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基础电路设计之EMC对策与雷击防护

   2006-10-25 2190

所谓的噪讯事实上是从静电噪讯、电磁(电界/磁气/电磁界) 噪讯、雷电surge、电力机器等处产生,但不论是何种形式的噪讯,当噪讯能量超过某种程度,就会对电子机器造成不同程度的伤害,尤其是高电压impulse noise、高能量的雷电surge,如果侵入通信导线或是电力线时,就会造成系统设备的绝缘受到破坏导致严重的烧毁,甚至引发社会性恐慌。雷电surge无法使用一般的filter电路去除,必需使用可变电阻(Varistor)、Arrester、Silicon Surge 、Absorber等雷电surge对策组件。常用的filter电路其电容器的容量,往往高达数十V至数百V不等,由此可见数千V的高电压、高能量雷电surge如果流入通信导线或是电力线的话,造成的后果令人无法预期。有关雷电surge将另有专题介绍,本节祇针对motor、变压器、开关、荧光灯等噪讯能量较小的人工噪讯作为检讨对象。上述电力设备常用的对策是使用LCR组件的filtering电路,必需注意的是未作同轴cable、shield线等界面对策,祇是一昧着重filter的手法并不正确,基本上应该先进行接口对策,剩余噪讯成份才利用filter作滤除(filtering),也就是说在设计阶段就需将filter纳入考量,同时还需要配合外部机器与传感器的数据收授,如此才能使filter发挥去除噪讯的功能。Filter是由线圈(coil)与电容器构成low pass filter,它可作高频噪讯的filtering,不过噪讯的频率超过数十MHz时,由于寄生电感(induct ance)与浮游容量,使得filter不易发挥应有的特性,因此对策上必需事先降低寄生电感与浮游容量。此外Condenser的lead wire电感(inductance)成份,与线圈的线间分布容量会成为高频宽衰减的要因,不过祇要选用频宽相同的filter,就可有效解决上述问题。filtering的噪讯分成normal mode与common mode两种(图13),因此filter的结构与方法也分成不平衡mode filter(normal mode噪讯时使用),平衡mode filter (com mon mode噪讯时使用)两种,为了不让噪讯流入电路基板内,因此一般filter都装设在电路基板的输入端。

(a).不平衡mode的噪讯对策
不平衡mode噪讯可使用图14所示,由L、C组件所构成的filter进行噪讯的对策。由图可知噪讯的阻抗值(impedance)可以改变filter的结构,换言之必需针对噪讯与信号的频率范围,设计可以去除噪讯的filter。如果噪讯与信号的频率范围重迭时,虽然无法利用硬件的filter去除噪讯,不过却可利用两者特性上的差异,以digital filter进行信号处理,同时将噪讯成份去除。

(b).平衡mode的噪讯对策
common mode噪讯对grand而言,相当于传输线路的两线之间相同噪讯相乘的结果,也就是说同相流入两线之间的噪讯值是相同,因此两线之间的电位差等于零,亦即祇要线路维持平衡,基本上就不会发生问题,不过实际上却无法保证线路可以维持平衡,因此随着对地面的阻抗(impedance)差异,噪讯行进的路径(route)也发生变化。如图15所示如果噪讯从平衡mode转换变成不平衡mode时,就不易去除噪讯。

假设两线的阻抗(impedance) ,则平衡mode就不会转换变成不平衡mode。假设 就会发生mode转换问题,此时收信端子之间会产生噪讯的电位差,进而造成误动作与耐噪讯margin不足等后果,由此可知电路的平衡化,对噪讯对策具有决定性的影响。


图16是平衡mode的噪讯对策用filter,图中的common mode扼流圈(choke coil)通过normal mode信号,使common mode噪讯受到阻隔。图17是common mode扼流圈(ch oke coil)的动作机制。

界面的shield对策

如以上介绍放射可分为common mode与normal mode两种,因此接着要探讨这两种噪讯的放射源与设计上的注意事项。
(a)normal mode放射如图18(a)所示高频信号电流是在印刷电路板上,以 的流动路径形成loop面积S,再从该面积发生电磁放射,依此观点normal mode放射的电界强度Ed 可用下式表示:

由式(13)可知放射level与pattern导线内流动的高频电流 ,以及loop面积 成比例,与高频电流的频率 的二次方成比例,也就是说高频信号电流 与loop面积 越大,信号频率越高越能将电磁强力放射至远方。为减缓normal mode放射,设计封装电路时必需注意下列要点:PDX安规与电磁兼容网
① 避免使用over spec驱动能力的IC/LSI。
② 尽量缩短pattern导线的长度。
③ 尽量减低loop面积。

除此之外高频电路的信号电流的return电流,尽量靠近ground流动,对多层板而言通常是将信号的return电流设于信号电流下方的ground层,如果ground层设有slit时,return电流会迂回最后造成loop面积变大等问题,因此设计上需格外留意。

(b)common mode放射
common mode放射如图18(b)所示,当印刷电路板的GND与地面产生电位差时,输出入cable就变成天线发射噪讯。由于印刷电路板的ground不论大小都会有电感(indu ctance)Lg 成份,所以GND之间会产生与∞×Lg=2Lg×Π×f 成比例的压降(VCM) ,该电压下降会变成common mode电流,同时形成如18(a)、(b)所示的loop。在某观测点的common mode放射电界强度 可用下式表示:
EC=4Π×10-7f×IC×l(V/m)------------(14)
I:Ccommon mode电流。
l:cable长度。

由式(14)可知common mode放射与cable内流动的高频电流、cable长度、高频电流的频率成比例增加。一般而言cable长度会比印刷电路板的pattern长度长,随着ca ble的长度增加,共振频率会延伸至较低的领域,如果接口cable在某频率发生共振,极大的common mode电流会在该loop流动。如式(14)所示在某观测点的电界强度会变大,甚至会危害其它电子机器造成严重伤害。cable内流动的高频电流是由下列电流所构成:

a.信号电流。
b.common mode电流。它是由信号电流的return电流,与电感(inductance)Lg 产生的电压下降CCM 现象。
c.电源线内的高频电流。它是由switching电源的高频噪讯,与switching噪讯在电源重迭所造成的。
d.电子机器内部发生的电磁噪讯,与机器内的连接部位相互干涉,产生高频电流成份。也就是说cable内流有信号电流以外无法预期且是多余的宽频高频电流,因此抑制接口cable多余的高频电流,成为确保电子机器可靠性极重要的必备要件。

为了减轻common mode电流并确保电子机器可靠性,电路封装设计时必需注意下列事项:

必需使电压下降CCM 最小化。亦即降低电感值(inductance)Lg 。
适当设置Decoupling Condenser,同时抑制电源层的高频波。
限制使用over spec的高速电子组件。
必要时必需设置common mode filter,抑制common mode噪讯转换成normal mode噪讯。
为了比较common mode放射与normal mode放射电界强度Ed ,因此以下列计算实例作说明。
b)Shield对策
基于确保电子机器筐体的EMC,因此EMC采取的Shield对策与接口cable对策不同。筐体的材料可分为金属与塑料两种,金属筐体具有以下特点:

※电子机器内部产生的电磁噪讯被隔绝封闭,不易泄露至筐体外部。
※相对的外部的电磁噪讯也不易侵入筐体内。
整体而言金属筐体具有强化耐噪讯的优点,对EMC产生很好的效果。

塑料筐体具有以下特点:
※高设计自由度。
※量产性佳。

因此塑料外壳经常被当应用在电子产品,不过塑料筐体对电磁噪讯无抑制效果,而且筐体内部的电路极易受外部电磁噪讯的影响。但不论是塑料筐体或是金属筐体,使用上必需注意下列事项:

(a).金属筐体
※金属筐体相互接合的场合,必需避免接口cable造成筐体之间发生电位差,同时尽量使信号频率范围的频率低阻抗化(impedance),具体方法是利用同轴cable与具备shield效果的twist cable的shield外皮, 全方位贴合于筐体内侧,进行电磁屏蔽(shield)防护,如此一来金属筐体对外部电磁噪讯就具备相当程度的防护效果。
※避免内部电路产生的电磁噪讯泄漏至筐体外部。

常用手法是在机器的出入口部位进行filtering,此外也可以利用图19所示的LC filter结构去除电磁噪讯。此种情况LC filter必需具备以下特性:

 
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