迅为深度解析-产品电磁兼容设计技术(二)

日期:2019-03-11

      上节我们重点讨论了产品开发过程中的辐射抗扰度,也就是EMI,现在我们进一步明确一下电磁兼容这个概念;产品的电磁兼容性(EMC)从总体上包括两个方面,一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限制,也就是EMI(电磁干扰),另一方面是指产品对所在环境中存在的电磁干扰具有一定的抗扰度,也就是抗干扰能力,即EMS(电磁耐受性)。


      首先我们用实例讨论一下静电干扰,静电放电(ESD)是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移,ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常,因而在芯片和系统设计中ESD是一项非常重要的指标。


      对于小型的EUT(Equipment Under Test)测试环境,如下图所示。



      普通电子产品的国际测试标准为IEC61000-4-2,该标准针对被试设备安装与环境条件,将考核要求分成不同的严酷度等级。凡等级高的设备可以用在等级低的场合,反之则不可以。静电放电的严酷度等级见表。



      按标准测试评定等级:


      1类:在制造商、委托商或购买方规定限值内性能正常;


      2类:功能或性能暂时降低或丧失但可自行恢复,不需要操作者干预;


      3类:功能或性能暂时降低过丧失,要求工作人员干预或系统重置才能正常恢复;


      4类:由于设备零件或软件只损坏或者数据之丧失而造成不可自行恢复的功能降低或丧失;


      评定时1类判定为通过,4类判定为不通过,2、3类需要用户与制造商双方协商来判断。



      一款电路板产品是否能通过静电测试,需要注意很多方面:包括在原理图中增加防静电器件,原理与layout设计时接地问题,电路板与外壳如何连接等。一块设计良好的电子产品,可以在静电测试过程中保持各项功能正常。下图所示是正在测试的迅为eTOP系列工控机:



      作为产品研发阶段的评估来说,我们测试时基本上本着使劲“造”的原则,来评估设备的参数极限。在设计产品之初会有不足之处,静电测试会直接伤害到我们的产品,这时产品不满足应用要求,我们就需要整改了,首先需要通过多次重复测试。定位问题出在硬件的那里,结合原理图和pcb,查找设计不合理或者影响静电释放的地方,对电路板进行整改。


      接下来我们实例讨论下快速脉冲群测试。大部分电子产品需要通过电快速瞬变脉冲群(EFT)和静电放电(ESD)等项目的标准测试。EFT和ESD是两种典型的突发干扰,EFT信号单脉冲的峰值电压可高达4kV,上升沿5ns。接触放电测试时的ESD信号的峰值电压可高达8kV,上升时间小于1ns。这两种突发干扰,都具有突发、高压、宽频等特征。


      EFT的特点是上升时间快,持续时间短,能量低,但具有较高的重复频率。EFT一般不会引起设备的损坏,但由于其干扰频谱分布较宽,会对设备正常工作产生影响。其干扰机理为EFT对线路中半导体结电容单向连续充电累积,引起电路乃至设备的误动作。


      我们在测试电源线耦合时,实验室基本布局如下图所示。



      EFT测试对应测试标准为IEC61000-4-4。测试等级如下表所示。




      下图正在测试测试迅为eTOP系列一款HMI。



      解决电源线干扰问题的主要方法是在电源线入口处安装电源线滤波器,阻止干扰进入设备。快速脉冲通过电源线注入时,可以是差模方式注入,也可以是共模方式注入。对差模方式注入的一般可以通过差模电容(X电容)和电感滤波器加以吸收。若注入到电源线上的电压是共模电压,滤波器必须能对这种共模电压起到抑制作用才能使受试设备顺利通过试验。


      快速脉冲通过信号/控制线注入时,由于是采用容性耦合夹注入,属共模注入方式。如果测试出现问题,应采取的措施:(1) 信号电缆屏蔽、(2) 信号电缆上安装共模扼流圈、 (3) 信号电缆上安装共模滤波电容、 (4) 对敏感电路局部屏蔽。


      电磁兼容领域所指的浪涌冲击一般来源于开关瞬态和雷击瞬态。 开关瞬态:


      A)主要的电力系统切换骚扰,例如电容器组的切换;


      B)配电系统中较小的局部开关动作或负载变化;


      C)与开关器件(如晶闸管)相关联的谐振现象;


      D)各种系统故障,例如设备组合对接地系统的短路和电弧故障。


      雷电瞬态:


      A)直接雷,它击于外部(户外)电路,注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压;


      B)间接雷(即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击产生的电磁场),它在建筑物内、外导体上产生的感应电压和电流;


      C)附近直接对地放电的雷电电流,当它耦合到设备组合接地系统的公共接地路径时产生感应电压。


      我们在测试时试验布局如下图所示。



      浪涌(冲击)抗扰度试验所采用的国家标准为:GB/T17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》它等同于国际标准:IEC61000-4-5。等级如下表所示。




      浪涌抗扰度实验结果:


      1类 在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常


      2类 功能或性能暂时丧失或降低,但在骚扰停止后能自行恢复,不需要操作者干预;


      3类 功能或性能暂时丧失或降低,但需操作人员干预才能恢复;


      4类 因设备硬件或软件损坏,或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。(意味着产品不合格)



      在浪涌测试实验中测试通不过,可能产生如下后果:


      (1)引起接口电路器件的击穿损坏。


      (2)造成设备的误动作。


      浪涌脉冲的上升时间较长,脉宽较宽,不含有较高的频率成分,因此对电路的干扰以传导为主。主要体现在过高的差模电压幅度导致输入器件击穿损坏,或者过高的共模电压导致线路与地之间的绝缘层击穿。由于器件击穿后阻抗很低,浪涌发生器产生的很大的电流随之使器件过热发生损坏。对于有较大平滑电容的整流电路,过电流使器件损坏也可能是首先发生的。


      雷击浪涌试验的大特点是能量特别大。所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基本无效;必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌抑制器件才行。浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同。正常电压下,它的阻抗很高,对电路的工作没有影响;当有很高的浪涌电压加在它上面时,它的阻抗变得很低,将浪涌能量旁路掉。这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间,当浪涌电压出现时,迅速导通,以将电压幅度限制在一定的值上压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管具有不同的伏安特性,因此浪涌通过它们时发生的变化不同。


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