IGBT模块电磁兼容性设计

IGBT模块电磁兼容性设计（共9篇）

IGBT模块电磁兼容性设计篇1

IGBT模块电磁兼容性设计

（1）IGBT模块的优化布局

变流器主电路在空间产生的磁场强度随输入、输出母线中通过电流的强弱而变化，同时IGBT模块产生的空间交变电磁场的强度随其两端电压和电流突变的剧烈程度而变化。这些干扰信号很容易耦合到IGBT模块的驱动线上。通过合理的布局，可以使在功率驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最小，即干扰信号最小。设计中应采取以下措施。1）从滤波电容到IGBT模块的直流连接采用双层镀锡铜板叠加技术。2）输入、输出母线与外部直流输入端和外部交流输出端采用铜条连接。

这种结构不仅可以减小寄生电感，而且对于IGBT模块产生的空间交变电磁场起到了很好的屏蔽作用。

（2）IGBT模块的接地设计

当IGBT模块的栅极驱动或控制信号与主电流共用一个接地回路时，在开关过渡过程中，由于主电流具有很高的di/dt，功率电路漏电感上有感应电压存在。一旦发生这种情况，电路中应该为“地”电位的各点实际上会处于高于“地电位”几伏的电位上。这个电压会出现在IGBT模块的栅极，从而使IGBT模块有可能误导通。为了避免这个问题的出现，需要慎重考虑栅极驱动与控制电路的设计。在设计中应采取以下措施。

1）下桥臂每个栅极IGBT驱动电路都采用了分离绝缘措施，且各自的电源零线按在IGBT模块的辅助端子上，不与主电流共用电流支路，以消除接地回路噪声问题。2）在功率器件关断期间，使用负的反向偏置电压，以避免噪声干扰。

经过电磁兼容性设计的变流器，在实际运行中可以获得良好的技术性能指标，对此可以得到以下结论。

1）变流器所处的电磁环境十分复杂，带来很多电磁干扰，良好的电磁兼容性设计是变流器安全可靠运行的关键。

2）吸收电路设计是变流器电磁兼容设计的难点，由于在功率母线的设计中采用了独特的双层镀锡铜板叠加技术，母线电感足够小，吸收电路只需简单的无感电容即可。3）在设备或系统设计的初始阶段应同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，这样可得到最高的性能价格比。

IGBT模块电磁兼容性设计篇2

1.1 地噪声干扰

噪声大多数以共模信号的形式通过信号线、电源、地线串入电路系统, 影响电路正常工作。而通过地线产生的低噪声干扰最常见、最难消除。低噪声干扰分为共地阻抗干扰和地环路干扰。

1.2 瞬态干扰

瞬态干扰主要是开关电路产生的干扰, 开关波形可以表示成矩形波, 用频谱分析仪观察开关波形的频谱可知:其谐波幅度从基频开始以每十倍程20d B速率下降直至。超过该点后, 以每十倍程40d B的速率下降, 可见开关波形的高频偶次谐波占主导地位。

1.3 静电干扰

设备的任何暴露部分都会发生静电放电 (ESD) , 如键盘控制键、外接电缆和直接接触的金属现象附近导体放电产生大的局部瞬态电流。该电流通过堤岸耦合或共阻抗耦合在设备中感应电流。

1.4 电力线干扰

该干扰主要来自电源的横向模噪声和共模噪声。

2 脉冲数字电路被干扰得一般情况

2.1 数字波的一般特征

对于数字电路, 理想的脉冲波形应具有以下几个特征。

(1) 幅度一定; (2) 重复周期或脉冲宽度一定; (3) 波形无畸变, 不寄生其它非工作信号波形; (4) 没有相位偏移; (5) 零电平保持基准不变。实际电路中, 由于各种各样的电路条件以及传输过程中各种因素的干扰, 上述理想条件并不是都满足。例如当脉冲信号通过电容时就失去了支流分量, 零电平可能要偏离基准线而发生变化;电力的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变;信号如通过电感将产生相移。且随频率而变化。在包含频率极宽的脉冲波形中, 其每个频率的相移大小各不相同, 故要产生波形畸变。这种畸变也许并不完全是由噪声引起的, 但也将导致脉冲数字电路工作的不可靠。因此, 信号的畸变是引起数字电路工作异常的重要因素之一。

2.2 数字波被干扰的现象

接口电路所传输的脉冲信号, 经常受到的几种干扰波形如图1所示。图2所示的几种波形是理想脉冲通过不同参数电路时的输出波形。显然图2 (b) ~ (e) 中的波形都发生了畸变 (见图1, 2) 。

3 脉冲数字电路干扰的抑制

3.1 尖峰脉冲干扰

(1) 引入选通脉冲;为消除电路输出端出现的尖峰干扰脉冲, 常在可能产生竞争冒险脉冲门的输入端增加一个选通脉冲输入端, 只有在输入信号转换完成、电路状态达到稳定后才因入选通脉冲, 这是输出才发生变化。因此, 在因入选通脉冲作用下电路输出不会产生干扰脉冲, 从而消除了尖峰脉冲干扰。 (2) 输出端与地之间并接小电容;在脉冲数字电路中, 尖峰干扰脉冲的宽度是很窄的, 在电路输出端对地接了一个很小的电容后, 由于电容充放电需要一定的时间, 因此, 它可有效地抑制干扰脉冲的幅度, 使其对电路不产生干扰。小电容通常为数十到数百微法拉。 (3) 用时钟脉冲封锁尖峰干扰脉冲;在脉冲数字电路中, 由于各触发器都使用下降沿 (上升沿) 触发的, 且尖峰脉冲都出现在时钟CP下降沿 (上升沿) 后的一段时间内, 因此, 可以用CP作为各译码器门的输入将其封锁掉, 这样译码器输出的顺序脉冲就没有尖峰干扰脉冲了。

3.2 接口电路干扰

提高接口电路抗干扰性能的途径是设法保证传输通道和信号处理电路的正常工作, 以避免信号在传输过程中的畸变和受到干扰。方法是对干扰源进行隔离;对串入的干扰信号进行衰减、消波与限幅;对工作信号进行隔离、整形与提取, 以及采取必要的硬件措施和软件技术, 来保证传输通道中信号的“清洁度”。

4 结语

目前大多数数字设备都是采用各种集成

(g) 尖峰干扰; (h) 高频寄生振荡。微电路器件组成, 审慎地选择适宜的逻辑功能器件、设计接口电路和印刷板电路等功能性设计及抑制各种电磁噪声的电磁兼容性设计同等重要, 而且在功能设计的同时就要进行电磁兼容性设计。本文论及的数字电路内部噪声源及其抑制技术, 仅仅是数字设备电磁兼容性设计要考虑的一个方面。它还涉及到数字电路输入回路及输出回路噪声抑制、系统内传输线串扰和反射的抑制、数字电路开关电源的噪声抑制、以及外部环境电磁辐射的抑制等。因而就数字实用设备工作的可靠性而言, 电磁兼容性设计任务具有更大的艰巨性, 更应该受到设计师们的关注。

摘要：在分析数字电路内部电磁噪声的形成机理及噪声的抑制技术的基础上, 详细地介绍数字电路尖峰脉冲干扰和接口电路干扰的抑制。

关键词：数字电路,脉冲噪声,电磁兼容性,竞争冒险

参考文献

[1]吴瑞坤.数字逻辑电路与竞争冒险[J].宁德师专学报 (自然科学版) , 1999 (4) .

[2]张京英.组合逻辑电路中的竞争冒险现象的判断和消除[J].青海师范大学学报 (自然科学版) , 2003 (2) .

[3]徐兴磊.提高数字系统稳定性可靠性的研究[J].菏泽师范专科学校学报, 2000 (4) .

[4]冼志妙, 李廷洪.电位异步时序电路的冒险现象[J].河南职业技术师范学院学报, 2004 (4) .

[5]康华光.电路技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2000.

电路板级的电磁兼容设计篇3

【关键词】印制电路板(PCB)；电磁兼容(EMC)；电磁干扰(EMI)

现代军事电子装备日益复杂，其电磁兼容（EMC）设计在装备中的作用越来越重要。当一个系统的多个元件或设备在同一环境中工作时，就会产生电磁干扰（EMI），并且元件和设备越多，EMI的机率越大，即使看起来很小的EMI，也会造成严重的事故或是可靠度变差。

在设计阶段，对潜在的EMI采取的措施要比在设备使用后再补救所花费的成本小得多。所以，抑制EMI应从电子设备制造的初级阶段开始，从印制电路板（PCB）的设计着手。即从元件的选择，元件的布局，电源布线，信号布线及地线设计等方面提高部件间可靠性，从而较好的实现EMC。

一、元件的选择

元件选择的一般原则：

1.低辐射：大部分数字集成电路（IC）制造商提供具有较低辐射的胶合逻辑产品（胶合逻辑产品指的是连接不兼容的复杂电路的简单逻辑电路）。

2.传输线匹配I/O：IC输出引脚必须匹配高速信号的传输线。例如当驱动一个25Ω的并联终端负载时，就可以使用总线驱动器。

3.低输入电容：低输入电容有助于降低逻辑器件的状态变化时的电流峰值，因此可以减小磁场辐射和地返回电流。

4.铝电解电容可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器。

5.使用寄生电感和电容量较小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段。

6.大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插入损耗，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。

7.使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插入损耗。

8.用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应该接地。

9.有引脚的元件有寄生效果，因此引脚的长度应尽可能的短。而无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。从电磁兼容性的观点看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。

二、元件的布局

尽可能缩短高频元件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的EMI。易受干扰的元件不能相互挨得太近，输入和输出元件应远离。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加上线间地线，以免发生反馈耦合。如：同相放大器的输入输出端一但靠近，在它们之间就会产生寄生电容。这样，由于该电容而形成了输出返回到输入的正反馈环路，最终引起振荡。这种振荡与输入信号无关，即使在没有输入时也会发生。振荡频率由同相放大器的电路结构和寄生电容的大小等因素决定。实际上，大部分为1MHz以上。随着寄生电容的大小变化，不仅产生电路的振荡，甚至发生工作不稳定和特性变坏的情况。而在反相放大器中，由于米勒效应引起高频特性变坏。设反相放大器的增益为A，输入输出间的寄生电容为C。由于米勒效应，从输入端可以看成输入与地之间加入了(A+1)C的电容。如果信号源电阻Rg非常低，则是可以的。但是，如果Rg很高，则该Rg与米勒电容(A+1)C就会形成LPF(低通滤波器)，使得高频特性下降。因此，无论是正相放大器还是反相放大器，其输入输出端都不允许靠得太近，特别在增益高或在宽带放大器中更要特别注意。不仅对于一级放大器，对于多级放大器也同样要注意这个问题。

三、电源布线

1.电源布线产生的EMI

电源布线会产生分布电容、分布电感、分布电阻。PCB上供电电源通常为直流电源，供电的主要目的是为PCB上的每个用电元件提供一个准确的电压。而电源所驱动的负载常具有瞬态变化的特性，受分布阻抗的影响，负载电压或电流的瞬态变化会引起电源电压或电流发生瞬态变化，这如同在电源的负载端接上一个瞬态变化的信号源。特别是在高频，有的器件工作在数字开关状态，这一现象更为突出。这样电源布线既含有直流电压，又含有瞬态变化的电压(称为寄生电压)，瞬变电压会产生高次谐波，其都是产生EMI的主要来源。

2.电源布线的防干扰措施

(1)电源平面法

利用PCB的一层作为电源平面层，至少有一层作为地平面，每一层只能提供一种电源电压，通过PCB上的过孔将电源电压引到器件上。这种做法使电源布线分布阻抗非常小，电路压降小，器件上能得到稳定的直流电压。同时平面间靠得很近，能较好地抑制电场耦合。且电源平面往返电流大小相等，磁场干扰能抵消。

(2)共地平面法

这个地作为电源及电子器件的公共地，高频布线设计中，电流的返回路径对系统的影响比较大，由于是平面地，电源及所有信号(包括发送和接收)返回路径的附加阻抗非常小，压降可忽略，各器件上就能得到稳定的电源电压。同时，所有的电源去线与信号线都与平面地成镜像关系，形成的电流也是镜像电流，EMI耦合得到较好地抑制。

(3)电源母线法

这种布线设计可分别提供几种电压。布线的条数由器件的多少而定。这种布线要达到以下要求：

(1)布线要宽。

(2)加去耦电容。这种电容起到旁路滤波的作用。要在电源的输入端并联较大的和较小的滤波电容。在高频时，实际的电容器相当于带通滤波器，它可等效为电感、电阻和电容的串联，较大的和较小的电容并联使用，目的是增加旁路滤波的带宽。同时，在每一个有源器件的电源引脚与地之间也要并联一个电容器，这个并联电容相当于噪声滤波器，能滤掉高频谐波噪声。

(3)地线环绕，作为母线中的地线可以不等宽，但宽窄过渡要平滑，以避免产生噪声，地线要靠近供电电源母线和信号线，因电流沿路径传输会产生回路电感，地线靠近，回路面积减小，电感量减小，回路阻抗减小，从而减小EMI耦合。

四、信号布线

信号布线同样有分布电感、分布电容和分布电阻，它们代表了干扰耦合路径的分布参数，这些分布参数随信号频率的增加而增大。

只要两条线有电位差，两条线间就会存在电场。假设三条导线，A、B分别为信号线，D为地线，C-AD为A的分布电容，若A的电位比B的高，B处在A的某个或某些等位面上，A中的电位就会与B发生耦合，这种电场耦合为容性耦合。同理B与A也可能产生这种耦合。抑制容性耦合的方法：一是要增大两布线导线间的距离(大于干扰信号最大波长的四分之一)，二是要减小信号线与地之间的距离。

若A、B两导线靠近，当导线A中有电流时，它的周围就存在着磁场，磁感线就会有一部分环绕到导体B组成的回路中，B回路就被感应出感生电流，这种磁场干扰耦合属于感性干扰(互感)耦合。同时，若A导线中的电流发生变化，还会存在自感，也会产生感性干扰(自感)耦合。抑制感性干扰耦合的方法：一是增大信号线与信号线之间的距离，以减小互感，原因是互感系数与距离成反比。二是减小信号线与地之间的距离，以减小信号线与地之间围成的磁通面积。减小线地距离外，还应尽量避免信号线的平行布设。

五、地线（GND）设计

1.正确选择单点接地与多点接地。

在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，可以应采用单点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

2.数字地与模拟地分开。

电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，要尽量加大线性电路的接地面积。

3.接地线应尽量加粗。

若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于PCB的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。

4.接地线构成闭环路。

设计只由数字电路组成的PCB的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：PCB上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降；若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

六、结束语

EMC已成为线路设计所面临的主要问题之一。由于干扰产生的原因多种多样，干扰的强弱、影响的程度也是千差万别，所以，PCB布线设计中的抗干扰是一项实践性非常强的技术工作。良好的PCB设计可以大大提高系统的抗干扰能力，从而提高系统可靠性。

参考文献

[1]【美】曼特罗斯(Montrose,M.I.),吕英华,等.电磁兼容的印制电路板设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]赵家升,等.电磁兼容原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[3]顾海洲,马双武.PCB电磁兼容技术-设计实践[M].北京:清华大学出版社,2004.

作者简介：薛璐（1982—），女，北京人，现供职于海军701厂，主要从事通信和雷达产品的调试与维修。

IGBT模块电磁兼容性设计篇4

印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接，是目前电子器材用于各类电子设备和系统的主要装配方式。鉴于PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大，因此，PCB的设计除必须遵守一般原则之外，还应符合抗干扰设计与电磁兼容性的要求。

一．电路板设计的一般原则 1．布局

首先应考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定元件的位置，一般来说，应把模拟信号、高速数字电路、噪声源(如继电器、大电流开关等)这三部分合理分开，使相互间的信号耦合为最小。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。在确定元件的位置时要遵守以下原则：按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

以每个功能电路的核心元件为中心进行布局。元器件应均匀、整齐紧凑地排列，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尺可能使元器件平行排列，以利于装焊及批量生产且美观。

位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3，其尺寸大于200x150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

重量超过15g的元器件应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

2、布线

布线的原则如下：

输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合。

导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定，当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1～15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃。因此，导线宽度为1.5mm便可满足要求。对于集成电路尤其是数字电路，通常选宽度为0.02～0.3mm的导线，当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至5～8mm。

印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

二电路板及电路抗干扰措施

印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，以下从四个方面讨论PCB抗干扰设计的措施。

1、电源线设计

根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

2、地线设计印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，并都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。地线设计的原则是：

数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，分别与电源端地线相连，并尽可能加大线性电路的接地面积。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

接地线应尽量加粗。若接地线很细，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线宽度应在2～3mm 以上。

正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上的很多集成电路元件，尤其遇到耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

3、合理设置退耦电容

性能好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。去耦电容有两个作用：一方面旁路除掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uF，有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1uF、10uF电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方并一个1uF或10uF的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uF。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酯电容。去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算，即10MHz取0.1uF。对微控制器构成的系统，取0.1～0.01uF之间都可以。退耦电容的一般配置原则是：电源输入端跨接10～100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01uF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4～8个芯片都应布置一个1～10uF的钽电容。

对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。

电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

4、特殊器件的处理

在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2KΩ，C取2.2～47uF。

CMOS的输入阻抗很高，易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。为减小信号传输中的畸变，信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

注意印刷线板与元器件的高频特性。在高频情况下，印刷线路板上的引线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电阻对高频信号产生的反射，会对引线的分布电容起作用，当引线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。

三、电磁兼容性设计

对于微控制器时钟频率与总线周期特别快、含有大功率与大电流驱动电路以及含有微弱模拟信号电路与高精度A/D变换电路的系统，应特别注意抗电磁干扰。

1、印刷电路板设计中的电磁兼容性措施

数字地与模拟地分开，地线加宽，以解决公共阻抗耦合问题。

在布局时若高速、中速和低速混用时，注意不同的布局区域，且模拟电路和数字逻辑要分离。

布线时专用零伏线、电源线的走线宽度≥1mm，电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。

要为模拟电路专门提供一根零伏线。

为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距，有意安插一些零伏线作为线间隔离。

印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离。

特别注意电流流通中的导线环路尺寸。

如有可能在控制线的入口处加接RC去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。

线宽不要突变，导线不要突然拐角(≥90度)。

在印刷线路板上使用逻辑电路时，凡能不用高速逻辑电路的就不用，并在电源与地之间加去耦电容。

可用串电阻的办法，降低控制电路上沿跳变速率；尽量为继电器等提供某种形式的阻尼；使用满足系统要求的最低频率时钟且时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件；石英晶体振荡器外壳要接地；用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短；I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板；对进入印刷板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射；集成电路上该接电源的端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离远一些单面板和双面板用单点接电源和单点接地；时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件；模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟；对A／D类器件，数字部分与模拟部分不要交叉；时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小，时钟元件引脚远离I/O电缆；元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地；高速信号线要短要直；对噪声敏感的线不要与大电流、高速开关线平行；石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线弱信号电路、低频电路周围不要形成电流环路；任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小；每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路充放电储能电容，使用管状电容时，外壳要接地。

2、配套于印刷电路板的开关电源的电磁兼容性

电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线、中断线以及其它，一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，即使电池供电的系统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自源的干扰。

开关电源对电网传导的骚拢及开关电源的辐射骚扰的主要因素是非线性流和初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。抑制方法为：对开关电压波形进行“修整”：在晶体管与散热器之间加装屏蔽层的绝缘垫片，在市电输入电路中加接电源滤波器尽可能地减小环路面积在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器；对晶体管开关波形进行“修整”。另外，由于二极管反向电流陡变及回路分布电感与二极管结电容等形成高频衰减振荡，而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用，因此在输出改波中出现尖峰干扰，为此应加小电感和高频电容以减速小输出噪声。

3、传输线的电磁兼容性

传输电缆的形式较多，双绞丝在低于100KHz下使用非常有效，高频下因特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射而受到限制；带屏蔽的双绞线，信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消；非屏蔽双绞线抵御静电耦合的能力差些，但对防止磁场感应仍有很好作用，其屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比同轴电缆有较均匀的特性阻抗和较低的损耗，从直流到甚高频都有较好特性。传输线最好的接线方式是信号与地线相间，稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推，或专用一块接地平板，将负载直接接地的方式是不合适的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。

至于电缆线的端接，在要求高的场合要为内导体提供360°的完整包裹，并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。

4、静电的防护

IGBT模块电磁兼容性设计篇5

摘要：分析了除颤器测试分析仪的主要干扰源及其特点，并讨论了抑制干扰的主要措施。经测试分析，证明仪器具有良好的电磁兼容性。

关键词：心脏除颤器电磁兼容 EMI滤波器

除颤器是利用瞬间释放的高能量脉冲电流，通过短暂的电击去除心脏的室颤(VF)或房颤(AF)，并使其恢复正常心律的种有效的医疗救护仪器。显然，除颤器的性能优劣将直接关系到临床急救的效果。作者研制的心脏除颤器测试分析仪，可对除颤器的各功能参数，包括放电能量、最大电流及电压，同步触发延迟时间、除颤器放电时间等进行校准检验，且能模拟人体输出多种心率、多种导联的标准心电波形以及检定除颤器性能的特定波形，并兼有检测与心电信号同步的除颤放电功能。

在除颤器测试分析仪的.研制过程中，针对出现的干扰现象，分析了干扰现象，分析了干扰产生的原因及干扰的特点，采取了一些抗干扰措施，通过应用EMI(电磁干扰)滤波器，去除了放电脉冲在仪器内部所产生的强烈干扰，使除颤器测试分析仪工作稳定可靠，具有良好的电磁兼容性。

图1 仪器电路原理框图

1 系统的基本原理及干扰特点

本仪器以飞利浦单片机80C52为控制核心，完成对除颤器各项功能的测试分析，并通过接口电路对分析结果分析显示和传输，原理框图如图1所示。除颤器测试分析仪主要完成两部分功能：(1)完成对除颤器放电能量的准确测量;(2)准确、稳定地输出各种心电波形及测试波形。为检验除颤器的自动除颤功能及其特性参数要求分析仪能输出多种波形，包括具有多种导联输出的ECG(心电图)波且幅值可调，同时输出高幅值ECG信号、直流脉冲、方波、三角波、复合波、多种频率的正弦滤以及多种心律的标准R波。各种波形的输出通过数字合成，由程序产生的波形经D/A转换器输出，然后通过模拟电路变换成要求的输出模式。放电能量的检测是基于除颤器的高压放电脉冲通过模拟人体阻抗的模拟电阻(典型阻值为50Ω)放电，经衰减后送入可变增益放大器，变为A/D转换器的输入信号，然后进行处理和显示。

根据对仪器的要求，除完成各项功能外，在对除颤器的放电进行测试时，必须能够承受由放电脉冲带来的强烈干扰，不死机、不复位，在不采用干扰避开法、系统智能复位法等措施时，程序仍能正常执行。同时，由于仪器必须具有恢复放电脉冲波形的功能，测量模拟通道不能对放电信号采用滤波、浪涌阻尼等措施。这就对仪器的抗干扰性能提出了更高的要求。

系统的干扰源一部分是仪器内部数字电路、供电电源所产生的干扰以及仪器外部空间辐射电磁波干扰;另一部分干扰来自除颤器的放电脉冲。其干扰具如下特点：

(1)电压峰值高、能量大，最高电压可达5000V，最大放电能量可达360J;

(2)放电时间短，除颤器放电脉冲时间仅为10ms左右，脉冲前沿时间约为2ms;

矿用救生舱电磁兼容性设计探讨篇6

矿用救生舱一般由空气处理系统、呼吸氧气支持系统、动力供应系统、气体监测传感器、隔爆型备用电池箱、隔爆兼本安直流稳压电源、通风空调 (风扇) 、监控和传输线路等部分组成。当前, 数字传感器、空调等各种电子设备在救生舱中大量应用, 由于井下环境限制, 舱体内部空间狭小, 设备密集度很高, 局部电磁环境非常恶劣, 导致系统间电磁兼容性能差, 极易发生误报警、误断电、井上监控系统视频终端出现严重失真等电磁兼容问题。因此, 从电磁兼容的角度来看, 救生舱具有干扰源多、耦合途径广泛的特点, 必须对其主要的干扰源和干扰传输路径采取屏蔽、滤波、去耦、隔离等电磁兼容设计, 才能真正使矿用救生舱在井下发生灾难事故后发挥应有的紧急避险效能。这里主要探讨从电磁屏蔽和滤波两方面进行的电磁兼容设计。

1矿用救生舱主要干扰源分析

1.1 电源系统及其自身干扰

矿用救生舱电源系统应当充分考虑煤矿的供电条件, 并符合井下用电安全的相关标准要求。现用的救生舱电源系统多采用集中供电方式, 具备过充电、过放电等安全保护功能。在失去外部供电时, 内部电源能维持额定情况下的基本电力消耗。舱内具备外部电源接入充电接口, 使用井下1 140/660 V和380 V的交流电。电源在充电状态下会产生过压、欠压等电压波动;同时作为动力保障系统备用电池的大容量镍氢蓄电池, 在救生舱内、外部供电自动转换瞬间, 电压和电流变化都很大, 也能产生瞬时浪涌电压。这些干扰都会影响舱内设备正常工作。

1.2舱内设备耦合形成的干扰

救生舱中动力供应系统、传感器、空调等配套设备综合了机、电、液技术, 各设备间极易通过供电系统、接地系统、互连系统, 以及空间辐射场形成电磁干扰耦合。同时, 受舱内空间限制, 与安全监控系统相连的传输线路往往在布线时与电力线路并行, 各种设备的接地也连接在一起, 这也增加了各种设备间的相互干扰。

1.3来自机械开关、触点的干扰

救生舱中动力供应系统执行部件不少是通断开关, 如乒乓开关、接触器和继电器等, 在触点断开和闭合时电流变化率很大, 产生幅值很大的电磁脉冲和前沿陡峭幅值很大的浪涌电压。

2救生舱舱体电磁屏蔽理论分析

救生舱舱体的屏蔽效果由舱体对电磁场强度削弱的程度决定, 通常用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是指在电磁场中同地点无屏蔽存在时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比, 用SE表示:

SE=20 (lg A+lg R+lg B) (1)

式中:A为吸收损耗;R为反射损耗;B为多次反射损耗。

由于舱内环境限制, 多次反射损耗B几乎可以忽略不计, 由此计算救生舱屏蔽效能主要是计算吸收损耗A和反射损耗R, 即:

S′E=20 (lg A+lg R) (2)

2.1吸收损耗

吸收损耗A可由下式表示:

$A = 0.131 t \sqrt{f μ_{r} σ_{r}} (3)$

式中:t为屏蔽体厚度; f为电磁波频率;μr和σr分别为屏蔽材料相对磁导率和相对于铜的电导率。

由式 (3) 可见, 吸收损耗与屏蔽材料的厚度、工作频率、电导率、磁导率等有关。

2.2反射损耗

反射损耗R根据场源性质和屏蔽体所处位置不同, 主要有如下3种计算方式。

1) 当r≥λ/2π时, 属于远场区, 电磁场分量的反射损耗为

$R_{p} = 168 - 20 \lg \sqrt{\frac{μ_{r} f}{σ_{r}}} (4)$

2) 当r<λ/2π时, 属于近场区

a.以电场为主时, 反射损耗为

$R_{e} = 354 - 20 \lg \sqrt{0.394 r \frac{μ_{r} f^{3}}{σ_{r}}} (5)$

b.以磁场为主时, 反射损耗为

$R_{m} = 354 - 20 \lg (\frac{1.153}{r} \sqrt{\frac{μ_{r}}{f σ_{r}}} +$

$0.054 r \sqrt{\frac{f σ_{r}}{μ_{r}}} + 0.354$ (6)

式中r为屏蔽体到场源的距离。

由式 (4) — (6) 可以看出, 金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的电导率、磁导率有关, 而且还与金属屏蔽体所在的位置及场源特性有关。在计算反射损耗时, 首先要区分屏蔽体是在场源的远区还是近区, 如果是在近区还要进一步区分场源的特性。若无法区分场区和场源, 则按较小的数值计算。在以上3个公式中存在着Re>Rp>Rm的关系, 因此一般选用式 (6) 计算反射损耗。

3矿用救生舱电磁兼容设计

严格来说, 由于矿用救生舱的舱体本身具有较好的屏蔽作用, 对舱内电磁兼容性考虑主要集中在供用电系统和动力系统上。基于以上分析, 为适应矿用救生舱恶劣的电磁环境, 提高舱内设备电磁兼容性 (EMC) , 减弱对传输线路和空间的电磁干扰 (EMI) , 设计矿用救生舱时必须考虑电磁兼容性, 可以采用隔离滤波、瞬态过电压的抑制、电磁屏蔽、传输信号电缆的电气密封连接、电磁兼容接地等方法。以下重点从电源、传输电缆滤波和救生舱舱体屏蔽三方面进行电磁兼容设计分析。

3.1电源

救生舱内供电电缆均为煤矿矿用阻燃电缆, 一般采用重型橡套铜芯多股电缆, 并带有接地芯线与接线盒内的接地端子可靠连接。舱内电力传输网中如过压、欠压、浪涌和瞬变电压等电压变化, 以及瞬变所形成的电源干扰都能干扰甚至损毁舱内装备的电子元件。因此, 供电系统中供电设备应具有短路、过载和漏电 (含漏电闭锁) 保护。低压控制设备应具有短路、过载、断相、漏电闭锁等保护及远程控制装置。为吸收瞬变电压, 在电源模块内部的输入端还可加入压敏电阻和具有很强浪涌吸收能力的硅瞬变电压吸收二极管。

3.2传输电缆

传导干扰可以通过电源线、信号线、互联线等导线以及屏蔽体等导体传播。为解决矿用阻燃电缆与接线盒内接地端子连接时对外接口的传导干扰, 可采用将导线分别沿电源插座同相缠绕的方法予以消除。同时针对传导性耦合, 还可采用在传输电缆上安装滤波器以减少传导干扰。滤波器的引线应以双绞线为宜, 并尽可能短, 滤波器输入线、输出线须保持一定距离以消除部分高频干扰。如图1所示, 在舱内的电源入口处, 可安装接地良好的低通电源滤波器以降低供电网系与舱内设备之间的传导干扰, 若条件允许, 舱内的设备机柜、控制台等都应通过UPS供电并使之与电源、空调、照明等用电设备分离。

3.3救生舱舱体屏蔽

在救生舱舱体结构设计时, 既要满足舱体的抗高温、抗冲击的刚度要求, 也必须保证舱体接地良好, 满足屏蔽效能指标。在方舱设计结构上应尽可能减少接缝, 除了采用厚钢板这样的导磁率高的材料, 针对高频时产生的涡流, 也可采用具有较高导电、导磁特性的铝合金材料作为屏蔽材料, 并尽可能将各壁板设计成整张板, 既提高了屏蔽性能, 又提高了救生舱的密封性能。同时救生舱舱体应尽量减少开孔数量和减小开孔面积, 对具有通风风扇的救生舱来说, 如有条件可采用安装通风波导窗或增加金属屏蔽网屏蔽。对于舱体上开设的电源孔口或信号孔口, 孔口之间的距离应尽可能保持最大。

4结语

由于我国矿用救生舱研究起步较晚, 对舱内电磁兼容设计缺乏足够重视, 也缺乏相应的国家标准。随着矿用救生舱数字化、集成化、智能化的不断推进, 舱内电子电气设备将越来越多, 电磁环境也会越来越恶劣。未来救生舱系统设计在方案论证、试验定型和建造阶段都必须统筹考虑电磁兼容问题, 在确保设计的性价比基础上, 正确使用屏蔽、滤波等技术手段, 以提高电磁兼容能力。

参考文献

[1]张豫南, 谢永成.矿用安全救生舱电子与电气系统[M].北京:国防工业出版社, 2003.

[2]钟道隆.通信系统中电磁干扰与屏蔽接地[M].北京:国防工业出版社, 1997.

[3]王庆斌.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社, 1999.

[4]白同云, 吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001.

[5]孙继平, 潘涛, 等.煤矿井下电磁兼容探讨[J].煤炭学报, 2006 (3) .

IGBT模块电磁兼容性设计篇7

目前, 煤矿井下电子设备使用越来越广泛, 所形成的电磁环境 (EME) 日益复杂。为保障井下安全作业生产, 对煤矿安全监控设备的电磁兼容性要求愈来愈高。一般安全监控设备的抗电磁干扰性能较弱, 导致很多的安全监控设备不能可靠、稳定地工作, 如监控电子设备的损坏故障率高、矿用传感器误报警现象较频繁、电子设备之间受电磁干扰常易出现通信中断现象、安全监控系统采集数据容易出现冒大值等一系列常见问题, 不仅增加了煤矿人员设备的维护工作量, 影响生产效率, 也给井下作业人员的工作安全带来很大威胁。

如何提高井下安全监控设备的抗电磁干扰能力, 以适合煤矿井下恶劣、复杂的工作环境, 对保障煤矿井下安全作业生产显得越来越重要。本文通过对煤矿安全监控设备电磁兼容性 (Electromagnetic Compatibility, EMC) 的分析, 提出了适应于煤矿井下设备的电磁兼容的设计方法, 以提高设备的抗电磁干扰能力, 为矿井安全生产提供可靠保障。

1 EMC分析与设计方法

EMC主要包括2个方面的设计要求:

(1) 能在预期的电磁环境中正常工作, 具有耐抗扰能力, 且性能不会降低或出现故障;

(2) 对该电磁环境不是一个污染源。

EMC主要包括电磁干扰 (EMI) 和电磁抗扰度 (EMS) 。电磁兼容设计实际上就是采用EMI控制技术针对产品中产生的电磁干扰进行优化设计, 其主要依据是电磁干扰的三要素:干扰源、耦合通路和敏感设备。所以, 电磁兼容设计就是要从抑制干扰源、切断耦合途径和防护敏感设备被干扰等方面采取措施。下面根据电磁干扰的不同类型进行分析。

1.1 射频辐射抗扰度分析与设计

电磁辐射主要是以空间辐射耦合的方式影响安全监控设备的正常工作。EMI能量通过传导性耦合和辐射性耦合传输。传导性耦合需采用滤波技术, 即采用EMI滤波器件加以抑制;辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制, 屏蔽能有效地抑制通过空间传播的EMI。采用屏蔽的目的有2个:一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域。可以通过对2个空间区域之间进行金属隔离来实现屏蔽, 以控制井下安全监控设备之间的电场、磁场和电磁波的感应和辐射。

1.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度分析与设计

电快速瞬变脉冲群 (EFT) 主要是由模拟感性负载瞬态切换过程产生的瞬态干扰, 一般不会造成电路元器件损坏, 只是使设备出现“软”故障, 如程序跑飞、数据丢失等问题, 有的安全监控设备对单脉冲不敏感, 但对脉冲群敏感。该种干扰主要是以共模方式施加到电源线或信号线上:

(1) 侵入的EFT会通过电源线、地线的引线电感产生反电动势, 造成电源电压和地电位的波动, 从而引起数字电路的误动作。

(2) 由于对IC芯片输入端电容充电, 在脉冲间隔不能完全放电, 导致电位逐渐积累, 使IC芯片发生误动作, 如出现单片机复位等。

(3) 由线缆走线引起感应耦合。

EFT抗扰度能力可以通过以下措施加以增强:

(1) 使用合适的电源滤波器、瞬态干扰抑制器, 电源屏蔽线两端接地。

(2) 尽量减小PCB电源线和地线的引线电感, 优化PCB地线走线的设计。

(3) 本安防爆电路和导线与非本安防爆电路和导线隔离, 并设接地装置。

常用的隔离措施:① 光电耦合器光电隔离;② 多级限压与限流;③ 变压器电磁隔离;④ 安全栅隔离;⑤ 本安电路导线与非本安电路导线分离, 本安电路与非本安电路电缆分离走线、分开布置, 以减小耦合电感。

1.3 浪涌 (冲击) 抗扰度分析与设计

目前, 国内很多煤矿地处山区, 很容易受雷击影响, 形成电浪涌危害, 如果传导到矿井地下, 井下安全监控设备电源在刚开通的那一瞬间产生的强力脉冲, 由于电路本身的非线性有可能高于电源本身的脉冲。井下安全监控设备受到瞬态高能量骚扰, 在线路上感应或耦合出过电压。极大陡度的电流, 通过电流的流动, 将在导体的周围产生磁场, 如果电流泄放的通道附近有回路存在, 根据感应法则, 回路导体将感应出电压, 对安全监控设备产生严重干扰。

抑制浪涌通常通过使用浪涌抑制器件来解决:

(1) 气体放电管:具有良好的浪涌电流吸收能力, 可泄放直接雷击电流, 一般用作一次保护。它的缺点主要是有较大的后续电流, 动作电压较高, 动作时间较长。

(2) 瞬态电压抑制器TVS:当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时, 它以极快的速度, 将其两极间的高阻抗变为低阻抗, 使两极间的电压箝位于一个预定值。该抑制器具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制等特点, 主要用于二次保护。

(3) 压敏电阻:用于泄放雷电流, 能力较好, 但只能泄放部分直接雷击电流, 一般用于二次保护。它的优点是残压较低、反应时间较慢等。

1.4 静电干扰分析与设计

煤矿井下安全监控设备都处于瓦斯气体、煤尘等具有爆炸危险的工作环境, 而且有时设备需要进行检修、频繁插拔接线等, 很容易产生静电 (ESD) 。静电放电可能引起静电吸附, 静电放电产生的电磁脉冲有可能引起设备内部电路芯片器件击穿。软击穿会造成器件的性能下降, 硬击穿可能一次性造成芯片介质击穿而烧毁, 以导致芯片永久性损坏。

静电能量的传播有2种方式:

(1) 传导方式, 通过导体进行电流泄放, 侵入电路内部, 使芯片误动作甚至永久性损坏。

(2) 放电电流:通过导体传播, 激发经过的“天线”产生电磁波耦合到外界其它电路。如果感应的电压或电流超过抗扰度限值, 该电路性能将下降或失效。

进行静电设计的主要方法:

(1) 采用防静电的芯片, 如防静电电源芯片等。

(2) 在可能成为静电泄放敏感点的电路中, 如输入端与地之间应加瞬态干扰抑制器等保护器件进行保护等。

(3) 采用分流滤波器, 做好PCB设计和屏蔽设计等。

2 结语

本文通过分析煤矿井下安全监控设备的电磁兼容性要求, 提出了相应的设计方法实现和提高了井下安全监控设备的抗电磁干扰能力, 保证了煤矿井下安全监控设备稳定、可靠的运行, 保障了井下作业人员的人身安全、减轻了设备维护人员的工作量, 提高了煤矿的生产效率。

摘要：文章分析了煤矿安全监控设备的电磁兼容性 (EMC) , 针对不同类型的电磁干扰, 提出了适合煤矿井下安全监控设备的电磁兼容的设计方法。该方法提高了矿用设备的抗电磁干扰能力, 为矿井安全生产提供了保障。

关键词：煤矿,安全监控,电磁兼容性,抗干扰,EMC

参考文献

[1]白同云, 吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001.

[2]杨客俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004.

[3]张邦宁, 魏安全, 郭道省, 等.通信抗干扰技术[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[4]孙继平, 王福增, 潘涛, 等.煤矿井下漏泄通信系统抗干扰技术[J].矿业研究与开发, 2008 (2) :58~59.

舰载光电设备电磁兼容设计篇8

舰载光电设备可昼夜工作、完全被动方式工作隐蔽性好、不受电子干扰、图像清晰直观等优点;战时, 在强电子环境条件下, 也可用于独立对海上和空中来袭目标进行搜索、侦察、跟踪、监视和识别。舰载光电设备越来越得到各国海军的高度重视, 现在各国舰艇上都已加装各型光电设备。而现代舰艇, 尤其是大型舰艇结构复杂, 设备众多, 空间狭小, 各种干扰问题较为突出。对舰载光电设备来讲, 干扰主要是高频电磁波通过电缆和电子设备相互作用所致。为提高舰载光电设备作战效能, 必须采取正确的方法对舰载光电设备的磁兼容进行控制。

1 舰载光电设备电磁干扰分析

在舰载光电设备中电磁干扰的传播途径主要有两种, 一种是干扰源在空间上的辐射耦合, 干扰通过电磁波的形式耦合到敏感设备上。为满足舰载光电设备小型化的要求, 结构设计紧凑, 使得系统内部各部分之间的间距很小, 导致空间辐射的能量大部分传导给敏感设备。

电磁干扰另外一种传播途径就是通过导线的传导耦合, 它可通过电源线、信号线, 当金属导线流过的电流较大时, 就可以转化为辐射耦合, 把干扰辐射到距离导线较近的敏感设备上。

2 电磁兼容性设计措施

2.1 结构设计

按数字信号环、开关量、功率环的顺序排列, 将强弱信号进行分离;

控制机箱采用金属机箱, 其结构设计满足相关的EMC设计标准;机箱盖板接缝处加RF衬垫 (一般使用导电橡胶和导电胶) ;插头座选用具有良好屏蔽性能的不锈钢插头座;

电源模块结构设计采用金属外壳屏蔽。

2.2 接地设计

系统采用“三套法”安全接地。

第一套——信号地:包括小信号回路、逻辑电路、控制电路以及接口电路的信号地。

第二套——系统电源地。

第三套——机壳地:包括机座、机箱等金属结构的外壳及屏蔽电缆的屏蔽层合并在一点接地。

2.3 布线设计

传输的信号有视频信号、数字信号、模拟信号等, 其中模拟信号又有强、弱之分。所有干扰线和敏感信号的传输线均尽可能采用屏蔽线, 以减少电磁泄漏和电磁耦合。电缆均采用双屏蔽电缆, 且根据传输信号的频率分别提供单点和多点接地。

2.4 优选接插件

外部接插件选用不锈钢材料, 该系列接插件具有考虑电磁干扰屏蔽的导电外壳, 具有结构先进、使用方便、抗振动、防盐雾、高可靠的特点。

2.5 电路设计

通过电源滤波器将~220V/50Hz的电源功率传输到设备, 而大大衰减经电源线传入的EMI信号, 保护设备免受其害。同时, 它又抑制设备本身产生的EMI信号, 防止它进入电网, 危害其他设备。

在电路板级就尽可能进行电磁兼容设计。如印制电路板设计时尽量缩短走线的长度, 采取接地栅网、多层板和电源去耦电容等方法降低噪声。

减小源回路和敏感回路的环路面积, 设法使信号线或载流线尽量靠近其回线;尽量把干扰源和敏感线分开敷设, 尽量增大它们之间的距离。

3 结语

电磁兼容性是舰载光电设备的主要性能之一, 电磁兼容设计是实现舰载光电设备规定功能、使设备效能得以充分发挥的重要保证。在进行设备功能设计的同时, 必须进行电磁兼容设计。本文是在电磁兼容理论学习的基础和实际工程应用中积累的一些经验, 是工程实践中的经验总结, 实践证明采用本文提出的电磁兼容性设计措施, 有效屏蔽了舰上各种电磁干扰对舰载光电设备的影响, 大大提高了舰载光电设备的性能。

参考文献

[1]高攸刚.电磁兼容总论[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001, 3

[2]蒋全兴, 吕仁清.电磁兼容原理及技术[M].东南大学出版社, 2006, 1

[3]姚贵林, 魏敬森.电磁干扰对精密仪器设备的影响及对策[N], 通讯世界报, 2003 (8)

[4]白同云, 吕晓得.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001

高速DSP的电磁兼容设计研究篇9

关键词：电磁兼容,DSP,抗干扰,PCB布线

1引言

电子产品的印制电路板设计质量不仅直接影响到可靠性和稳定性,甚至是设计成败的关键。因此,在设绘印制板图时,除了要为电路中的元器件提供正确无误的电气连接外,还应充分考虑印制板的电磁兼容以及抗干扰性。许多发达国家对电子产品有严格的电磁兼容标准,为了适应这些要求,电子产品从板级设计开始就要充分的考虑到电子干扰[1,2,3]。

随着高速DSP技术的广泛应用,其相应的高速DSP的PCB设计就显得十分重要。在目前的DSP处理系统中,DSP处理器的工作频率一般可以达到几百兆赫兹,这样微处理器的中断线、控制线、复位线、A/D转换电路等都非常容易受到干扰。因此设计一个稳定、可靠的DSP系统,电磁兼容和抗干扰至关重要。

2DSP干扰分析

2.1 电磁环境的组成

一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成,当电路中有电压存在时,在所有带电的元器件周围都会产生电场,当电路有电流流过时,在所有载流体的周围都存在磁场。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。电磁干扰主要是传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。因此电磁兼容性主要研究干扰源、耦合途径和敏感设备三者之间的关系。下面简单介绍电磁干扰模型。一个简单的电磁干扰模型由3个部分组成:

电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送带、瞬时功率执行元件(机电式继电器、开关电源、闪电等);

耦合路径一条导线在一个由噪声的环境中经过,这条导线通过感应将接收这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。在有共享负载(阻抗)的电路中也会发生耦合现象。

接收器所有的电子电路都可以接收传送的电磁干扰。在数字电路中,临界信号最容易受到电子干扰的影响。这些信号包括复位、中断和控制信号。模拟的低级放大器、控制电路和电源调整电路也容易受到噪声的影响。

为了进行电磁兼容性设计并符合电磁兼容性标准,设计者需要将辐射(从产品中泄露的射频能量)减到最小,增强接收器对辐射(进入产品中的射频能量)的易感性和抗干扰能力。如图1所示,发射和抗干扰都可以根据辐射和传导的耦合分类。辐射耦合在高频中十分常见,而传导耦合在低频中更为常见。

2.2 DSP系统产生的电磁干扰分析

高速DSP系统时钟、复位、控制等线路的边沿跳变非常快,一般可以产生高达300 MHz的谐波干扰。因此,对于高速DSP系统而言,产生电磁干扰的主要原因有下面的几个方面:

(1) 电源干扰

电源是DSP系统的主要干扰源,电源在向DSP系统供电的同时,也会通过电源线将噪声加到DSP系统中。

(2) 空间耦合干扰

耦合干扰的原因是电流在通过导线时会产生变化的电磁场,此时临近的导线中就会产生感应电流,造成临近线路信号的失真。这样的干扰一般也成为串扰,它的强度一般取决于导线的类型和间隔、器件类型等。DSP系统中,信号线一般不和电源共地,信号线越靠近地线、信号线之间的距离越大,则产生的系统串扰就越小。

(3) DSP系统的输入、输出产生的干扰

输入、输出子系统会将噪声带入系统,可以使用光耦器件等电气隔离的技术来减小干扰的影响。

3DSP的电磁兼容设计

电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的干扰。本节就从PCB板级布局、DSP系统器件布局以及布线等方面的设计来减小高速DSP系统的干扰。

3.1 DSP多层板布局

在高速印刷电路板设计中,关键是要进行PCB叠层设计以对电路板信号线进行阻抗控制。在叠层设计中需要考虑的最基本内容包括电源层、地层和高速信号层的分布。电路板的层数越多,高速信号层、地层、电源层的排列组合的种类也就越多。在选用时需要把握电源层和地层之间具有良好耦合的原则,以尽可能地降低二者之间的阻抗并增大电源层和地层的谐振频率。在电力电子控制器DSP系统的PCB设计中采用的是4层的叠层设计,下面以4层为例进行说明。

对于一块2 mm厚50 Ω线路阻抗控制的4层板,其常用的2种叠层设计方式如图2所示(2种设计方式采用的距离参数相同)。为保证电源和地之间具有良好的耦合,如果大部分的高速信号在TOP 层走线,应选用方式(a);如果大部分的高速信号在BOTTOM层走线,应选用方式(b)[4,5]。

3.2 DSP系统器件布局设计

为了提高DSP的可靠性和稳定性,元器件的布局设计十分重要。首先放置DSP,SRAM,FLASH以及CPLD等器件,然后放置其他集成电路器件,最后考虑输入、输出的I/O口放置。设计的时候应精心的计算PCB板的大小,太大会引起阻抗的增加,降低抗噪声的能力;太小则散热可能有问题,特别对高速DSP,由于空间有限,线条间距离就收到限制,降低了抗干扰能力。下面主要探讨器件布局需要注意的问题:

(1) 高速器件布局

在DSP系统中,DSP与FLASH,SRAM间传输的主要是高速的数字信号,因此它们之间的距离应尽可能的小,连线为直接连接,而且长度也要尽可能的短。

(2) 时钟布局设计

时钟信号对整个DSP系统是至关重要的,然而DSP系统的时钟输入信号很容易受到干扰,因此要始终保证时钟产生器尽量接近DSP芯片,走线应尽可能的短,同时时钟晶体振荡器的外壳最好接地。

(3) 去耦布局设计

去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流开关有源器件,以减少开关噪声在PCB板上的传播并将噪声引导到地。在高速DSP的设计中,应该注意:

① 为了减小IC芯片上的电源电压瞬时过冲,IC芯片一般要使用去耦电容。该措施不但可以有效的消除电源上毛刺对系统的影响,而且还可以减少PCB板上电压环路产生的反射。

② 去耦电容一般为旁路电容的1/1 000～1/100,应尽量的靠近IC芯片。

③ 去耦电容一般使用陶瓷电容,其值取决于最快信号的上升时间和下降时间,比如对一个33 MHz的时钟信号,可以使用4.7～100 nF的电容。

(4) 电源布局设计。

根据上节的讨论可知,电源是高速DSP系统的主要干扰源,因此在设计的时候要充分地考虑电磁兼容设计,使用旁路电容和去耦电容来尽量减小电源对高速DSP系统的影响。比如一个电压的输出系统,如图3所示,0.1 μF的去耦电容可以避免内在的振动和过滤高频噪声,100～470 μF的旁路电容减少电压输出的脉动。

(5) 微控制电路的布局设计。

在很多高速DSP系统中,可能用到高速的微控制电路MCU,因此应该认真地进行MCU的电路设计和PCB布线以减少潜在的电磁兼容问题。在MCU的布局设计中,主要考虑的技术包括:

① I/O引脚布局。一般来讲引脚都是高阻输入或者混合输入/输出,高阻输入容易引起噪声的影响,一个非内部终端的输入引脚需要有高阻抗(输入10 kΩ)连接每个引脚到地或者供电电平,以确保一个可知的逻辑状态。未连接的输入引入脚通常浮动在供电电平的中值周围。

② 中断口引脚。由于中断对微控制器的操作有影响,因此它是最敏感的引脚之一,为了确保与中断请求引脚的任何连线都有瞬时的静电释放保护,在中断请求连线上应该连接一个双向二极管或金属化的电阻,同时它们还能起到减少过充和阻尼振荡的作用。

③ 复位引脚布局。由于电源电压在上升到MCU的工作电压的时候晶振的稳定需要一段时间,因此在复位引脚上需要接一个时延电路,可以使用二极管来钳住复位引脚电容,其优点是可以防止供电电压超高以及在断电时能令电容迅速放电。

3.3 布线设计

合理的PCB布线也是设计一个稳定、可靠高速DSP系统的一个关键的步骤。布线采用一些措施和技巧可以有效地提高高速DSP系统的电磁兼容能力。下面是几个需要注意的技术[6]:

(1) 时钟源的设计

为减小高频时钟信号的干扰,尽可能选用满足系统要求的最低频率时钟。新型DSP TMS320F2812提供内部锁相环倍频技术,最高可以实现5倍的倍频频率。内部时钟最高可达150 MHz,因此,外部最低可以采用30 MHz的时钟源。在布局时,时钟源尽可能靠近DSP器件,以缩短传输线长度走线尽量短,以减少噪声干扰及分布电容的影响。当实际难以实现时,可用地线将时钟信号线进行“包地”处理。

在设计中,选用30 MHz有源晶振,其外壳接地,并采用SN74LVC14G进行电平转换。同时对于时钟源还采用铁氧体磁环和电容器构成的滤波器进行电源滤波,以及RC滤波电路对输出时钟信号进行滤波。

在给定的频率范围内,器件产生的能量越少,辐射的噪声就越小。对于高速器件,其跳变时间更短,这意味着它在高频范围内有更多的能量,也就是说会产生更多的噪声。因此,在系统设计中,器件的选择很重要。如果系统要求的速度很高,则必须用速度足够高的器件,为此可能需要做出额外的努力以满足EMI。但是如果更低速度的器件可以满足系统的要求,就没有必要用更高速的器件。

(2) 选择合理的导线宽度

PCB 导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为50.8 μm、宽度为1 016～1 524 μm时,通过2 A的电流温度低于3 ℃因此导线宽度为1 524 μm可满足要求。对于数字电路,通常选203.2～304.8 μm导线宽度。当然,只要允许还是尽可能用宽线。由于采用电源层和地层,所以不存存电源线和地线的宽度问题。整板范围一般可以取254 μm左右。

导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于数字电路,在工艺允许的情况下,可使间距小至127～203.2 μm。印制导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外用大面积铜箔时,应选用栅格形状。

(3) DSP的布线

对于高速的DSP为了保证信号的完整性和高速信号参考平面的连续性,布线的时候需要做蛇行走线处理,如图4所示。在需要做平面分割的时候,尽量不要让高速线跨不连续的平面,如果不得不夸,则应该使用夸平面电容。

当信号间的距离是线宽的3倍的时候,其产生串扰的概率就降低为25%,这样就可以满足电磁兼容的要求,因此在走高速线的时候,应该注意线距,如图4所示。

(4) 地线的布线

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。接地技术的目标是最小化接地阻抗,从此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。

① 正确选择单点接地与多点接地。对于高速DSP系统,当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地,适宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量布置栅格状大面积接地铜箔。

② 将数字电路与模拟电路分开,电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

③ 尽量加粗接地线。若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过3倍于印制线路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。

(5) 电源的布线设计

电源是高速DSP系统中的最重要的部分。由于DSP系统中有多种数字和模拟器件,其使用的电源也就有多种,所以应该对电源层进行分割,使相同电源特性的器件分割在同意区域,可以就近连接到电源层。一般,1 mm的线宽可以保证1 A的电流,而直径为0.4 mm过孔也可以通过1 A的电流,所以对于DSP系统,电源线宽度大于0.5 mm(20 mil)就可以满足要求。考虑到电磁辐射防护应注意到下面的几点:

① 用旁路电容限制PCB板上交流电流的泄漏;

② 布线靠近,减小电磁辐射的面积;

③ 在电源线上串接共模扼流圈,抑制共模电流。

(6) 输入/输出口布线设计

输入、输出线应该避免相邻、平行,以避免产生反射干扰。相邻层的布线应相互垂直,避免产生耦合。同时,最好把各自参考平面的不同区域分割开,使得不同的I/O信号不会相互产生干扰。

4结语

本文通过对电子产品电磁环境的分析,确定高速DSP系统中产生干扰的主要原因,并针对这些原因,通过对高速DSP系统的多层板布局、器件布局以及PCB布线等方面进行分析,给出有效降低DSP系统的干扰、提高电磁兼容性能的措施。从设计层次保证了高速DSP系统的有效性和可靠性。

高速电路设计是一个非常复杂的设计过程,更进一步可以采用专用的高速电路布线算法和电磁兼容(EMC)/电磁干扰(EMI)分析软件应用来分析和发现问题。

参考文献

[1]Martin O′Hara.EMC at Component and PCB Level.Ne-wnes,1998.

[2]Mark I Montrose.Printed Circuit Board Design Techniquesfor EMC Compliance.IEEE Press Series,2000.

[3]Trends in EMC Testing of Household Appliances,SchaffnerApplication Note,SAN014.