三级管检测:安规和EMC知识详解

云梦县怀薇温度检测有限公司 行业资讯 2020-04-30 08:51:18 0 设计  电感  设备  
安规和EMC知识详解

前言

经常听到某些产品需要各种各样的认证,或者在产品标签上看到各种认证的标签贴纸。例如,中国强制性的3C认证,另有美国的UL、欧洲CE等。这些认证既需要对产品的功能、性能参数进行测试,也需要对安规和EMC进行测试。本文将讲解安规和EMC的测试内容,使工程师在设计时,能够有目的地设计。一个产品的安规和EMC问题,不仅仅是PCB工程师的职责,也是结构工程师的职责(辐射发射、辐射抗扰度、静电)。安规和EMC是一项系统工程,不能仅靠在测试中整改,而应贯穿需求分析、原理图设计、PCB设计、结构设计之中。

何为安规、EMC

安规主要是对产品安全性方面的测试和要求,例如阻燃性、绝缘性、漏电、防尘防水等。

EMC(Electromagnetic Compatibility)电磁兼容性,指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。EMC=EMI(Electromagnetic Interference)电磁干扰+EMS(Electromagnetic Susceptibility)电磁抗干扰。如果是非高频和射频设备,EMC主要是电源方面的EMI(辐射 和传导)问题。

设计前的准备

《产品需求说明书》:明确产品的功能、性能参数、安规标准和EMC标准。

安规标准文件

EMC标准文件

1、EMC的基本测试项目

安规和EMC知识详解

上面是EMC的所有项目:

辐射RE(Radiated Emission):测试场地要求比较高,一般使用EMC暗室代替开阔场地测量。EMC暗室只有地面为反射面,其他面都安装吸波材料,测试时,人员等不在暗室内,防止有干扰。辐射测量的信号在30MHz-1GHz。注意频率,在150KHz~30MHz的干扰信号主要通过传导泄漏,辐射量比较小(原因是信号波长有关)。

传导CE(Conducted Emission):传导测量信号频率在150KHz-30MHz。试验前,接好所有线缆(电源、通信、IO等),待设备工作正常稳定后,测试线缆上的传导骚扰。

谐波(Harmonics):设备工作时,向电网中传输的电源高次谐波的强度。难点

电源闪烁(Flickers):

静电放电ESD(Electrostatic Discharge):包含直接放电和间接放电。直接放电时对产品直接打静电,模拟的是人体和其他带电设备对产品进行放电时的情况。直接放电分为:接触放电、空气放电。产品外壳是金属部分的,需要放电枪直接接触金属部位,塑料外壳需要空气放电。间接放电比较有意思,把设备放在水平耦合板和垂直耦合板间,放电枪在耦合板上接触放电,这样在耦合板上就会形成电场,对设备进行干扰。

辐射抗干扰RS(Radiated Susceptibility):在暗室,使用天线对设备进行辐射发射,测试。

电快速瞬变脉冲群EFT/B:设备附近或者设备所处的电网中,有感性负载切断时,产生的脉冲。使用耦合板耦合在通讯和电源线上,脉冲群的能量会耦合到线缆上,产生电荷积累,对于没有大地的设备(浮地系统),积累到一定程度,会导致数字逻辑电平错乱、设备损坏等。

浪涌试验(Surge):对电源和信号都需要做浪涌测试。浪涌的能量远大于脉冲群和静电。干扰频率宽度比较窄。一般使用压敏电阻和保险电阻抑制。

传导骚扰抗扰度CS(Conducted Susceptibility):

工频磁场试验PMS(Power-frequency Magnetic Susceptibility):50Hz工频磁场(例如大型变压设备)下对设备的影响,主要影响设备中的一些磁性设备,如线圈、霍尔器件。

电压跌落/短时中断DIP/interruptions:指设备所在的电网中突然接入大功率设备,导致电网电压变低对设备的影响。IEEE中定义,电网电压跌落10%~90%,持续10ms-1min后恢复正常。电网短路一般跌落幅度30%,输电线在绝缘子处发生闪烁,或对地放电,一般跌落幅度60%。跌落、短时中断都会导致继电器复位、通讯错乱、不显示、设备复位等,需要添加大电容进行储能,扛过中断和跌落。

2、产品对EMC的标准要求?

中国强制3C认证,美国的UL、欧洲CE等。标准中对不同类型的产品有不同的等级,例如静电有6kV、8kV、12kV、15kV等级别,按照具体需求进行EMC试验。

3、产品EMC整改的思路?

要分析上述11中测试中,如何进行设计,才能提出如何整改。

辐射RE(Radiated Emission)

根源:EMI是高频电流回路形成。走线长度大于波长的1/20,就会成为天线。

测试:在内部可以先对设备进行测试,使用频谱仪,在设备开机和关机时各测试一次,结果相减,去除环境噪声的影响。在设备内部,使用近场探头,追踪定位EMI的源。另外,瞬态EMI可能不好测试,但可能会引起复位、死机、通讯错误等。

安规和EMC知识详解

消除:传播路径、源头方面考虑。

源头:层叠设计、地平面的完整(布局、走线)、电源滤波、布线(阻抗连续)、提高频信号上升沿和下降沿的时间。

传导CE(Conducted Emission)

谐波(Harmonics)

电源闪烁(Flickers)

静电放电ESD(Electrostatic Discharge):

辐射抗干扰RS(Radiated Susceptibility)

电快速瞬变脉冲群EFT/B:

浪涌试验(Surge):

传导骚扰抗扰度CS(Conducted Susceptibility)

工频磁场试验PMS(Power-frequency Magnetic Susceptibility):

电压跌落

4、产品整改时常用元器件的使用?

共模电感

共模电感用于抑制共模干扰(指在两根信号线上产生的幅度相等,相位相同的噪声)。注意,下图中的绕线方向。

安规和EMC知识详解

当共模干扰从左向右经过时,根据右手螺旋法则,可以知道上面的线,产生的磁场是绕着铁氧体顺时针,下面的线,一样。这样,两个线圈就会产生比较大的感抗,阻碍共模干扰信号的流出。

当正常信号经过时,例如电流,上面的线是电源正,下面的线是电源负,上面的线电流从左到右走,下面的线从右到左走。这样,两个线圈会产生方向相反的磁场,并抵消掉。所以,电感主要表现出阻抗。

共模电感在选用时,应考虑

瞬时大电流经过时,磁芯会不会饱和,要选用电流合适的共模电感。

高电压经过时,漆包线的绝缘漆会不会被击穿。漆包线的耐压应该要测试,不能全信供应商。

线圈要尽可能单层,减小线圈的寄生电容。

共模电感的抑制频率。主要根据使用环境中的共模干扰频率决定。

由于绕线不能完全封闭,会产生部分差模电感,有时需要人为增加此部分差模电感,抑制差模干扰。

电感

电感可以抑制高频信号,其等效电路如下:

安规和EMC知识详解

电感量越大,其分布电容也越大,导致其对高频信号的抑制作用降低,所以,电感的电感量是随着信号的频率变化的,在某个频率点,阻抗才会达到最大。在选型时,应该查看其频率电感特性曲线。

电感量越大,其谐振频率越低。也就是说,其分布电容谐振在这个频率点对交流的直通作用,抵消了电感的阻抗。

如果我们还要对抑制频率进一步提高,那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值,只有1圈或不到1圈了。磁珠,即穿心电感,就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍,因此,磁珠比单圈电感线圈的工作频率更高。

磁珠

磁珠是铁氧体材料,高频流过时,由于高感抗,转化成热能,低频信号可以经过。与普通电感相比,具有更好的高频抑制效果。

磁珠广泛应用在电源、信号线路上,可以抑制静电脉冲等。磁珠的单位是欧姆,可以在datasheet上查看频率阻抗特性曲线图,比如100MHz的频率下,阻抗位1000欧姆,通常选用600欧姆阻抗以上的。另外,需要降额80%使用,另外,用在电源线路上,应考虑直流阻抗产生的压降。

一般磁环居里温度110℃,达到这一温度以后立刻失去磁性,有如空气介质一般;恢复室温以后,磁性能发生了永久性改变,磁导率降低了10%。所以,在大功率电路中应用时,应该考虑这种可能出现的温度环境,放置器件失效。

滤波电容

滤波电容在高频应用时,应考虑其谐振(同物理意义上的共振)。对于高频噪声提供一个旁路,流通到地。

普通陶瓷电容的电容量会随着温度的变化而变化,但穿心电容更接近理想电容,在数百兆Hz~1GHz,具有很好的旁路作用。穿心电容怕高温和温度冲击,所以在焊接时,容易造成损坏。另外,穿心电容是三端电容:入、出、地。

5、EMC设计如何在设计过程的各阶段开展?

电路设计(包括器件选型)、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线电源线滤波、电路接地方式。

Tips:电磁兼容领域,要描述的幅度和频率范围都很宽,在图形上用对数坐标更容易表示,而 dB 就是用对数表示。

对于功率,dB=10log(),对于电压和电流,dB=20log()。

例如:X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB 减法:10dB-5dB,实际就是两个数值的相除,例如信噪比。

如何设计好EMC:

设计人员的水平

公司EMC设计规范

公司EMC负责人

在设计前期解决EMC问题

系统流程法(System Flow Method)

系统流程法,即主要在研发流程中融入 EMC 设计理念,在产品设计的各个阶段进行 EMC 设计控制,把可能出现的 EMC 问题在研发前期进行考虑;设计过程中主要从产品的电路(原理图、PCB 设计),结构与电缆,电源模块,接地等方面系统考虑 EMC 问题,针对可能出现 EMC 问题进行前期充分考虑,从而确保产品样品出来后能够一次性通过测试与认证!

产品总体方案设计

产品详细方案设计

产品原理图设计

产品PCB设计

产品结构设计

产品初样试装

产品EMC摸底验证

产品认证

设计Tips

1、设计阶段进行EMC设计,成本和效果是最好的。

2、高频电流环路面积越大,EMI越严重。高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时,一般走线电抗大于电阻,连线对高频信号就是电感,串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的,最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线,减小高频电流回路面积,尽量消除任何非正常工作需要的天线,如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。

3、环路电流频率f越高,引起的EMI辐射越严重,电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二,就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f,即减小骚扰电磁波的频率f。

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