电磁兼容性设计

2022-09-12

电磁兼容 (E M C, E l e ct r o m ag ne ti c Compatibility) 的一般定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。这个概念包含两方面的内容:一是设备自身能不受处于同一电磁环境中其它设备的电磁干扰而正常工作, 即不出现功能降级, 具有一定的抗干扰性 (或称不敏感性) 二是设备工作时 (或存在时) 不因其电磁发射而导致这一电磁环境中的其它设备工作失常, 即它的电磁骚扰特性控制在一定的水平之下。要保证仪器在各种复杂的电磁环境中都能正常地工作, 在仪器设计阶段就必须认真考虑电磁兼容性设计。

1 电磁干扰的分类

电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的。在当今电子信息时代, 电磁干扰与废水、废气并列为三大污染源。它对人们生活、工作的影响愈来愈广泛、愈来愈严重。电磁干扰是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。

电磁环境由大量不同特性的干扰源产生, 决定的因素多, 而且是随机变化的, 这些干扰会影响系统和仪器设备的可靠性和使用性。为了控制电磁干扰, 可以将各类干扰划为两大类, 并采取相应的防护措施。

1.1 内部干扰

内部干扰:指电子设备内部各元部件之间的相互干扰。包括以下几种。

(1) 工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰; (2) 信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合、或导线之间的互感造成的干扰; (3) 设备或系统内部某些元件发热, 影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰; (4) 大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

1.2 外部干扰

外部干扰:指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰。包括以下几种。

(1) 外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统; (2) 外部大功率的设备在空间产生很强的磁场, 通过互感耦合干扰电子线路或系统; (3) 空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰; (4) 工作环境温度不稳定, 引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰; (5) 由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

对于系统或设备的内部干扰, 主要靠电路方面的信号设计、线路设计及电路模块合理布局来加以消除或削弱。对于来自外部的干扰, 则主要通过在结构设计中采用屏蔽、接地等抗干扰措施来抑制。但是由于电子技术应用广泛, 各种干扰设备的辐射很复杂, 要完全消除电磁干扰是不可能的。我们只能采取多项技术措施减小电磁干扰, 使电磁干扰控制到一定范围内, 从而保证系统的兼容性。

2 印制电路板的电磁兼容性设计

印制电路板是电路的核心部分, 保证印制电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键, 对电路板进行电磁兼容设计的目的主要是为了提高电路板的抗干扰性能, 减小电路板的电磁辐射, 提高电路板上电路工作的稳定性。而要达到以上目的, 在电路板设计时就要着重考虑:电路的合理布局、地线的设计、信号走线的设计等等。引信阻力片压力测试系统电路板设计中采取的具体措施如下。

(1) 综合考虑印刷电路板的布局, 合理安排元件的位置, 使微弱信号走线最短。为防止电磁干扰, 某些元件不可以靠的太近。

(2) 在可能的情况下, 线条尽可能是粗线, 尤其是电源线和地线, 要用粗线来画。因为电源线和地线通过的电流较大, 线条太细会因为发热而影响线条寿命。线条电阻上的压降会成为干扰源。一般来说, 对于信号线, 实际线宽和间隔应大于0.5mm, 对于电源线和低线实际线宽和间隔应大于1.0mm。

(3) 数字、模拟电路分开。电路板上即有高速逻辑电路又有线性电路, 应使它们分开, 两者的电源线和地线不能混淆。

(4) 采用双面印制电路板, 电路板只有一块, 减少了电路板之间的连接线。

(5) 元器件按照各功能模块分组排列, 以每个功能电路的核心元件为中心, 围绕它来进行布局, 元器件均匀、整齐、紧凑的排列在电路板上, 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

(6) 布线时地线最宽, 然后是电源线, 再次是信号线;地线尽量粗, 避免环形接地回路, 因为环形接地容易受到磁场感应干扰, 也可能存在电位差产生的干扰;电路板顶层水平走线, 底层垂直走线;信号线的拐角采用450走线方式;频率高的时钟信号线不走过孔, 直接进入负载端, 并且两边有地线隔离;所有的信号线与电路板边缘的距离大于1mm;与仪器面板连接的信号线, 要留出焊盘, 以便于焊接。

另外, 为了使系统能具有电磁兼容, 在设备和系统设计时注意选用相互干扰最小的元件、部件和电路, 并在结构上注意合理布局, 尽可能的减少电磁干扰的诱因。因制造工艺、印刷电路板的合理设计与布线对噪声引起的电磁干扰和对系统的影响可以通过合理的印刷线路板设计和制造工艺减至最低。同时要注意解决好下列问题:频率和频谱的选择、信号电平的选择、阻抗的选择、仪器及电路的布置。在电磁兼容设计中, 要在接地与搭接、屏蔽、滤波、电缆网设计、仪器电路设计、结构设计、材料和零组件及其工艺、防静电等方面采取措施。最后, 还必须进行电磁兼容性测试验证。可以采用绝缘材料涂覆、灌封, 采用屏蔽外壳进行屏蔽, 并选用对辐射不敏感的材料, 如陶瓷材料、金属钛、聚乙烯、硅酮塑料等。