐射场所需要的差模电流对共模电流之比,所以有:
  (5.1)
  上式中的和分别是产生同等大小辐射场所需要的差模电流与共模电流。对于一般的电缆长度l=1m,环路面积A=0.01m2,当频率f=50MHz时,则公式的结果约等于
  (5.2)
  这个例子表明:差模电流只有比共模电流大至少3个数量级,它产生的辐射场才能等于共模电流产生的辐射场。也就是说,几微安的共模电流就能够产生与几毫安差模电流产生的辐射场相等的辐射场,这是因为共模电流不能在RF返回路径中进行磁力线的抵消;另一方面,差模辐射的能量随频率而增加的速度比共模辐射来得快。因此共模辐射常出现在较低频的地方,而差模辐射则在较高的频率范围更具影响力。
  6.结论
  文章主要讨论电磁兼容性的基本原理,重点介绍辐射型EMI的产生原理及模式,从多个角度结合家用电器电磁兼容检测的标准,分析了PCB的EMI干扰产生原因,并针对其提出了抑制措施,对共模辐射和差模辐射进行了简单的分类研究。
  参考文献
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  湖南省质量技术监督局基金项目(编号:2013KJJH33)。
  作者简介:陈宁(1983—),硕士研究生,现供职于湖南省计量检测研究院,主要从事家用电器、车载电子产品、医疗电气设备和计量器具的电磁兼容检测方法研究工作。
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