楊春宇， 嚴(yán)赫

(綿陽市維博電子有限責(zé)任公司，四川 綿陽　621000)

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電子電氣產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)對(duì)EMC性能的影響

楊春宇， 嚴(yán)赫

(綿陽市維博電子有限責(zé)任公司，四川 綿陽621000)

針對(duì)產(chǎn)品架構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的EMC(Electromagnetic Compatibility)性能產(chǎn)生影響的因素，以電子、電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)架構(gòu)為例，從EMS(Electromagnetic Susceptibility)和EMI(Electromagnetic Interference)的角度分析了產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品的接地與浮地、接地的位置與方式、屏蔽線纜的設(shè)計(jì)、金屬外殼的接地設(shè)計(jì)、數(shù)?；旌想娐返慕拥氐葍?nèi)容。將上述因素對(duì)EMC性能的影響詳細(xì)分析，提出了合理的電子、電氣產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

共模電流； 分布參數(shù)； 接地； 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)； 天線

0　引　言

EMC性能是全球主要國(guó)家和地區(qū)電氣、電子產(chǎn)品銷售必須獲得的各類安全認(rèn)證之一[1]。電氣、電子產(chǎn)品要想獲得符合其相應(yīng)法規(guī)指令要求的EMC性能通常需從原理圖、電路板及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。其中產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)包含接地點(diǎn)位置選擇、接地方式、I/O線纜相對(duì)物理位置、是否采用屏蔽線纜、屏蔽層如何與各種“地”連接、內(nèi)部多個(gè)電路板互聯(lián)方式選擇等諸多方面。好的構(gòu)架設(shè)計(jì)可在要求不高情況下，縮減濾波、去耦元器件數(shù)目，達(dá)到節(jié)約成本但不降低EMC性能的效果[3]。

1　接地

1.1接地與浮地

浮地就是產(chǎn)品中沒有專門的地線在電氣上與EMC中的參考接地板相連接。浮地電路中的信號(hào)參考電位會(huì)隨著外拖線纜傳導(dǎo)或空間輻射進(jìn)來的共模干擾而波動(dòng)，導(dǎo)致電路板上功能信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量變差。

通?？刹捎媒拥貋砀淖児材ｋ娏髀窂剑畲笙薅鹊販p小流入電路板內(nèi)部的共模干擾。本文將分別從抗干擾電磁敏感度(EMS)的和對(duì)外電磁騷擾(EMI)兩方面來分析產(chǎn)品接地對(duì)EMC性能影響。

1.1.1EMS的接地

電路板內(nèi)共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾并的原理如圖1所示。電路板內(nèi)部印制線相對(duì)參考接地板存在寄生參數(shù)，功能信號(hào)在電路板內(nèi)傳遞時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)不再等電位。電路板內(nèi)部電流i從源端出發(fā)流過一系列負(fù)載最終回到信號(hào)源形成信號(hào)，i永遠(yuǎn)沿低阻抗路徑流動(dòng)，這就決定了在阻抗確定的況下i通常不再改變，故進(jìn)行EMC問題分析時(shí)常采用電流i而不是電壓u。

電路板內(nèi)部流動(dòng)的電流稱為差模電流ID，從電路板外部經(jīng)參考接地板流入其內(nèi)部或從其內(nèi)部流出經(jīng)參考接地板后再回流至電路板內(nèi)部的電流稱之為共模電流Icom。高頻共模電流Icom有兩條路徑：①由GND進(jìn)入電路板后從A點(diǎn)流向B點(diǎn)；②由S1進(jìn)入電路板后經(jīng)旁路電容C由A點(diǎn)流向B點(diǎn)。由于地阻抗ZAB存在，會(huì)產(chǎn)生ΔUAB，信號(hào)在傳遞至IC2時(shí)，U2不再等于U1，此時(shí)U2=U1-ΔUAB，信號(hào)在傳遞過程中出現(xiàn)畸變，差模干擾對(duì)正常信號(hào)產(chǎn)生了影響。

圖1　從EMS角度看接地線改變共模電流回流路徑

1.1.2EMI的接地

進(jìn)行EMC問題分析時(shí)應(yīng)注意3種分布參數(shù)：(1) I/O線纜的分布參數(shù)，如圖2中的C1。(2) 電路板內(nèi)部平面(如GND平面或POWER平面)對(duì)參考接地板的分布電容；(3) 電路板內(nèi)部各種細(xì)長(zhǎng)印制線、插針、排線等對(duì)參考接地板的分布電容。如果電路板內(nèi)部有一個(gè)高dv/dt信號(hào)(如時(shí)鐘信號(hào)、變壓器初級(jí)的方波信號(hào)等)在傳遞過程中，Icom流經(jīng)ZAB會(huì)形成ΔUAB，ΔUAB通過與其相連的I/O線纜向外輻射，電路板內(nèi)部信號(hào)高次諧波所對(duì)應(yīng)頻率的波長(zhǎng)為λ，若線纜長(zhǎng)度L與λ的1/4整數(shù)倍相當(dāng)，則線纜為發(fā)射效率最高的天線。

圖2　從EMI角度看接地線改變共模電流回流路徑

可采用如下方法降低線纜對(duì)外輻射：對(duì)于傳導(dǎo)發(fā)射CE，應(yīng)降低Icom經(jīng)I/O線纜流入LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))中的等效50 Ω阻抗所形成壓降；對(duì)于輻射發(fā)射RE，應(yīng)降低ICOM經(jīng)I/O線纜流入接收天線后轉(zhuǎn)換出的電壓或電場(chǎng)大小。如圖2右圖所示，高dv/dt信號(hào)從IC1向IC2傳遞過程中存在阻抗ZZB，Icom原本會(huì)沿著與其相連I/O線纜一直向外傳遞(流入LISN或天線)，但此時(shí)在I/O端口出現(xiàn)的接地線為其提供了一條阻抗更低的回流路徑，大部分Icom經(jīng)接地線─參考接地板─產(chǎn)品外殼與參考接地板的分布參數(shù)C3─電路板內(nèi)部GND平面對(duì)產(chǎn)品外殼的分布參數(shù)C2最終回到高dv/dt信號(hào)出發(fā)點(diǎn)A。使得最終在LISN或天線上形成的壓降降至最低。

1.2接地的位置

好的接地設(shè)計(jì)能夠使產(chǎn)品在不增加成本情況下，實(shí)現(xiàn)較好的EMC性能。相反，不正確的接地會(huì)給產(chǎn)品EMC性能帶來諸多副作用，此時(shí)接地比不接地的EMC性能更差。

1.2.1EMS的接地位置

圖3　接地線位置不同改變共模電流回流路徑

如圖3左圖所示，Icom從左側(cè)I/O線纜注入時(shí)，接地點(diǎn)位于干擾注入端口處，Icom將直接從接地線旁路經(jīng)參考接地板返回Icom的信號(hào)源端，此種接地可以最大限度的降低流入電路板內(nèi)部的干擾電流。圖3右圖所示接地線在Icom注入線纜的另一側(cè)，此時(shí)Icom流經(jīng)電路板造成的干擾影響最大，因?yàn)槿魶]有接地線，則有一部分共模干擾會(huì)沿著右側(cè)I/O線纜對(duì)地的分布參數(shù)經(jīng)參考接地板回流至干擾信號(hào)源端，Icom因回路存在使得流過電路板的共模電流降低，對(duì)電路板有用信號(hào)的傳輸影響也隨之降低。

1.2.2EMI的接地位置

如圖4左圖所示，當(dāng)浮地產(chǎn)品內(nèi)部高dv/dt信號(hào)從IC1向IC2傳遞過程形成ΔUAB，因I/O端口沒有接地線，兩側(cè)的線纜與高頻ΔUAB成為一等效對(duì)稱振子天線。當(dāng)其中一側(cè)線纜存在接地線后，其另外一側(cè)線纜與高頻ΔUAB成為一等效單極子天線，輻射依然存在。由此可見產(chǎn)品接地線位置不能隨意安排，應(yīng)靠近I/O線纜放置。當(dāng)產(chǎn)品兩側(cè)線纜都會(huì)注入共模干擾時(shí)，最好是兩側(cè)均放置接地點(diǎn)。但產(chǎn)品對(duì)外只能有一個(gè)接地線位置，對(duì)于另外一側(cè)線纜的接地可借助低阻抗導(dǎo)體(通常是金屬外殼)進(jìn)行低阻抗搭接。

圖4　I/O線纜分別放置于兩側(cè)后產(chǎn)生EMC風(fēng)險(xiǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期，應(yīng)盡可能將產(chǎn)品所有I/O線纜位置集中放置在產(chǎn)品一側(cè)。這樣便可只通過一個(gè)接地點(diǎn)來解決外界共模干擾從每根線纜注入或高dv/dt信號(hào)并從每根線纜向外輻射的矛盾。

1.3接地的方式

1.3.1金屬外殼、金屬板

功能上有接地產(chǎn)品通常是金屬外殼。金屬外殼接地后既可防止電擊對(duì)人造成傷害，也可利用其低阻抗特性將未進(jìn)入電路板的外部共模干擾旁路，同時(shí)也可將電路板內(nèi)部傳遞的高dv/dt信號(hào)通過耦合方式在通過低阻抗金屬外殼與電路板之間相對(duì)較大的分布參數(shù)回流至高dv/dt信號(hào)源點(diǎn)。

屏蔽理論上需要六面封閉的金屬，但就接地而言一塊平行于電路板放置的金屬板即可。屏蔽金屬殼可對(duì)電路板內(nèi)部敏感電路等效的環(huán)天線和棒天線進(jìn)行屏蔽，但金屬外殼仍須接地，否則不僅不能起到屏蔽作用，反而因?yàn)楣铝?dǎo)體電勢(shì)不確定，對(duì)電路板中各信號(hào)進(jìn)行更強(qiáng)輻射或使高dv/dt信號(hào)通過金屬外殼向外輻射。塑膠外殼產(chǎn)品，可在其內(nèi)部設(shè)計(jì)一塊金屬板來進(jìn)行接地設(shè)計(jì)，可參考圖5。在左右隔離電路板接地中采用Y電容(圖中CY1、CY2)和金屬板進(jìn)行連接，其主要目的是不破壞電路的隔離。

圖5　復(fù)雜電路板中各單元電路的接地改變共模電流路徑

1.3.2接地的三種形式

接地主要分三種形式：(1) 直接接地；(2) 通過Y電容接地；(3) 通過Y電容和電阻的并聯(lián)接地。直接接地對(duì)于EMC來說是最佳選項(xiàng)，Y電容接地則是退而求其次的選項(xiàng)，具體采用哪種接地方式，主要視電路安全要求。

1.3.3接地的阻抗

EMC主要是高頻問題，高頻阻抗Z=2πfL與導(dǎo)體寄生電感L有密切關(guān)系，導(dǎo)線、插針的L為1 nH/mm，雖數(shù)值小，但頻率f可能高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz甚至GHz，此時(shí)Z值較高。一般長(zhǎng)寬比不超過5的連接導(dǎo)體可視為低阻抗連接，普通線纜在用作接地線時(shí)，如果細(xì)長(zhǎng)，雖不影響其安全性能，但會(huì)帶來EMC風(fēng)險(xiǎn)。

1.4接地的注意事項(xiàng)

1.4.1屏蔽線纜的屏蔽層接地

在產(chǎn)品EMC架構(gòu)設(shè)計(jì)中常使用屏蔽線纜。從EMS來看，共模干擾直接注入在屏蔽層上，屏蔽線纜能夠?qū)⒆⑷氲骄€纜的共模干擾電流通過屏蔽層引導(dǎo)到參考地、外殼或者電路板的工作地，使屏蔽層中信號(hào)和線纜接口電路得到保護(hù)。從EMI來看，還能將信號(hào)線中高dv/dt信號(hào)包圍在屏蔽層內(nèi)，使線纜屏蔽層上沒有額外的EMI共模電流。

圖6在產(chǎn)品線纜設(shè)計(jì)時(shí)，雖已采用屏蔽線，但屏蔽層接地時(shí)把其擰成一段數(shù)厘米長(zhǎng)導(dǎo)線后，將大大降低屏蔽效果，甚至產(chǎn)生反作用。屏蔽層被擰成一根較長(zhǎng)的導(dǎo)線來接地，相當(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)了一個(gè)數(shù)nH的電感，它能夠在接口的屏蔽層上形成一個(gè)共模電壓UL，隨著頻率增大，連接的等效轉(zhuǎn)移阻抗也將迅速增大，這樣會(huì)使屏蔽線纜完全失去作用。對(duì)于屏蔽層應(yīng)該盡量做到360°搭接，以降低搭接阻抗。

圖6　屏蔽線過長(zhǎng)屏蔽層引起EMC問題

1.4.2防止數(shù)模串?dāng)_的接地

當(dāng)電路板內(nèi)部同時(shí)存在高速數(shù)字電路和低電平模擬電路時(shí)，需關(guān)注高速數(shù)字信號(hào)回流ID在數(shù)字電路地阻抗ZD上產(chǎn)生的共模噪聲，如圖7左圖所示，低電平模擬信號(hào)回流經(jīng)過ZCD，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的數(shù)模串?dāng)_問題，盡管數(shù)模串?dāng)_問題比較復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上依然可以通過接地來達(dá)到降低數(shù)模串?dāng)_的效果。圖7右圖中3顆接地螺釘中，螺釘2接地最為重要，它為高速數(shù)字信號(hào)回流ID提供一條更低阻抗回流路徑(如圖中箭頭所示)，讓流入ZCD電流更小，從而減小了對(duì)低電平模擬信號(hào)影響。

圖7　數(shù)?；旌想娐方拥販p小相互串?dāng)_

對(duì)于屏蔽線纜的屏蔽層，在EMC考慮范圍內(nèi)需要雙端接地。圖8中(a)所示，與屏蔽線纜相連臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)了因地環(huán)路造成的干擾引起信號(hào)質(zhì)量變差。圖8(b)、(c)分別通過更改接地線位置或?qū)⑵帘螌优c受干擾設(shè)備的金屬外殼(或內(nèi)部電路板的參考地)由直接連改為電容連方式來解決地環(huán)路問題。

圖8　雙端接地引起地環(huán)路問題

1.4.3隔離Y電容接地影響

產(chǎn)品因安全或抗干擾要求會(huì)采用隔離電路，常在隔離前后參考地間跨接Y電容使電路內(nèi)部共模電流沿此路徑流動(dòng)，以減少I/O線纜流入LISN或天線的共模電流。圖9中A點(diǎn)為共模干擾源，在GND1和GND2間所跨接CY將原本全部流向LISN的Icom通過此電容回流至A點(diǎn)，降低流向LISN的Icom，有效降低了EMI發(fā)射。該電容一般為不超過10 nF的安規(guī)電容。如接口設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可獲得較好EMC性能。

圖9　開關(guān)電源隔離變壓器接地Y電容改變共模電流路徑

1.5金屬外殼接地對(duì)靜電放電的影響

金屬外殼產(chǎn)品需對(duì)其外殼進(jìn)行靜電接觸放電測(cè)試。靜電放電所產(chǎn)生的dv/dt很高。若金屬外殼懸空，則靜電電流會(huì)通過分布參數(shù)對(duì)電路板內(nèi)部信號(hào)產(chǎn)生干擾，故其需與電路板有正確的接地連接。圖10左圖給出產(chǎn)品內(nèi)部電路板在沒有與金屬外殼接地時(shí)的干擾模型，右圖給出將高頻共模干擾電流旁路至外殼的模型。低阻抗接地導(dǎo)體AB、CD分別將原先金屬外殼與電路板1和電路板2間分布參數(shù)Cp1、Cp2短路，高頻共模干擾將只會(huì)沿著金屬外殼流動(dòng)。沒有DE間低阻抗連接時(shí)，Icom最終通過金屬外殼與參考接地板間分布參數(shù)Cp4回流至干擾信號(hào)源端。若DE間存在接地，則AB、CD間就無需再接地，此時(shí)共模電流是從I/O線纜對(duì)參考接地板的分布參數(shù)Cp5回流至干擾信號(hào)源端。若只選擇AB或CD間接地，高頻共模電流仍然流過電路板，產(chǎn)品功能信號(hào)仍會(huì)受干擾。對(duì)金屬外殼進(jìn)行接觸放電的干擾模式下DE間接地不必存在，但考慮到從此線纜注入共模干擾或從電路板內(nèi)部跑出的高dv/dt信號(hào)，DE對(duì)EMC性能提升非常有幫助。電路板中工作地與金屬外殼間只要互聯(lián)正確就不會(huì)導(dǎo)致外部干擾進(jìn)入電路板，金屬外殼的低阻抗特性會(huì)把原本要流入電路板的干擾旁路在金屬外殼上，故產(chǎn)品接地點(diǎn)應(yīng)該在靠近I/O端口放置。

圖10　電路板接地改變ESD共模電流路徑

DB連接器在使用時(shí)也應(yīng)與金屬外殼進(jìn)行有效搭接。EMC領(lǐng)域所提及的搭接及通過導(dǎo)體低阻抗連接如螺釘、導(dǎo)線或直接焊接等方式，使得在對(duì)I/O連接端子金屬部件進(jìn)行靜電放電時(shí)，高頻共模電流能夠通過I/O連接端子與金屬外殼間低阻抗導(dǎo)體泄放，避免因搭接不良產(chǎn)生高頻靜電場(chǎng)，對(duì)內(nèi)部敏感信號(hào)的輻射干擾，產(chǎn)生死機(jī)、復(fù)位、通信數(shù)據(jù)丟包等不良情況。

1.6多塊電路板互聯(lián)方式的影響

復(fù)雜產(chǎn)品通常需要多塊電路板互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)其功能，通常采用插針或排線來實(shí)現(xiàn)電路板間信號(hào)傳遞。電路板互聯(lián)的插針、排線是EMC高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為(1) 與同樣長(zhǎng)度的印制線相比，插針、排線的阻抗是印制線阻抗的10倍，高頻共模電流Icom流過插針或排線時(shí)，產(chǎn)生較高ΔU，導(dǎo)致信號(hào)畸變。(2) 通過插針或排線的信號(hào)環(huán)路通常比電路板內(nèi)部信號(hào)環(huán)路大，易引起信號(hào)間串?dāng)_，產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。

為此可通過：(1) 適當(dāng)增加地針數(shù)目；(2) 重新定義插針傳遞信號(hào)的位置；(3) 在互聯(lián)插針或排線旁邊增加用于連接兩電路板GND的低阻抗金屬導(dǎo)體來解決EMC問題。如圖11所示，圖(a)較圖(b)增加了地針，兩電路板間阻抗ZGND減小，高頻共模電流Icom在其上形成壓降ΔU也越小，信號(hào)通過插針或排線傳遞，信號(hào)受影響較小。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品中若沒有金屬連接器或金屬連接器未將背板和插板中的信號(hào)參考地相連，兩電路板間阻抗ZGND不能控制在一個(gè)足夠低的范圍內(nèi)時(shí)，無論外接線纜是否為屏蔽線纜，均會(huì)引起EMI超標(biāo)，一般采用低阻抗的螺釘或金屬卡子來實(shí)現(xiàn)兩塊電路板的穩(wěn)固連接。

圖11　電路板互聯(lián)插針定義對(duì)EMC影響

2　結(jié)束語

通過對(duì)產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)情況進(jìn)行EMC原理分析，證實(shí)了產(chǎn)品構(gòu)架對(duì)EMC性能的影響是至關(guān)重要的。設(shè)計(jì)應(yīng)從產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)開始就注意EMC風(fēng)險(xiǎn)控制，則后續(xù)設(shè)計(jì)就可以低成本實(shí)現(xiàn)較高的EMC性能。

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Effects of Electronic and Electrical Product Architecture Design on EMC

YANG Chun-yu, YAN He

(Mianyang Weibo Electronics Co., Ltd., Mianyang Sichuan 621000, China)

Directed to the factors of product architecture which affect product EMC (electromagnetic compatibility), taking the design of electronic and electrical product architecture as an example and in the respects of EMC (electromagnetic susceptibility) and EMI (electromagnetic interference), this paper analyzes the product architecture design, including product grounding and floating, grounding location and mode, design of shielding cables, grounding design for metal housing, grounding of mixed signal circuit, etc.. furthermore, it analyzes the influence of above-mentioned factors on the EMC in detail, and introduces a reasonable architecture design method for electronic and electrical products.

common mode current;distribution parameter;grounding;LISN; antenna

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.035

TN03

A

1000-3886(2016)01-0109-04

楊春宇(1979-)，男，重慶人，工程師，本科，研究方向：EMC標(biāo)準(zhǔn)，電子產(chǎn)品EMC測(cè)試、設(shè)計(jì)與整改。嚴(yán)赫(1988-)，男，新疆人，助理工程師，研究生，研究方向：電量隔離傳感器硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)。

定稿日期: 2015-07-03