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探析電磁兼容與電路保護技術(shù)

發(fā)布時間:2011-09-02 來源:中國電磁兼容網(wǎng)

中心議題:
  • 詳談電磁兼容與電路保護技術(shù)
  • 電磁兼容與電路保護的設(shè)計
解決方案:
  • 學(xué)會電路設(shè)計和電磁兼容性(EMC)設(shè)計
  • 通過瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護
  • 選擇并使用正確的ESD保護器件

便攜式電子設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄,越來越多的新功能或新特性不斷被集成到設(shè)備中,使得便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)率及時鐘頻率越來越高。與此同時,便攜設(shè)備必將面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風(fēng)險,如開關(guān)負載、電源電壓波動、短路、雷電、開關(guān)電源、RF放大器和功率放大器及時鐘信號的高頻噪聲等。因此,電路設(shè)計和電磁兼容性(EMC)設(shè)計的技術(shù)水平對產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)將起到非常關(guān)鍵的作用。

電磁干擾通常有兩種情形,即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。因此對EMC問題的研究實際上就是對干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。電磁兼容設(shè)計就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進行優(yōu)化設(shè)計,使之成為符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

在電子線路中只要有電場或磁場存在,就會產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中,高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

電磁兼容設(shè)計考慮為節(jié)省能源和提高工作效率,目前大多數(shù)電子產(chǎn)品都選用開關(guān)電源供電。同時,越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路,以便提供更多的應(yīng)用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)字電路中的時鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源,它們是電磁兼容設(shè)計的主要內(nèi)容。設(shè)計中,需要把模擬信號部分、高速數(shù)字電路部分以及噪聲源DC-DC電源三部分合理地分開,使相互間的信號耦合達到最小。在器件布設(shè)方面,遵從相互關(guān)聯(lián)的器件盡量靠近的原則,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。此外,印刷電路板中電源線和地線的設(shè)計是克服電磁干擾的重要手段。

一些電子產(chǎn)品由于對電磁兼容性的考慮不足,致使產(chǎn)品沒有達到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求,重新設(shè)計將大大推遲產(chǎn)品的上市時間,因此,電磁兼容性的改變顯得比較重要。首先,要根據(jù)實際情況對產(chǎn)品進行診斷,找出干擾源及相互干擾的途徑和方式,依據(jù)分析結(jié)果,進行有針對性的整改。如:對干擾源進行允許范圍內(nèi)的減弱;分類整理電線電纜以減少線間耦合;改善地線系統(tǒng);選擇高導(dǎo)電材料和鐵磁性材料實現(xiàn)電磁屏蔽等。當(dāng)這些措施均無法有效改善產(chǎn)品的電磁兼容性能時,改變電路板的布線結(jié)構(gòu)是解決問題的根本辦法。
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電路的ESD保護靜電放電(ESD)是從事硬件設(shè)計和生產(chǎn)的工程師都必須掌握的知識。很多開發(fā)人員往往會遇到這樣的情形:實驗室中開發(fā)的產(chǎn)品,測試完全通過,但客戶使用一段時間后,即會出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,故障率也不是很高。一般情況下,這些問題大多由于浪涌沖擊、ESD沖擊等原因造成。在電子產(chǎn)品的裝配和制造過程中,超過25%的半導(dǎo)體芯片的損壞歸咎于ESD。隨著微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用及電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,人們對靜電放電的電磁場效應(yīng)如電磁干擾(EMI)及電磁兼容性(EMC)問題越來越重視。

電路設(shè)計工程師一般通過一定數(shù)量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護。如固狀器件(二極管)、金屬氧化物變阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可變電壓的材料(新聚合物器件)、氣體電子管和簡單的火花隙。隨著新一代高速電路的出現(xiàn),器件的工作頻率已經(jīng)從幾kHz上升到GHz,對用于ESD保護的高容量無源器件的要求也越來越高。例如,TVS必須迅速響應(yīng)到來的浪涌電壓,當(dāng)浪涌電壓在0.7ns達到8KV(或更高)峰值時,TVS器件的觸發(fā)或調(diào)整電壓 (與輸入線平行)必須足夠低以便作為一個有效的電壓分配器。安森美半導(dǎo)體的NUC2401是一款帶集成低電容ESD保護功能的共模濾波器,能提供高速 USB 2.0信號必要的帶寬、恰當(dāng)?shù)墓材Kp及敏感的內(nèi)部電路ESD保護,保持了信號的完整性。Vishay公司VBUS054B-HS3是一種單芯片ESD解決方案,線路電容間的差別非常小,可保護雙高速USB端口,以防瞬態(tài)電壓信號。還可對略低于接地電平的負瞬態(tài)進行鉗位,同時在略高于5V工作電壓范圍對正瞬態(tài)進行鉗位?,F(xiàn)在,電路設(shè)計工程師在高頻電路設(shè)計中越來越多地采用ESD抑制方案。盡管低成本的硅二極管(或變阻器)的觸發(fā)/箝位電壓非常低,但其高頻容量和漏電流無法滿足不斷增長的應(yīng)用需求。聚合物ESD抑制器在頻率高達6GHz時的衰減小于0.2dB,對電路的影響幾乎可以忽略不計。

電磁兼容和電路保護對所有電子產(chǎn)品的設(shè)計而言都是無法回避的問題。電路設(shè)計工程師除了熟悉電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計中還需綜合考慮器件本身的性能、寄生參數(shù)、產(chǎn)品性能、成本以及系統(tǒng)設(shè)計中的每個功能模塊,通過布局布線優(yōu)化、增加去耦電容、磁珠、磁環(huán)、屏蔽、PCB諧振抑制等措施來確保EMI在控制范圍之內(nèi)。在制定電路保護設(shè)計方案時,最重要的是首先掌握因應(yīng)的技術(shù)方案和設(shè)計手段,并據(jù)此選擇正確的ESD保護器件。

總結(jié):

解決電路保護與電磁兼容問題,是工程師們熱心去解決和討論的話題。電磁兼容性EMC包括兩個方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(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。隨著工程師們的熱心研究,難題也逐漸被攻克了。
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