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凡亿专栏 | EMI设计
EMI设计

话接上篇,上篇整体上介绍了一下EMC,接下来我们详细拆分一下EMC的各个组成。

本篇说一说EMI设计

辐射的原理

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上图是电磁波的辐射天线,它是在两个导体之间有一个电压,如果电压是直流的,那么显然,因为两个导体之间是开路的,那么导体上面便不会有电流。如果上面的电压是变化的,那么因为这两个导体之间存在杂散电容(分布电容C),就会产生一个电流,这个电流是产生电磁波辐射的重要条件了。

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环路天线,如果加到上面的电压是直流电压,这个电流只能产生一个静磁场,这个磁场是没有辐射的。而如果加到上面的电压是变化的电压,那么会在上面产生交变的电流,由交变的电流产生交变的磁场,就会产生辐射。上篇说到有电流流动的地方就有辐射不太正确,在此纠正一下。

共摸,差模的影响:

电压和电流的变化通过导线传输时有两种形态,一种是两根导线分别作为往返线路传输,我们称之为"差模";另一种是两根导线做去路,地线做返回传输,我们称之为"共模"。

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差模信号的辐射在两个通信线上,共摸辐射除了在两根通信线上,地线上也有电流流动,所以整块电路板都在辐射,所以“危害”比较大。

解决共摸干扰的措施:

1,共摸电感

2,共摸电容

3,双绞线

解决差模干扰的措施

1,滤波电感

2,滤波电容

最典型的电路就是开关电源的滤波电路

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磁珠可以消耗高频信号的能量,既可以滤除共模也可以滤除差模。

有时候我们经常看到有的线上或者元器件管脚上会套一个磁环,滤除干扰的原理是涡流损耗,电流流过导线,会围绕导线产生环形磁场,在导线上套上一个磁导率比较大的磁环,在磁环上就会有一个比较大的环形磁场B,如果电流是发生变化的,那么磁场B也是发生变化的。根据电磁感应定律,变化的磁场产生电场,并且这个电场是环形的电场,这时就会产生环形电流,也就是产生热量了,这就产生了涡流损耗。

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如果两根导线通过磁环,就是一个共摸电感,两根线产生的磁场相互抵消。双绞线也是同样的原理。

信号本身是差模的,差模电容不是要滤除差模信号,而是要滤除叠加在信号上的高频谐波和噪声,干扰通过电容直接和地形成回路,而不是经过后面很长的路径再回流到地,这样就减少了干扰产生的辐射。

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布局布线上:

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当噪声电流的频率f≥50MHZ 噪声电流的回流面积A对辐射影响快速增大;系统测试≥50MHZ辐射超标时需要优先优化关键信号的回流面积。

应避免走线、过孔及其它元器件形成90°角,因为直角会产生辐射。在该角处电容会增加,特性阻抗也会发生变化,导致反射。

屏蔽:

物理屏蔽是用金属封装包住整个或部分系统,防止EMI进入PCB电路。这种屏蔽就像是封闭的接地导电容器,可减小天线环路尺寸并吸收EMI。

外壳是金属的,外壳接地,电路板的地可以连接到外壳。

如果外壳不接地,电路板的地可以不接外壳。

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  电容是通交流阻直流的。假设机壳良好连接大地,从电磁抗扰度角度,该电容能够抑制高频干扰源和电路之间的动态共模电压;从EMI角度,电容形成了高频路径,电路板内部产生的高频干扰会经电容流入机壳进入大地,避免了高频干扰形成的天线辐射。另一种情况,假设机壳没有可靠接大地(如没有地线,接地棒环境干燥),则外壳电势可能不稳定或有静电,如果电路板直接接外壳,就会打坏电路板芯片,加入电容,能把低频高压、静电等隔离起来,保护电路板。这个并联电容应该用Y电容或高压薄膜电容,容值在1nF~100nF之间。

  这个电阻可以防止ESD(静电释放)对电路板的损坏。假如只用电容连接电路板地和机壳地,则电路板是一个浮地系统。做ESD测试时,或在复杂电场环境中使用,打(进)入电路板的电荷无处释放,会逐渐累积;累积到一定程度,超过了电路板和机壳之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压,就会发生放电——在几纳秒内,PCB上产生数十到数百A的电流,会让电路因电磁脉冲宕机,或者损坏放电处附近连接的元器件。并联该电阻,就可以慢慢释放掉这个电荷,消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准10s/次(10s放完2kV高压电荷),一般选择1M~2M的电阻。如果机壳有高压静电,则该大电阻也能有效降低电流,不会损坏电路芯片。如果外壳因为接地不良导致连接到强电,也不会损坏电路板。


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