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EMC電磁兼容設(shè)計(jì)—概念

  • 發(fā)布時(shí)間:2024-09-14 13:36:29
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1、EMC的概念

EMC(Electro Magnetic Compatibility)——電磁兼容,是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中,按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力。就世界范圍來(lái)說(shuō),電磁兼容性問(wèn)題已經(jīng)形成一門(mén)新的學(xué)科,也是一門(mén)以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ),包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科的邊緣科學(xué),同時(shí)也是一門(mén)實(shí)踐性比較強(qiáng)的學(xué)科,需要產(chǎn)品工程師具有豐富的實(shí)踐知識(shí)。

電磁兼容的中心課題是研究如何控制和消除電磁干擾,使電子設(shè)備或系統(tǒng)與其他設(shè)備聯(lián)系在一起工作時(shí),不導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。

一個(gè)設(shè)計(jì)理想的電子設(shè)備或者系統(tǒng)應(yīng)該既不發(fā)射任何不希望的能量,又應(yīng)該不受任何不希望有的能量的影響。當(dāng)然,在電子設(shè)備或系統(tǒng)出廠前,衡量其EMC性能好壞的主要依據(jù)就是EMC測(cè)試結(jié)果。這些測(cè)試,就是衡量一個(gè)產(chǎn)品模擬產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中發(fā)生的一些騷擾和干擾,如下圖所示:

產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中發(fā)生的一些騷擾和干擾

一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)不考慮EMC問(wèn)題,就會(huì)導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗,以致不能通過(guò)相關(guān)法規(guī)的認(rèn)證,而不能出廠銷(xiāo)售。即使這種產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際工作環(huán)境中,也會(huì)出現(xiàn)一些實(shí)際問(wèn)題。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要不斷地研究出實(shí)用的方法來(lái)消除電磁干擾和騷擾。例如,工程師們根據(jù)需求設(shè)計(jì)出了效果良好的濾波電路,置于產(chǎn)品I/O接口的前級(jí),可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進(jìn)人系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的人口處;設(shè)計(jì)出了隔離電路(如變壓器隔離和光電隔離等)解決通過(guò)電源線、信號(hào)線和地線進(jìn)人電路的傳導(dǎo)干擾,同時(shí)阻止因公共阻抗、長(zhǎng)線傳輸而引起的干擾;設(shè)計(jì)出了能量吸收回路,從而減少電路、器件吸收的噪聲能量;或通過(guò)選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng),使干擾的影響減小。

目前,衡量一個(gè)產(chǎn)品的EMC的性能主要從以下兩個(gè)方面來(lái)考慮。

(1)EMI (Electro Magnetic Interference)——電磁干擾性能。即處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),不應(yīng)產(chǎn)生超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的電磁能量干擾。這樣的電磁干擾有:

  • 從電源線傳導(dǎo)出來(lái)的電磁騷擾;
  • 從信號(hào)線、控制線傳導(dǎo)出來(lái)的騷擾;
  • 從產(chǎn)品殼體(包括產(chǎn)品中的所有電纜)輻射出來(lái)的騷擾;
  • 從電源端口傳導(dǎo)出來(lái)的諧波電流(Harmonic);
  • 電源端口產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃爍(Fluctuation and Flicker)。

(2)EMS Electro Magnetic Susceptibility)—電磁抗擾度性能。即處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),設(shè)備或系統(tǒng)能承受各種類(lèi)型的電磁能量干擾。這種電磁能量干擾主要有:

  • 靜電放電(ESD);
  • 電源端口的電快速瞬變脈沖群;
  • 信號(hào)線、控制線端口的電快速瞬變脈沖群;
  • 電源端口的浪涌和雷擊;
  • 信號(hào)線、控制線端口的浪涌和雷擊;
  • 從空間傳遞給產(chǎn)品殼體的電磁輻射;
  • 電源端口傳入的傳導(dǎo)干擾;
  • 電源端口的電壓跌落與中斷。

EMC 設(shè)計(jì)則是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,利用一定的設(shè)計(jì)技巧和額外的技術(shù)手段提高產(chǎn)品的EMC性能(包括產(chǎn)品的抗干擾能力和產(chǎn)品的抗騷擾水平),并能在一定環(huán)境中按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)期望正常運(yùn)行。為了衡量到達(dá)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境前產(chǎn)品的EMC性能,則需要進(jìn)行EMC測(cè)試。對(duì)應(yīng)于以上產(chǎn)品各項(xiàng)EMC指標(biāo),EMC測(cè)試通常也有如下兩個(gè)方面。

(1)EMI電磁干擾測(cè)試

  • 電源線傳導(dǎo)騷擾(CE)測(cè)試;
  • 信號(hào)、控制線傳導(dǎo)騷擾(CE)測(cè)試;
  • 輻射騷擾(RE)測(cè)試;
  • 諧波電流(Harmonic)測(cè)試;
  • 電壓波動(dòng)和閃爍(Fluctuation and Flicker)測(cè)試。

(2)EMS電磁抗擾度測(cè)試

  • 靜電放電(ESD)抗擾度測(cè)試;
  • 電源端口的電快速瞬變脈沖群(EFT/B)抗擾度測(cè)試;
  • 信號(hào)線、控制線的電快速瞬變脈沖群(EFT/B)抗擾度測(cè)試;
  • 電源端口的浪涌(SURGE)和雷擊測(cè)試;
  • 信號(hào)線、控制線的浪涌(SURGE)和雷擊測(cè)試;
  • 殼體輻射抗擾度(RS)測(cè)試;
  • 電源端口的傳導(dǎo)抗擾度(CS))測(cè)試;
  • 信號(hào)線、控制線的傳導(dǎo)抗擾度(CS)測(cè)試;
  • 電源端口的電壓跌落與中斷測(cè)試(DIP)。

2、EMC設(shè)計(jì)理念

在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,為獲得良好的EMC性能和成本比,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)是重要的。

電子產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)賦予的。測(cè)試僅僅是將電子產(chǎn)品固有的EMC性能用某種定量的方法表征出來(lái)。對(duì)于企業(yè)規(guī)范化EMC設(shè)計(jì)來(lái)講可按照以下3步實(shí)現(xiàn)。

第1步:應(yīng)在研發(fā)前期考慮EMC設(shè)計(jì)。

如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期不考慮EMC問(wèn)題,僅寄希望于測(cè)試階段解決(表現(xiàn)為通過(guò)整改來(lái)解決設(shè)計(jì)成型產(chǎn)品的EMC問(wèn)題,這樣大量的人力和物力都投入在后期的測(cè)試/驗(yàn)證、整改階段)。那么,即使產(chǎn)品整改成功,大多情況下還是會(huì)由于整改涉及電路原理、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模具的變更,導(dǎo)致研發(fā)費(fèi)用大大增加,周期大大延長(zhǎng)。

只有在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮與預(yù)測(cè)EMC問(wèn)題,把 EMC變成一種可控的設(shè)計(jì)技術(shù),并行和同步于產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的過(guò)程,才能一次性地把產(chǎn)品設(shè)計(jì)好。

第2步:通過(guò)設(shè)計(jì)提高電子產(chǎn)品的EMC性能,絕對(duì)不是企業(yè)內(nèi) EMC專(zhuān)家一個(gè)人所賦予的,因?yàn)镋MC絕對(duì)不可能脫離產(chǎn)品硬件、結(jié)構(gòu)等實(shí)物而存在。

因此,要使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品一次取得良好的EMC性能,就需要提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的EMC經(jīng)驗(yàn)與意識(shí)問(wèn)題。如硬件工程師,除了原先必須掌握的電路設(shè)計(jì)知識(shí)外,還應(yīng)該掌握EMI和EMS抗干擾設(shè)計(jì)的基本知識(shí);PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握相應(yīng)的器件布局、層疊設(shè)計(jì)、高速布線方面的EMC設(shè)計(jì)知識(shí);結(jié)構(gòu)工程師也需要了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的屏蔽等方面的設(shè)計(jì)知識(shí)。

因?yàn)檫@些共同參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程師,要去實(shí)現(xiàn)EMC專(zhuān)家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中所提出的意見(jiàn),就要理解、領(lǐng)會(huì)EMC專(zhuān)家所提出的建議的奧秘,并與各自領(lǐng)域的設(shè)計(jì)特點(diǎn)相結(jié)合,將所有EMC問(wèn)題的萌芽消滅在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。只有所有參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)人員共同提高EMC素質(zhì),才能設(shè)計(jì)出具有高性能EMC的電子產(chǎn)品。

第3步:企業(yè)要自己建立一套規(guī)范的EMC設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)分析方法。

企業(yè)要自己建立一套規(guī)范的EMC設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)分析方法,即在研發(fā)流程中融入EMC設(shè)計(jì)分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行EMC的評(píng)估和分析控制,把可能出現(xiàn)的EMC問(wèn)題在研發(fā)前期進(jìn)行考慮,并預(yù)測(cè)EMC測(cè)試的失敗風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)可能出現(xiàn)的EMC問(wèn)題進(jìn)行前期充分考慮,并找到解決方案,從而確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后能夠一次性通過(guò)測(cè)試與認(rèn)證。當(dāng)然,這對(duì)于企業(yè)來(lái)講,也將減少不必要的人力及研發(fā)成本,縮短產(chǎn)品上市周期。

THE END

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