EMC设计经验-笔记

1. ESD静电干扰与防治

1.1静电产生的原因

  • 摩擦起电

  • 接触分离

  • 感应起电

1.2静电放电的特点

  • 瞬态电流大,高达几十安培,高电位,强电场,但持续时间很短

  • 产生电磁脉冲形成空间辐射

  • 形成的物理机制很复杂,难以重现

此处,空气介质是静电回路的重要成分,所以空气的湿度、温度都会影响设备的防静电特性。

1.3 静电对IC设计的挑战

  • 导线间距小,耐击穿电压越来越低

  • 电子设备热插拔,人体活动难以避免

  • 越多选用表面电阻率很高的材料

1.4 静电对电子设备的损害表现

理论损害

  • 突发性失效 ------ 马上损坏

  • 潜在性失效 ------ 功能看起来正常,但是使用寿命大大降低【危害极大】

一个典型例子,HDMI电缆在运输过程中累积电荷,插入设备时形成瞬态冲击,导致输入口阻抗从10Mohm降低到10kohm,往复多次就可能会导致端口保护电路失效,从而损毁器件,这是HDMI电缆质量差的重要原因。

  • 热效应: 局部高温、PN结击穿等

  • 强电场效应:介质击穿,电路失效(消费电子罕见)

  • 电磁脉冲效应:干扰通信,工作异常

损害的直观表现

通信故障、花屏、死机、损坏

1.5 人体静电模型

有国家标准可遵循,一般来讲就是一个串联的RC网络模型,25kV为高标准(电子雷管),参考17626.2标准:RC模型值为150pF/330ohm

1.6 ESD测试与仿真

利用静电枪模拟人体触摸或者其他接触形式,直接打在设备输入口(模拟插拔),设备上(模拟触摸)。 有国家标准:典型值 4kV/15A

2. 多年经验、口诀、心法

2.1 EMC三大法宝:接地、屏蔽、滤波

  • 接地要领:要保证地是联通的,最好能够和壳体连在一起,核心要领是保证地阻抗越小越好 不仅考虑防止干扰损害PCB,也要给干扰一个顺畅的回路 ------堵不如疏。确保地线要联通,形成一个稳定的平面,不要有任何阻碍(磁珠,滤波等),地阻抗一定要低。两端固定,两端都要接地。

  • 屏蔽要领:尽量保证全封闭,不露出来,允许小孔不允许缝隙。

  • 滤波要领:一般而言,对于输入性干扰尽量在前级将能量卸掉,滤波紧靠IC端。 常用方法:磁环、电感、电容

2.2 常见干扰推测

低频:多半是导线引入的干扰。由于某种形式产生的干扰耦合到了导线中传递开来。

高频:磁场和空间干扰很头疼,更复杂

2.3 端口保护电路

对于低速设计,可用RC电路。 高速设计,多用TVS管。

2.4 关注相对电压而不是绝对电压

对IC造成损伤的不是绝对电压,而是加在IC两端的相对电压。1. 分流,2.限流

先卸掉大力,再滤除/阻碍小力。这也是为啥滤波电路放到后级设计的根源(如果空间辐射骚扰则另当别论)

2.5 重点关注放电回路,而不仅仅是减少

EMC设计的宗旨就是要让干扰形成回路,但不影响PCB。大禹治水,堵不如疏,让水沿着自己设计好的路走掉。

要仔细分析干扰源对整个回路电压的动态变化过程,减小回路面积,整体干扰感应量就会相应降低。

对于Reset线,要考量的是减少信号回路的面积,而不单只考量减小走线距离。

2.6 无法接地如何处理?

以飞机为例,设备外壳就可以看成地,只要保证静电、雷击在外壳上走,不干扰到内部器件就没事。

另外一点,专家特意提出,在此种情况下,PCB仍需与外壳接到一起(原因没有说明)

2.7 对于悬浮金属的处理(螺钉,固定孔位等)

巧用迷宫结构设计

3. EMC综合设计典型示例

端口保护设计,防静电干扰 PCB设计,保证低地阻抗(否则可能形成不同Unit之间的压差导致相对电压过大,尤其对通信有影响) 增加屏蔽设计,减小信号线长度,减少信号回路包围的面积,用以降低空间辐射的干扰 仔细处理悬浮金属(定位孔,螺钉)

4. EMC分析与排查checklist

根据EMC三要素仔细去分析,针对实际应用场景去对症下药来化解。

  1. 分析干扰源 首先具备理论基础,了解工频、静电、浪涌、辐射等常见干扰的特性,这是后续分析和问题排查的前提。 其次根据具体情况,搞清楚当前的干扰源是什么,怎么产生的,强度如何,只有把准了脉,才好做针对性的处理。

  2. 分析干扰的耦合路径 重点审视一下,干扰到底是端口输入的?还是器件单元之间的串扰?还是空间辐射带来的? 端口输入类的可用稳压源试试 器件串扰需要专门的仿真器材 空间辐射可以板上做手工做屏蔽、或者手持频谱仪分析空间干扰情况,或者换到纯净实验室对比

  3. 分析敏感设备的空间干扰 可以通过更换更干净的实验室环境,以及增加屏蔽的方式进行 同时可利用仪器如频谱仪抓取空间干扰信号的成分

  4. 分步骤形成整改意见 依据对照实验原理,保持单一变量,去调试设备,确定问题症结并有针对性处理

附录

11条EMC认证标准

静电放电 【模拟手的触摸】

辐射射频干扰 【模拟复杂环境下的电磁场】

EFT脉冲电压 【模拟开关灯等瞬时高强度电压变化 ns级别, 高频率】

浪涌 【模拟雷击 ms级, 高能量】

传导射频干扰 【模拟刚接入电路的影响 3V】

工频磁场 【特殊场景, 附近有带线圈的大功率电器,比如变压器什么的】

电压暂降 【模拟市电不稳定】

谐波发射

电压流动、闪烁发射 【模拟白炽灯的闪烁】

对外辐射骚扰 【对外的辐射,对环境和人体的影响】

对外传导骚扰 【对外接电路的影响】

静电测试判据

A 无影响

B 有影响但可自动复原

C 有影响不可主动回复

D 损毁

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