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EMC案例分析2.pdf

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赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 1 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 2 页 案例分析 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 车载娱乐系统 ESD 项目设计整改案例 1、 产品描述 某娱乐影音车机,电源接口 DC24V 输入,多路按键操作控制、多路对外 I\O 输出控制接口、 LCD 屏显示。操作台外观为全塑胶外壳,主板和 LCD 屏使用金属螺丝固定。静电测试要求接 触放电 8KV 和空气放电 15KV。 2、 ESD 测试结果和问题描述。 a) 对固定的主板的金属螺丝接触放电,造成操作台死机,控制指示灯出现闪烁。 b) 对 LCD 显示面板空气放电,没有释放电弧就会造成操作台死机、重启。 3、 产品问题分析(可能涉及需要更改的结构、单板、原理图、电源) 通过分析,产品有一下几个问题: 1) 结构上裸露在机壳的金属螺丝固定主板作用,螺丝和主板的地没有连接。接触放电释放 在金属螺钉的时候会电弧释放到主板上,造成死机。 2) 按键、I/O 端口的排线较长且没有防护滤波,容易造成静电干扰直接耦合到主板,造成 系统死机。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 3 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 3) CPU 的电源管脚缺少电容滤波,容易造成 CPU 被静电干扰,造成死机。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 4 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 4) RST 信号走线为敏感信号,没有滤波防护,容易造成系统的死机复位。需要增加防护滤波。 5) PCB 为两层板,很多信号走线都没有伴地,造成信号环路较大,容易耦合静电干扰。 6) PCB 靠近板子边缘,容易受静电干扰。 4、 产品整改方案和测试数据 1) PCB 的数字地与螺丝孔采用 102 电容连接,对静电干扰即有隔离作用,也有释放途径。 2) I/O 端口,显示端口、按键显示端口采用 LC 滤波,L 为磁珠,C 为 33pF 电容。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 5 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 3) 对 CPU 的电源增加多个 102 电容,保证 1-3 个引脚有一个电容滤波。 4) 复位信号靠近芯片增加 5V 的 TVS 管,串 LC 电路。 5) PCB 板改为 4 层板结构,具体分层为 S1-G-P-S2。G 为一个完整的地层,分为数字地和模 拟地,数字地与模拟地用多个 0 欧姆电阻连接。P 主要为电源,主要为 3.3V 电源。S1、S2 为两个主要的布线层。对敏感信号需要包地、伴地处理。 对于改版后的样机进行最终验证,接触放电达到 9KV、空气放电达到 11KV,测试通过。 5、 案例总结 (1) 静电干扰主要是共模干扰,尽量是静电干扰最短的路径释放到地。接触放电是将干扰直 接释放到产品上,主要采用泄放的方式防护。泄放是以最近的途径将静电干扰泄放到地。 防止后级的干扰。防护的器件主要有 TVS 管、电容、磁珠等。 (2) 对于空气放电,造成干扰的主要是间接放电与空间场的干扰。对于间接放电主要的措施 有隔离的方式与泄放的方式防护。隔离是增加放电点的距离和绝缘性,以至于产品没有 释放点。空间场的干扰,是比较严重的静电干扰。后期的整改也很难整改。主要关系到 整个 PCB 板的设计,PCB 板层分布、电源和地的设计都有很大的关系。 (3) 此项目的静电问题主要有外壳静电放电的泄放问题,电路板的环路较大,排线较长的, 容易耦合静电干扰。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 6 页 看图说 EMC 1、PCB 布局点评 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 某产品的局部 PCB 图,红色部分为 top 层的走线和摆放的元件,黄色部分为第二层 GND;初步 看 PCB 布局设计有几个 EMC 隐患: 1) 主板芯片摆放不合理,芯片过于靠近主板边缘,且在 top 层边缘没有铺地,芯片的辐射干扰 很容易对外发射。 2) 第二层数模 GND 布局不合理,导致较多走线跨切割。可以尽量缩小模拟地,而增加数字地, 但分割开的地需要使用多个电容将其连接(大小可为 1nF,如上图白色方框)。 3) Top 层空余地方未铺地,且上下两层之间的 GND 未打地过孔。 2、PCB 布线点评 1) 晶振走线设计不合理,因为晶振为主要的辐射源头,会对下方走线产生辐射干扰,故晶振下 方不要走线,将走线放到内层,且表层晶振下方要铺地。 2) 较多走线走在 PCB 边缘,且 top 层边缘未铺地,容易产生对外辐射和受到静电场干扰。 EMC 知识 线缆连接器的搭接 连接器与屏蔽电缆电路连接时,不应降低屏蔽电缆的屏蔽完整性,设计中应恰当处理电缆屏 蔽层和连接器的端接与接地。 正确的电缆屏蔽端接应做到: (1) 电缆屏蔽层与连接器外壳搭接阻抗尽量低,应不超过 0.05 欧姆; (2) 屏蔽层与连接器实现 360º电连接; 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 7 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 (3) 屏蔽层或连接器的外壳与地之间连接阻抗尽量低。 1、屏蔽连接器的搭接 电缆的屏蔽效能依赖于屏蔽层的形式和靠近电缆终端编织层的端接方式,如下图所示,“猪 尾巴”连接方式应尽量避免。这种连接使屏蔽层上的电流集中在屏蔽层的一侧,电缆端接高 频阻抗增大,导致电缆屏蔽效能下降。 图 1 “猪尾巴”连接对屏蔽层上电流的影响 为实现最大限度的屏蔽保护,应将电缆屏蔽层一致地端接在与连接器搭接部位的周围,使用 DB 型、同轴连接器或其他圆形连接器都可实现。下图所示的连接器与电缆屏蔽层搭接法能 提供对屏蔽层 360º的电连接,屏蔽层端接也应完全覆盖内导体。 图 2 连接器与屏蔽层 360º连接图解 下图是一种不使用连接器而能提供 360º屏蔽端接的方法,电缆屏蔽层与屏蔽体实现环接。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 8 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 图 3 电缆屏蔽层与屏蔽体 360º端接的一种方法 射频天线馈线一般采用同轴电缆或波导管,同轴电缆和连接器的连接方法如下图所示。同轴 电缆的屏蔽层应在连接器外侧和连接器外壳 360º环接,不允许把屏蔽层拉到连接器后面扭 绞起来再接到外壳,也不允许在屏蔽层搭接到连接器外壳之前把屏蔽层的任何位置切断。 图 4 同轴电缆与同轴连接器搭接方法 高频电缆与连接器连接时应避免:屏蔽层进入封闭的机箱内部再接地,屏蔽层应首先与连接 器外壳 360°搭接,再通过连接的外壳接地。 内部电缆如果是屏蔽型,也应与屏蔽连接器之间 360°搭接处理。下图是内部屏蔽电缆的连 接器与结构搭接实例。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 9 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 图 5 内部屏蔽电缆与连接器搭接方法 2、非屏蔽连接器的搭接 屏蔽电缆和非屏蔽连接器设计组合的,屏蔽电缆的屏蔽层应就近与机柜或其他导电性结构体 接地连接,可使用接地排、压接或类似方式。屏蔽层应以低阻抗方式实现接地连接,应尽量 缩短引出的屏蔽层长度,不宜超过 35cm。 图 6 屏蔽层引出到接地端子的端接法 图 7 屏蔽层就近压接法 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 10 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 技术文章 开关电源电路 EMC 设计 1、电路概述 开关电源,顾名思义就是利用开关元器件晶体管、场效应管、可控硅闸流管等,通过控制电 路,使开关元器件不停地接通和关断,让电子元器件对电压进行脉冲调制,从而实现 DC/AC、DC/DC 电压变换,以及输出可调电压和自动稳压。其中 AC/DC 电源是将 AC 电源,通过桥堆整流为 DC 电 源,再通过开关元器件的接通和关断,转换为需要的 DC 电压。 开关电源一般有三种工作模式:频率、脉冲宽度固定模式、频率固定脉冲宽度可变模式、频 率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于 DC/AC 电源逆变,或者 DC/DC 电源变换,后两种 多用于稳压电源。同样,开关电源的电压输出也有 3 种工作模式:直接输出电压方式,多用于 DC/AC 电源逆变,或者 DC/DC 电源变换;平均值输出电压方式,多用于稳压电源;幅值输出电压 方式,也多用于稳压电源。 开关电源的电路一般有四部分组成:输入部分,变压部分,开关部分、输出部分。每一部分 在 EMC 的设计和应用中都有不同要点和方法。同样开关电源在相当多的电路中都可以用到,如电 路的 AC/DC 转换,在我们的生活中也是随手可见的。 2、电路 EMC 设计要点 1.输入电路的滤波处理,通过增加共模电感、X 电容、Y电容进行 EMI 滤波,增加压敏电阻、 热敏电阻、防雷元器件进行抗干扰。 2.变压器的抑制辐射和滤波的设计,变压器是通常通过在初次极的地或者电源增加 Y 电容来 滤波 3.控制电路部分的 EMC 的滤波设计,主要是对敏感的电路部分对地加电容 4.输出电路的 EMC 的滤波设计,主要是通过增加共模电感来滤波。 3、电路设计 1) 输入部分的元器件,X 电容要依据产品的功率选择,通常范围为 0.1~1uf,共模、差模 电感要注意所能用过的电流以及电感量,Y 容测要根据产品的用途来选择,通常在医疗为 200pf ,IT 类为 2200pf,家电类为不超过 4700pf,抗干扰元器件要根据所需要的等级来 选择。 2) 变压器是通常通过在初次极的地或者电源增加 Y 电容来滤波,Y电容选型为通常在医疗 为 200pf ,IT 类为 2200pf,家电类为不超过 4700pf 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 11 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 3) 控制电路部分主要是对敏感的电路部分对地加电容,其电容的容值要小 4) 输出电路的共模电感要注意所能用过的电流以及电感量 5) 对安装在金属机箱或者屏蔽装置里的双面板来说,应该将环形地与电路公共地连接起来。 不屏蔽的双面电路则应该将环形地连接到机箱地,环形地上不能涂阻焊剂,以便该环形 地可以充当 ESD 的放电棒,在环形地(所有层)上的某个位置处至少放置一个 0.5mm 宽的 间隙,这样可以避免形成一个大的环路。信号布线离环形地的距离不能小于 0.5mm。 问题解答 1. 如何做好壕沟区(MOATING)的隔离工作? 1) 以隔离变压器,光隔离器隔离 I/O 和 PCB 间 EMI 问题; 2) I/O 接头外缘需接至机壳(CHASSIS GROUND); 3) 在 I/O 线上接装旁路电容(一端接在线,另一端通过机壳接地可滤除 I/O 在线噪声); 4) 音频噪声可通过外接线方法加以消除; 5) 选择旁路电容需了解所需滤除噪声频宽及突波电压大小; 6) 在以太网网络中以隔离变压器保护控制器,以 CM 数据线滤波器滤除 CM 噪声,以导磁环滤 除 PWR 噪声,以去耦合电压滤除 HF 噪声。 2. 如何安装接地棒可得到最小接地低阻抗效果? 1) 寻找具有低阻抗系数的土质地区安装接地棒; 2) 接地棒长比短号,粗比细好,多比少好; 3) 一般选择土质阻抗 50 欧·m~400 欧·m; 4) 一般接地棒直径大多用 1.5 寸(4cm),接地棒长 1 尺(30cm),棒长随埋入土中的深度而定, 深度有 1、2、3 米或更深深度不等; 5) 对于 27*27m2 的地面积,如果以土质阻抗 50 欧·m,棒长埋设深度 3m,棒直径 2cm,棒数 10*10 为例,埋设接地棒可得最小接地电阻约 2 欧。 3. 如何选择电子元件?对灵敏电路设计有什么要求? 根据需要选择低噪声电子元件,特别注意环境温度变化与噪声升高问题。选择抗干扰性较强电路, 对瞬时变化的干扰源需要加特别防护。 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 12 页 赛盛技术--您身边的 EMC 技术专家 深圳市赛盛技术有限公司 网址:www..ses-tech.com 邮箱:51emc@163.com 版权所有,未经本编辑部书面同意,不许以任何形式传播 电话: 0755-26532650 共 13 页 第 13 页
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