電子電氣產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計對EMC性能的影響

楊春宇， 嚴赫

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽　621000)

?

電子電氣產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計對EMC性能的影響

楊春宇， 嚴赫

(綿陽市維博電子有限責任公司，四川 綿陽621000)

針對產(chǎn)品架構(gòu)對產(chǎn)品的EMC(Electromagnetic Compatibility)性能產(chǎn)生影響的因素，以電子、電氣產(chǎn)品的設(shè)計架構(gòu)為例，從EMS(Electromagnetic Susceptibility)和EMI(Electromagnetic Interference)的角度分析了產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計，包括產(chǎn)品的接地與浮地、接地的位置與方式、屏蔽線纜的設(shè)計、金屬外殼的接地設(shè)計、數(shù)?；旌想娐返慕拥氐葍?nèi)容。將上述因素對EMC性能的影響詳細分析，提出了合理的電子、電氣產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計方式。

共模電流； 分布參數(shù)； 接地； 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)； 天線

0　引　言

EMC性能是全球主要國家和地區(qū)電氣、電子產(chǎn)品銷售必須獲得的各類安全認證之一[1]。電氣、電子產(chǎn)品要想獲得符合其相應(yīng)法規(guī)指令要求的EMC性能通常需從原理圖、電路板及結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[2]。其中產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計包含接地點位置選擇、接地方式、I/O線纜相對物理位置、是否采用屏蔽線纜、屏蔽層如何與各種“地”連接、內(nèi)部多個電路板互聯(lián)方式選擇等諸多方面。好的構(gòu)架設(shè)計可在要求不高情況下，縮減濾波、去耦元器件數(shù)目，達到節(jié)約成本但不降低EMC性能的效果[3]。

1　接地

1.1接地與浮地

浮地就是產(chǎn)品中沒有專門的地線在電氣上與EMC中的參考接地板相連接。浮地電路中的信號參考電位會隨著外拖線纜傳導或空間輻射進來的共模干擾而波動，導致電路板上功能信號傳輸?shù)馁|(zhì)量變差。

通?？刹捎媒拥貋砀淖児材ｋ娏髀窂?，最大限度地減小流入電路板內(nèi)部的共模干擾。本文將分別從抗干擾電磁敏感度(EMS)的和對外電磁騷擾(EMI)兩方面來分析產(chǎn)品接地對EMC性能影響。

1.1.1EMS的接地

電路板內(nèi)共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾并的原理如圖1所示。電路板內(nèi)部印制線相對參考接地板存在寄生參數(shù)，功能信號在電路板內(nèi)傳遞時，同一網(wǎng)絡(luò)各點不再等電位。電路板內(nèi)部電流i從源端出發(fā)流過一系列負載最終回到信號源形成信號，i永遠沿低阻抗路徑流動，這就決定了在阻抗確定的況下i通常不再改變，故進行EMC問題分析時常采用電流i而不是電壓u。

電路板內(nèi)部流動的電流稱為差模電流ID，從電路板外部經(jīng)參考接地板流入其內(nèi)部或從其內(nèi)部流出經(jīng)參考接地板后再回流至電路板內(nèi)部的電流稱之為共模電流Icom。高頻共模電流Icom有兩條路徑：①由GND進入電路板后從A點流向B點；②由S1進入電路板后經(jīng)旁路電容C由A點流向B點。由于地阻抗ZAB存在，會產(chǎn)生ΔUAB，信號在傳遞至IC2時，U2不再等于U1，此時U2=U1-ΔUAB，信號在傳遞過程中出現(xiàn)畸變，差模干擾對正常信號產(chǎn)生了影響。

圖1　從EMS角度看接地線改變共模電流回流路徑

1.1.2EMI的接地

進行EMC問題分析時應(yīng)注意3種分布參數(shù)：(1) I/O線纜的分布參數(shù)，如圖2中的C1。(2) 電路板內(nèi)部平面(如GND平面或POWER平面)對參考接地板的分布電容；(3) 電路板內(nèi)部各種細長印制線、插針、排線等對參考接地板的分布電容。如果電路板內(nèi)部有一個高dv/dt信號(如時鐘信號、變壓器初級的方波信號等)在傳遞過程中，Icom流經(jīng)ZAB會形成ΔUAB，ΔUAB通過與其相連的I/O線纜向外輻射，電路板內(nèi)部信號高次諧波所對應(yīng)頻率的波長為λ，若線纜長度L與λ的1/4整數(shù)倍相當，則線纜為發(fā)射效率最高的天線。

圖2　從EMI角度看接地線改變共模電流回流路徑

可采用如下方法降低線纜對外輻射：對于傳導發(fā)射CE，應(yīng)降低Icom經(jīng)I/O線纜流入LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))中的等效50 Ω阻抗所形成壓降；對于輻射發(fā)射RE，應(yīng)降低ICOM經(jīng)I/O線纜流入接收天線后轉(zhuǎn)換出的電壓或電場大小。如圖2右圖所示，高dv/dt信號從IC1向IC2傳遞過程中存在阻抗ZZB，Icom原本會沿著與其相連I/O線纜一直向外傳遞(流入LISN或天線)，但此時在I/O端口出現(xiàn)的接地線為其提供了一條阻抗更低的回流路徑，大部分Icom經(jīng)接地線─參考接地板─產(chǎn)品外殼與參考接地板的分布參數(shù)C3─電路板內(nèi)部GND平面對產(chǎn)品外殼的分布參數(shù)C2最終回到高dv/dt信號出發(fā)點A。使得最終在LISN或天線上形成的壓降降至最低。

1.2接地的位置

好的接地設(shè)計能夠使產(chǎn)品在不增加成本情況下，實現(xiàn)較好的EMC性能。相反，不正確的接地會給產(chǎn)品EMC性能帶來諸多副作用，此時接地比不接地的EMC性能更差。

1.2.1EMS的接地位置

圖3　接地線位置不同改變共模電流回流路徑

如圖3左圖所示，Icom從左側(cè)I/O線纜注入時，接地點位于干擾注入端口處，Icom將直接從接地線旁路經(jīng)參考接地板返回Icom的信號源端，此種接地可以最大限度的降低流入電路板內(nèi)部的干擾電流。圖3右圖所示接地線在Icom注入線纜的另一側(cè)，此時Icom流經(jīng)電路板造成的干擾影響最大，因為若沒有接地線，則有一部分共模干擾會沿著右側(cè)I/O線纜對地的分布參數(shù)經(jīng)參考接地板回流至干擾信號源端，Icom因回路存在使得流過電路板的共模電流降低，對電路板有用信號的傳輸影響也隨之降低。

1.2.2EMI的接地位置

如圖4左圖所示，當浮地產(chǎn)品內(nèi)部高dv/dt信號從IC1向IC2傳遞過程形成ΔUAB，因I/O端口沒有接地線，兩側(cè)的線纜與高頻ΔUAB成為一等效對稱振子天線。當其中一側(cè)線纜存在接地線后，其另外一側(cè)線纜與高頻ΔUAB成為一等效單極子天線，輻射依然存在。由此可見產(chǎn)品接地線位置不能隨意安排，應(yīng)靠近I/O線纜放置。當產(chǎn)品兩側(cè)線纜都會注入共模干擾時，最好是兩側(cè)均放置接地點。但產(chǎn)品對外只能有一個接地線位置，對于另外一側(cè)線纜的接地可借助低阻抗導體(通常是金屬外殼)進行低阻抗搭接。

圖4　I/O線纜分別放置于兩側(cè)后產(chǎn)生EMC風險

結(jié)構(gòu)設(shè)計前期，應(yīng)盡可能將產(chǎn)品所有I/O線纜位置集中放置在產(chǎn)品一側(cè)。這樣便可只通過一個接地點來解決外界共模干擾從每根線纜注入或高dv/dt信號并從每根線纜向外輻射的矛盾。

1.3接地的方式

1.3.1金屬外殼、金屬板

功能上有接地產(chǎn)品通常是金屬外殼。金屬外殼接地后既可防止電擊對人造成傷害，也可利用其低阻抗特性將未進入電路板的外部共模干擾旁路，同時也可將電路板內(nèi)部傳遞的高dv/dt信號通過耦合方式在通過低阻抗金屬外殼與電路板之間相對較大的分布參數(shù)回流至高dv/dt信號源點。

屏蔽理論上需要六面封閉的金屬，但就接地而言一塊平行于電路板放置的金屬板即可。屏蔽金屬殼可對電路板內(nèi)部敏感電路等效的環(huán)天線和棒天線進行屏蔽，但金屬外殼仍須接地，否則不僅不能起到屏蔽作用，反而因為孤立導體電勢不確定，對電路板中各信號進行更強輻射或使高dv/dt信號通過金屬外殼向外輻射。塑膠外殼產(chǎn)品，可在其內(nèi)部設(shè)計一塊金屬板來進行接地設(shè)計，可參考圖5。在左右隔離電路板接地中采用Y電容(圖中CY1、CY2)和金屬板進行連接，其主要目的是不破壞電路的隔離。

圖5　復(fù)雜電路板中各單元電路的接地改變共模電流路徑

1.3.2接地的三種形式

接地主要分三種形式：(1) 直接接地；(2) 通過Y電容接地；(3) 通過Y電容和電阻的并聯(lián)接地。直接接地對于EMC來說是最佳選項，Y電容接地則是退而求其次的選項，具體采用哪種接地方式，主要視電路安全要求。

1.3.3接地的阻抗

EMC主要是高頻問題，高頻阻抗Z=2πfL與導體寄生電感L有密切關(guān)系，導線、插針的L為1 nH/mm，雖數(shù)值小，但頻率f可能高達數(shù)百MHz甚至GHz，此時Z值較高。一般長寬比不超過5的連接導體可視為低阻抗連接，普通線纜在用作接地線時，如果細長，雖不影響其安全性能，但會帶來EMC風險。

1.4接地的注意事項

1.4.1屏蔽線纜的屏蔽層接地

在產(chǎn)品EMC架構(gòu)設(shè)計中常使用屏蔽線纜。從EMS來看，共模干擾直接注入在屏蔽層上，屏蔽線纜能夠?qū)⒆⑷氲骄€纜的共模干擾電流通過屏蔽層引導到參考地、外殼或者電路板的工作地，使屏蔽層中信號和線纜接口電路得到保護。從EMI來看，還能將信號線中高dv/dt信號包圍在屏蔽層內(nèi)，使線纜屏蔽層上沒有額外的EMI共模電流。

圖6在產(chǎn)品線纜設(shè)計時，雖已采用屏蔽線，但屏蔽層接地時把其擰成一段數(shù)厘米長導線后，將大大降低屏蔽效果，甚至產(chǎn)生反作用。屏蔽層被擰成一根較長的導線來接地，相當于在屏蔽層上串聯(lián)了一個數(shù)nH的電感，它能夠在接口的屏蔽層上形成一個共模電壓UL，隨著頻率增大，連接的等效轉(zhuǎn)移阻抗也將迅速增大，這樣會使屏蔽線纜完全失去作用。對于屏蔽層應(yīng)該盡量做到360°搭接，以降低搭接阻抗。

圖6　屏蔽線過長屏蔽層引起EMC問題

1.4.2防止數(shù)模串擾的接地

當電路板內(nèi)部同時存在高速數(shù)字電路和低電平模擬電路時，需關(guān)注高速數(shù)字信號回流ID在數(shù)字電路地阻抗ZD上產(chǎn)生的共模噪聲，如圖7左圖所示，低電平模擬信號回流經(jīng)過ZCD，可能會產(chǎn)生嚴重的數(shù)模串擾問題，盡管數(shù)模串擾問題比較復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上依然可以通過接地來達到降低數(shù)模串擾的效果。圖7右圖中3顆接地螺釘中，螺釘2接地最為重要，它為高速數(shù)字信號回流ID提供一條更低阻抗回流路徑(如圖中箭頭所示)，讓流入ZCD電流更小，從而減小了對低電平模擬信號影響。

圖7　數(shù)模混合電路接地減小相互串擾

對于屏蔽線纜的屏蔽層，在EMC考慮范圍內(nèi)需要雙端接地。圖8中(a)所示，與屏蔽線纜相連臺設(shè)備出現(xiàn)了因地環(huán)路造成的干擾引起信號質(zhì)量變差。圖8(b)、(c)分別通過更改接地線位置或?qū)⑵帘螌优c受干擾設(shè)備的金屬外殼(或內(nèi)部電路板的參考地)由直接連改為電容連方式來解決地環(huán)路問題。

圖8　雙端接地引起地環(huán)路問題

1.4.3隔離Y電容接地影響

產(chǎn)品因安全或抗干擾要求會采用隔離電路，常在隔離前后參考地間跨接Y電容使電路內(nèi)部共模電流沿此路徑流動，以減少I/O線纜流入LISN或天線的共模電流。圖9中A點為共模干擾源，在GND1和GND2間所跨接CY將原本全部流向LISN的Icom通過此電容回流至A點，降低流向LISN的Icom，有效降低了EMI發(fā)射。該電容一般為不超過10 nF的安規(guī)電容。如接口設(shè)計得當，就可獲得較好EMC性能。

圖9　開關(guān)電源隔離變壓器接地Y電容改變共模電流路徑

1.5金屬外殼接地對靜電放電的影響

金屬外殼產(chǎn)品需對其外殼進行靜電接觸放電測試。靜電放電所產(chǎn)生的dv/dt很高。若金屬外殼懸空，則靜電電流會通過分布參數(shù)對電路板內(nèi)部信號產(chǎn)生干擾，故其需與電路板有正確的接地連接。圖10左圖給出產(chǎn)品內(nèi)部電路板在沒有與金屬外殼接地時的干擾模型，右圖給出將高頻共模干擾電流旁路至外殼的模型。低阻抗接地導體AB、CD分別將原先金屬外殼與電路板1和電路板2間分布參數(shù)Cp1、Cp2短路，高頻共模干擾將只會沿著金屬外殼流動。沒有DE間低阻抗連接時，Icom最終通過金屬外殼與參考接地板間分布參數(shù)Cp4回流至干擾信號源端。若DE間存在接地，則AB、CD間就無需再接地，此時共模電流是從I/O線纜對參考接地板的分布參數(shù)Cp5回流至干擾信號源端。若只選擇AB或CD間接地，高頻共模電流仍然流過電路板，產(chǎn)品功能信號仍會受干擾。對金屬外殼進行接觸放電的干擾模式下DE間接地不必存在，但考慮到從此線纜注入共模干擾或從電路板內(nèi)部跑出的高dv/dt信號，DE對EMC性能提升非常有幫助。電路板中工作地與金屬外殼間只要互聯(lián)正確就不會導致外部干擾進入電路板，金屬外殼的低阻抗特性會把原本要流入電路板的干擾旁路在金屬外殼上，故產(chǎn)品接地點應(yīng)該在靠近I/O端口放置。

圖10　電路板接地改變ESD共模電流路徑

DB連接器在使用時也應(yīng)與金屬外殼進行有效搭接。EMC領(lǐng)域所提及的搭接及通過導體低阻抗連接如螺釘、導線或直接焊接等方式，使得在對I/O連接端子金屬部件進行靜電放電時，高頻共模電流能夠通過I/O連接端子與金屬外殼間低阻抗導體泄放，避免因搭接不良產(chǎn)生高頻靜電場，對內(nèi)部敏感信號的輻射干擾，產(chǎn)生死機、復(fù)位、通信數(shù)據(jù)丟包等不良情況。

1.6多塊電路板互聯(lián)方式的影響

復(fù)雜產(chǎn)品通常需要多塊電路板互聯(lián)來實現(xiàn)其功能，通常采用插針或排線來實現(xiàn)電路板間信號傳遞。電路板互聯(lián)的插針、排線是EMC高風險環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為(1) 與同樣長度的印制線相比，插針、排線的阻抗是印制線阻抗的10倍，高頻共模電流Icom流過插針或排線時，產(chǎn)生較高ΔU，導致信號畸變。(2) 通過插針或排線的信號環(huán)路通常比電路板內(nèi)部信號環(huán)路大，易引起信號間串擾，產(chǎn)生信號完整性問題。

為此可通過：(1) 適當增加地針數(shù)目；(2) 重新定義插針傳遞信號的位置；(3) 在互聯(lián)插針或排線旁邊增加用于連接兩電路板GND的低阻抗金屬導體來解決EMC問題。如圖11所示，圖(a)較圖(b)增加了地針，兩電路板間阻抗ZGND減小，高頻共模電流Icom在其上形成壓降ΔU也越小，信號通過插針或排線傳遞，信號受影響較小。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品中若沒有金屬連接器或金屬連接器未將背板和插板中的信號參考地相連，兩電路板間阻抗ZGND不能控制在一個足夠低的范圍內(nèi)時，無論外接線纜是否為屏蔽線纜，均會引起EMI超標，一般采用低阻抗的螺釘或金屬卡子來實現(xiàn)兩塊電路板的穩(wěn)固連接。

圖11　電路板互聯(lián)插針定義對EMC影響

2　結(jié)束語

通過對產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計情況進行EMC原理分析，證實了產(chǎn)品構(gòu)架對EMC性能的影響是至關(guān)重要的。設(shè)計應(yīng)從產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計開始就注意EMC風險控制，則后續(xù)設(shè)計就可以低成本實現(xiàn)較高的EMC性能。

[1] 錢振宇,史建華.電氣、電子產(chǎn)品的電磁兼容技術(shù)及設(shè)計實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 白同云.電磁兼容設(shè)計實踐[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 鄭軍奇.電子產(chǎn)品設(shè)計EMC風險評估[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 何宏.電磁兼設(shè)計與測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6] 張亮.電磁兼容(EMC)技術(shù)及應(yīng)用實例講解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[7] 郝曉冬，喬恩明.電源系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

Effects of Electronic and Electrical Product Architecture Design on EMC

YANG Chun-yu, YAN He

(Mianyang Weibo Electronics Co., Ltd., Mianyang Sichuan 621000, China)

Directed to the factors of product architecture which affect product EMC (electromagnetic compatibility), taking the design of electronic and electrical product architecture as an example and in the respects of EMC (electromagnetic susceptibility) and EMI (electromagnetic interference), this paper analyzes the product architecture design, including product grounding and floating, grounding location and mode, design of shielding cables, grounding design for metal housing, grounding of mixed signal circuit, etc.. furthermore, it analyzes the influence of above-mentioned factors on the EMC in detail, and introduces a reasonable architecture design method for electronic and electrical products.

common mode current;distribution parameter;grounding;LISN; antenna

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.035

TN03

A

1000-3886(2016)01-0109-04

楊春宇(1979-)，男，重慶人，工程師，本科，研究方向：EMC標準，電子產(chǎn)品EMC測試、設(shè)計與整改。嚴赫(1988-)，男，新疆人，助理工程師，研究生，研究方向：電量隔離傳感器硬件設(shè)計、軟件開發(fā)。

定稿日期: 2015-07-03