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电磁兼容设计基本原则:我们的产品正在帮助我们(下)

   2013-03-22 电磁干扰与兼容4470

所以我强烈推荐不要再将“地”这个词语和它的标识用于电子设计中(除了实际需要安全地,并只用于电气安全目的)。作为替代,我们称传导结构为射频参照(见如下8),CM 回流路径等其它。

用“ 底座”,“框架”,“外壳”,“屏蔽”或者“法拉第笼”这样的词语也会导致像“地”一样的概念设计错误——所以一定要非常小心地去运用这些词语,确保它们代表的意思是它们的实际内容(即用金属做的机械结构),而不是假设它们是(虚构的)噪声电流的无限接收器。

详情见[6] 中5.7 或者[7] 中2.7.7,[10] 中11.1.2 和11.1.3

8.将这些“电磁设计工具”运用到实际PCB组装中

8.1示例介绍
       上述2 到7 部分给出了一组电磁设计工具——能量和信号的电磁能是如何选择沿最佳SI,PI 和EMC 传送的抽象概念。注意到从第2 到第7 部分特意只涉及到了少量数学;理解这些重要内容是没必要采用大量数学的。实际上,用方程式难以理解其精髓,成功的EMC 设计师会用“心”去“看”产品的传导结构。

对于现代产品如此复杂的结构,设计师最好是理解概念并且拥有“ 慧眼”,而不理会电磁场求解器的计算。

举一个现实生活中的例子——典型电子产品的电磁发射和抗扰度控制,如图16 中设计图所示。


      图16 PCB组装的实例概述

为了将总的制造成本最小化,PCB 组装应该具有良好的EMC 特性,才可以防止浪费时间和金钱(还要增加重量和大小)。

因为我们的电磁设计工具都关注于通过控制电磁场模型来减小不需要的“噪声”耦合,因此这个工具也同时提高了模型的抗扰度(提高对周围环境的抗扰度,比如附近的对讲机,手机,GPRS,3G,无线网和蓝牙,瞬变电压,静电放电和闪电)。

这个假设使得实例的初始设计与上文概述2 到7 中的“电磁设计工具的物理定律”不一致。我们从中看到了在实际应用中,许多电子产品设计部门普遍糟糕的设计。

其中一个例子就是运用所谓的“单点地”(有时也叫做“星式接地”),并用0V 面在PCB 之间分隔。即假设保证设备的回路电流只在一个特定区域内流动,以防止它们之间的噪音串扰(比如模拟电路里的数字噪音)——但这仅在数十kHz 以下才适用。

        对0V 面进行拆分忽略了一个事实——即波动电流总是根据路径的导纳来分配,这些路径包括了通过空气或者绝缘导体的“杂散”路径(见上述7.1)。正是这个原因,自1980 年以来,作者发现在使用微处理器和开这个假设使得实例的初始设计与上文概述2 到7 中的“电磁设计工具的物理定律”不一致。我们从中看到了在实际应用中,许多电子产品设计部门普遍糟糕的设计。

        其中一个例子就是运用所谓的“单点地”(有时也叫做“星式接地”),并用0V 面在PCB 之间分隔。即假设保证设备的回路电流只在一个特定区域内流动,以防止它们之间的噪音串扰(比如模拟电路里的数字噪音)——但这仅在数十kHz 以下才适用。

        对0V 面进行拆分忽略了一个事实——即波动电流总是根据路径的导纳来分配,这些路径包括了通过空气或者绝缘导体的“杂散”路径(见上述7.1)。正是这个原因,自1980 年以来,作者发现在使用微处理器和开关模式转换器时,对于SI,PI 和EMC 来说单点地是一个糟糕的设计。其他人必定会给出1980 年之前的例子。

        在实例中用到了另外一个糟糕的设计原则,就是以最低的物料清单成本(BOM)生产最盈利的产品。这样板层和去耦的数量就会减小到满足功能规范的最低要求。而且,并未规定EMI 滤波器适合于所有电缆连接,因为这将会增加板的面积。

        第1 节提到自2000 年以来,以最低的物料清单成本生产盈利产品是错误的做法。有一般常识的人就能看出,在这个过度简化的方法里存在的谬论——我们不得不考虑一个物料清单成本虽然只有对手一半(或许更少)的产品——但是会惨遭100% 的保修退货率。毫无疑问,这不可能是一个成功的产品,就算产品的盈利确实比材料成本多得多。

        我每年都会看见许多像图16 的设计。最初它们的功能性很差,特别是信噪比(S/N)较低并采用多种重复设计的不可靠软件,就会造成项目延迟,成本增加并降低盈利。

        一旦解决了功能性问题,他们就会通不过EMC 测试,这需要进行更多的设计迭代,因而造成更多的延迟和项目成本,额外的滤波器和屏蔽也会增加成本、重量和大小并减少盈利。他们还会遇到出乎意料的保修退货率,这从很大程度上减少了盈利。


图17 实例的近场图(用近场探头测量或模仿)

        图17 显示了PCB 上方20mm 的近场发射,此时它满足了功能性规范但尚未进行过EMC 测试。
这样的近场意味着什么呢?这靠近PCB 及它的元件,包括所需的DM信号,加上DM和CM串扰与噪音。

高水平意味着在模拟电路上信噪比的减少,以及在数字电路上噪声容限的减少——导致了软件的不可靠。

在EMC 测试中,大面积的近场强度高也代表着传导和辐射发射强,及较差的传导抗扰度和辐射抗扰度。

在现实中,大面积的近场强度高意味着客户满意度低(因为卖顾客喜爱的产品更简单容易,但销售成本却会增加),并且保修成本更高。这些都会降低盈利。

从第2 章到7 章所讨论的物理定律来看:
        • 所有电流(包括DM 和CM“噪音”电流)都沿闭合电路流动
        • 电流回路形状和面积控制着场的分布
        • 电流会“偏爱”阻抗最低的回路——因此场分布最小,并且有良好的内外部EMC。

所以我们可以知道如何对电路设计和PCB 布局做一系列改进,努力减少DM 和CM 电流的区域面积,使得它们产生的近场更小。

 
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