【導(dǎo)讀】在現(xiàn)在產(chǎn)品中,電磁干擾問題越來越成為產(chǎn)品關(guān)注重點,也成為產(chǎn)品進(jìn)入國外市場的重要瓶頸。由于中國長期忽略這塊,以及這塊的測試設(shè)備及其昂貴等眾多因素,國內(nèi)在這塊領(lǐng)域中發(fā)展相對緩慢。了解這塊的工程師少之又少,成為大多數(shù)工程師及國內(nèi)企業(yè)研發(fā)部最為頭疼的事情,它們在解決這類產(chǎn)品問題的時候,大多都是盲人摸象,走了很多彎路之后,才勉強(qiáng)把問題解決。這類經(jīng)驗并且具有不可復(fù)制性,在開發(fā)下面產(chǎn)品中依舊會面臨各種問題,而且即使在解決了的產(chǎn)品中,留的貨量不夠,在批量生產(chǎn)的時候,隨機(jī)性較大。
電磁兼容的問題真的又這么難么?今天讓我們拋開事物的謎團(tuán),掌握其本質(zhì),徹底了解和掌握電磁兼容產(chǎn)生的原因并找到解決的方法,讓工程師睡個安穩(wěn)覺。眾所周知,張飛老師提出的破解模擬硬件設(shè)計三大定律,第一,源、回路、阻抗;第二,電路是一個波形的整形,從無用的波形最終整形有用的波形,包括形態(tài)、相位的整形;第三,對元器件的參數(shù)、封裝、魯棒性、成本要熟知,這樣才把產(chǎn)品設(shè)計在臨界區(qū)。我們在此可以運用第一大定律源、回路、阻抗來融入到產(chǎn)品設(shè)計中,用第二大定律的波形測量分析來輔助我們整改電磁兼容問題,用第三大定律的元器件,封裝來優(yōu)化電磁兼容問題。
電磁兼容,簡稱EMC(electromagnetic compatibility)。它包含兩個方面,一個是干擾其他的電器產(chǎn)品,簡稱EMI(electromagnetic interference),即電磁干擾;另一個是被其他電器產(chǎn)品干擾,叫抗干擾性,我們用EMS(electromagnetic susceptibility)表示。
要想解決電磁兼容問題,我們要先理解頻率帶寬的問題。通俗講帶寬是信號的頻率,而信號頻率本質(zhì)是信號的速度。那么信號速度的本質(zhì)是什么?是信號的上升斜率和下降斜率。信號斜率(包含信號的上升斜率和下降斜率,這里統(tǒng)稱),信號斜率越慢,則其絕大多數(shù)只能通過導(dǎo)線傳播,它的頻率一般在0-30M Hz之間,這就是我們傳導(dǎo)測試重點測試的地方。信號的斜率越快(一般的頻率在30M Hz-3Z Hz之間,這就是所謂的帶寬)則可以借助天線向空間輻射,這樣的天線可以包括電源的引入線,包括元器件的圓角,包括走線的直角等。
測量哪些內(nèi)容?
EMC測量的內(nèi)容包含2個方面,第一傳導(dǎo)測試,第二輻射測試。傳導(dǎo)測試主要測量引出線,輻射測試主要測試空間4米天線、10米天線兩種。
什么叫ESD測試?
ESD測試是關(guān)于靜電測試,當(dāng)靜電打向產(chǎn)品的時候,產(chǎn)品不會出現(xiàn)異常跑飛的現(xiàn)象的測試。
什么叫噪音?
一般來講,我們把輸入的無用信號,統(tǒng)稱為噪音。最早的時候,由于電源發(fā)出一些聲響,我們把這樣的聲響稱為噪音,但是實際上人耳接受頻段的能力是有限的,2Hz-2KHz。實際上更多的頻段的信息(無用信號)是人耳聽不見的,因此我們把凡是對器件本身無用的信號稱為噪音。簡而言之,一切無用的波形皆為噪音。
那么,構(gòu)成干擾要有三要素,騷擾源,傳播途徑,敏感設(shè)備。騷擾源分兩種,一種是電場的騷擾源,一種是磁場的騷擾源。
干擾示意圖
從第一大定律去分析,源--這里的源指的騷擾源,騷擾源包括電場引起的擾動,磁場引起的擾動,統(tǒng)稱電磁場引起的擾動。那么從這個頻段角度來說,30M以下的傳導(dǎo)擾動和30M以上的輻射擾動。回路--那么30M以下的傳導(dǎo)擾動,它的傳播路徑(回路)是引線,也包含PCB走線;30M以上的擾動,它的傳播路徑是空間,由天線發(fā)射和接收的空間。阻抗--阻抗就是說在回路中對波形衰減的能力稱為阻抗。從兩個大方向去解答,依舊從傳導(dǎo)和輻射來分析。首先,討論下傳導(dǎo)阻抗的問題。傳導(dǎo)的阻抗可以在電路中有兩個方面,第一個方面是差模干擾的問題,第二個是共模干擾的問題。
差模干擾是指兩條電源線之間(wire to wire)的,主要通過選擇合適的電容(X電容,也稱安規(guī)電容),和差模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線分別對大地(簡稱線對地)的,主要通過選擇合適的電容(Y電容,也是安規(guī)級別的),和共模線圈來進(jìn)行抑制和衰減。我們常用的低通濾波器,一般會同時具有抑制共模和差模干擾的功能。
如下圖,低通濾波器原理圖
低通濾波器原理圖
如圖1,3為差模電容,2為共模電感,4為共模電容。
1,2,3共同組成的叫π型濾波器,1,3組成的電容主要是濾兩根線之間的信號差,因此而得名。一般這兩個電容的取值在0.22 uf-1.5 uf。在出現(xiàn)干擾超標(biāo)的時候,一般解決方法是把這兩個電容的值加大,但隨著電容容值加大,會導(dǎo)致漏電流加大,這點需要注意。
由于差模電容是接在L和N線兩線之間,那么它和后面的負(fù)載實際上是并聯(lián)關(guān)系。又由于電容對低頻次的信號有很強(qiáng)的阻礙作用,對高頻次的信號有很強(qiáng)的導(dǎo)通作用,及低阻抗作用。當(dāng)50Hz-60Hz低頻交流信號流過電容兩端的時候,由于電容的阻抗表現(xiàn)極其大,所以電容不起任何作用,等于沒有這個電容。當(dāng)差模信號通過的時候(差模信號一般是高頻無用信號),那么電容表現(xiàn)為通路,阻抗很小,在高頻信號下,則電容相當(dāng)于將后面負(fù)載短路,那么后面負(fù)載就不會受高頻信號的干擾。如圖差模電容工作原理所以。以上是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析差模電容特性。
差模電容工作原理
2為共模電感,這個上面有兩根獨立的線圈,方向相反的繞制在同一個圓形閉合的磁芯上。由于這兩根導(dǎo)線大小相等,反向相反,因此產(chǎn)生的磁場相互抵消了。共模電感和后面中的負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系,當(dāng)有差分信號通過時(差模信號一般是高頻無用信號),由于電感對電流的變化有阻礙作用,那么此時電感表現(xiàn)為大電阻,而后面負(fù)載類似于小電阻,則電感承擔(dān)了絕大多數(shù)高次諧波的壓降。根據(jù)電阻分壓原則,后面的負(fù)載分得的電壓接近于零。當(dāng)50Hz-60Hz低頻交流信號流過電感兩端的時候,由于電感的感抗表現(xiàn)極其小,所以電感幾乎不起任何阻礙作用,等于沒有這個電感。所以我們說這個電感對差分信號起作用。如圖共模電感工作原理所示。以上仍然是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析共模電感特性。共模電感的感量選型一般在幾百微亨到幾毫亨級別。
共模電感工作原理
4為共模電容,這兩個電容由于分別連接著L和N兩根線且對大地的(不是電路中的地,一般電路中的地為GND,也為浮地,而共模電容的地為大地earth),呈Y型狀,因此而得名。由于Y電容一端連接著大地,那么它和后面負(fù)載實際上并聯(lián)關(guān)系的。如圖共模電容工作原理,當(dāng)50Hz-60Hz低頻交流信號流過Y電容兩端的時候,由于電容的阻抗表現(xiàn)極其大,相當(dāng)于斷路,不導(dǎo)通。當(dāng)共模信號通過的時候(共模信號一般是高頻無用信號),那么電容表現(xiàn)為通路,阻抗很小,高頻信號通過Y電容到大地,那么后面負(fù)載就不會受高頻信號的干擾。以上仍然是運用張老師第一大定律源、回路、阻抗來分析共模電容特性。共模電容的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大,越容易解決干擾問題,但是漏電也越大,取值要甚重。
共模電容工作原理
當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時,電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消,此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時,由于共模電流的同向性,會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗,使線圈表現(xiàn)為高阻抗,產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果,以此衰減共模電流,達(dá)到濾波的目的。
一般濾波器不單獨使用差模線圈,因為共模電感兩邊繞線不一致等原因,電感必定不會相同,因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴(yán)重,就要追加差模線圈。