单片机系统的EMC测试设计

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小编:所谓 EMC 便是:设备或系统在其电磁情况中能正常事情,且纰谬该情况中任何事物构成不能遭遇的电磁骚扰的能力。EMC 测试 包括两大年夜方面内容:对其向外界发送的电磁骚扰强度进行

所谓EMC便是:设备或系统在其电磁情况中能正常事情,且纰谬该情况中任何事物构成不能遭遇的电磁骚扰的能力。EMC测试包括两大年夜方面内容:对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否相符有关标准规定的限定值要求;对其在规定电磁骚扰强度的电磁情况前提下进行敏感度测试,以便确认是否相符有关标准规定的抗扰度要求。对付从事单片机利用系统设计的工程技巧职员来说,掌握必然的EMC测试技巧是十分需要的。EMC是电磁兼容(Electro- Magnetic CompaTIbility)的缩写,它包括电磁滋扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)两部分。因为电器产品在应用时对其它电器有电磁滋扰,或受到其它电器的电磁滋扰,它不仅关系到产品事情的靠得住性和安然性,还可能影响其它电器的正常事情,以致导致安然危险。

1 单片机系统EMC测试

(1)测试情况

为了包管测试结果的准确和靠得住性,电磁兼容性丈量对测试情况有较高的要求,丈量园地有室外坦荡园地、樊篱室或电波暗室等。

(2)测试设备

电磁兼容丈量设备分为两类:一类是电磁滋扰丈量设备,设备接上适当的传感器,就可以进行电磁滋扰的丈量;另一类是在电磁敏感度丈量,设备模拟不合滋扰源,经由过程适当的耦合/去耦收集、传感器或天线,施加于种种被测设备,用作敏感度或滋扰度丈量。

(3)丈量措施

电磁兼容性测试依据标准的不合,有许多种丈量措施,但归纳起来可分为4类;传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度(抗扰度)测试和辐射敏感度(抗扰度)测试。

(4)测试诊断步骤

图1给出了一个设备或系统的电磁滋扰发射与故障阐发步骤。按照这个步骤进行,可以前进测试诊断的效率。

(5)测试筹备

①试验园地前提:EMC测尝尝验室为电波半暗室和樊篱室。前者用于辐射发射和辐射敏感测试,后者用于传导发射和传导敏感度测试。

②情况电平要求:传导和辐射的电磁情况电平最好远低于标准规定的极限值,一样平常使情况电平至少低于极限值6dB。

③试验桌。

④丈量设备和被测设备的隔离。

⑤敏感性判别准则:一样平常由被测方供给,并实话监视和判别,以丈量和察看的要领确定机能低落的程度。

⑥被测设备的放置:为包管实验的重复性,对被测设备的放置要领平日有详细的规定。

(6)测试种类

传导发射测试、辐射发送测试、传导抗扰度测试、辐射抗扰度测试。

(7)常用丈量仪

电磁滋扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)测试,必要用到许多电子仪器,如频谱阐发仪、电磁场滋扰丈量仪、旌旗灯号源、功能放大年夜器示波器等。因为EMC测试频率很宽(20Hz~40GHz)、幅度很大年夜(μV级至kW级)、模式很多(FM、AM等)、姿态很多(平放、斜放等),是以精确地应用电子仪器异常紧张。丈量电磁滋扰的相宜仪器是频谱阐发仪。频谱阐发仪是一种将电压幅度随频率变更的规律显示出来的仪器,它显示的波形称为频谱。频谱阐发仪降服了示波器在丈量电磁滋扰中的毛病,能够正确丈量各个频率上的滋扰强度,用频谱阐发仪可以直接显示出旌旗灯号的各个频谱分量。

在办理电磁滋扰问题时,最紧张的一个问题是判断滋扰的滥觞。只有准确将滋扰源定位后,才能够提出办理滋扰的步伐。根据旌旗灯号的频率来确定滋扰源泉是最简单的措施,由于在旌旗灯号的所有特性中,频率特性是最稳定的,并且电路设计职员每每对电路中各个部位的旌旗灯号频率都十分清楚。是以,只要知道了滋扰旌旗灯号的频率,就能够推想出滋扰是哪个部位孕育发生的。对付电磁滋扰旌旗灯号,因为其幅度每每远小于正常事情旌旗灯号,用频谱阐发仪做这种丈量是十分简单的。因为频谱阐发仪的中频带宽较窄,是以能够将与滋扰旌旗灯号频率不合的旌旗灯号滤除掉落,正确地丈量出滋扰旌旗灯号频率,从而判断孕育发生滋扰旌旗灯号的电路。

2 电磁兼容故障扫除技巧

(1)传导型问题的办理

①经由过程串联一个高阻抗来削减EMI电流

②经由过程并联一个低阻抗将EMI电流短路到地或引到其它回路导体。

③经由过程电流隔离装配堵截EMI电流。

④经由过程其自身感化来抑制EMI电流。

(2)电磁兼容的容性办理规划

一种常见的征象是不把滤波电容的一侧当作直接与一个分离的阻抗相连,而当作与传输线相连。范例的环境是,当一条输入输出线的长度达到或跨越1/4波永劫,该传输线变“长”。实际可以用下式近似表示这种变更:

l≥55/f

式中:l单元为m,f单位为MHz。这个公式斟酌了匀称传播速率,它是自由空间理论的0.75倍。

a. 电介质材料及容差

电磁滋扰滤波应用的大年夜部分电容是无极性电容。

b. 差模(线到线)滤波电容性电容。

c. 共模(线到地/机壳)滤波电容

共模(CM)去耦平日应用小电容(10~100nF)。小电容可以将不期望的高频电流在其进入敏感电路之前或在其离噪声电路较远时就将其短路到机壳上去。为了获得优越的高频衰减电路,减小或打消寄生电感是关键之所在。是以有需要应用超短导线,尤其盼望应用无引线元器件

(3)感性、串联损耗电磁兼容办理规划

就电容而言,Zs和Z1假如不是纯电阻的话,在谋略频率时,要应用它们的实际值。电容器串联在电源或旌旗灯号电路时,必须满意:

①流过的事情电流不应该引起电感过热或过大年夜的有过之而无不及降;

②流过的电流不能引起电感磁饱和,尤其是对高导磁材料是毫无疑问的。

办理规划有以下几种:

*磁芯材料;

*铁氧体和加载铁氧体的电缆;

*电感、差模和共模;

*接地扼流圈;

*组合式电感电容元件。

(4)辐射型问题的办理

在很多环境下,辐射电磁滋扰问题可能在传导阶段孕育发生并被扫除,还有些办理规划是可以抑制滋扰装配在辐射传输通道上,就像场樊篱那样事情。根据樊篱理论,这种樊篱的效果主要取决于电磁滋扰源的频率、与樊篱装配之间的间隔以及电磁滋扰场的特点——电场、磁场或者平面波。

①导体带。应用铜或铝带要吧简单快速地建立一种直接的樊篱和低阻连连接或总线。它们对付临时的办理规划和相对永远的办理规划来说是很方便的。厚度在0.035~0.1mm之间,并且后头带有导电黏合剂以便安装。假如应用铜导电带,其经由过程电阻约 20mΩ/cm2。利用处合:电气樊篱罩;发生故障时泄露点定位;作为一个应急的办理规划,将塑料连接器变成金属的、樊篱通俗的扁平电缆等。

②网状樊篱带和拉链式外套。涂锡的钢网带:主要用来安装在一个已经装置好的电费护套上作为一种易安装的绷带型的樊篱罩。为了低落电费的磁场辐射或敏感问题,钢网带是一种有效的办理规划。

拉链式樊篱外套:当有显着迹象注解电费是主要的引起EMI耦合的缘故原由时应用。

③EMI密封垫。利用处合:当下述前提存在,并且必要真正的SE时,EMI密封垫是最常用的办理辐射问题、敏感问题、ESD、电磁脉冲和TEMPEST问题的措施。

*已经把机箱透露确觉得主要的辐射路径。

*啮合面不敷滑腻、平整或不敷硬、本身无法供给优越的连接打仗。

④窗口和透风板的EMI樊篱:得当对孔径的樊篱。

平面波的大年夜概模型是:

SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中,SE单位为dB;l为网格或网孔的尺寸,单位为mm;f单位为MHz。当然,跟着频率的下降,网孔的樊篱效率SE的上限受限于金属本身。在近区场,对H场的樊篱,其樊篱功率SHE不受频率的影响,可由下式近似得出:

SEH≈10lg(πr/l)

此中,r为源到樊篱罩之间的间隔,l为网孔尺寸,两者单位均为mm。

⑤导电涂料:利用于在系统的塑料外壳建立EMI樊篱罩、发送现有通俗的或恶化的导电外面的樊篱效能SE、防止ESD或静电积累征象、增大年夜结合面或密封垫片的打仗面积。

⑥导电箔:铝是一种良导体,在10MHz以下没有接受损耗,但它对付电场的任何频率都有较好的反射损耗。利用处合请参阅有关资料。

⑦导电布:可利用于任何100kHz到GHz级频率范围必要达到30~30dB衰减的立体樊篱场合中。

3 电磁兼容性新器件新材料的利用

3.1 电源线滤波器

电源线滤波器安装在电源线与电子设备之间,用于拟制电能传输中寄生的电磁滋扰,对前进设备的靠得住性有紧张感化。滤波器容许一些频率经由过程,而对其它频率的成份加以拟制。根据滋扰源的特点、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特点的要求,适被选择滤波器。

3.2 旌旗灯号阻隔变压器

脉冲型(数字或晶闸管门驱动)或模拟隔离式变压器与交流电源中应用的隔离变压器与交流电源中应用的隔离变压器的道理相同,但传输频带却完全不合,有用旌旗灯号处置惩罚对变压器的一些机能要求(例如掉真、3dB带宽、损耗、对称性、阻抗、脉冲延时等)异常严格。这种变压器属于宽带设备,最高频率与最低频率的比值fMAX/fMIN达到数十倍。经由过程在发送端或接管端堵截共模地环路,隔离变压器在不改变差模旌旗灯号的同时拟制共模噪声。因为共模电压是加在变压器一次侧、二次侧的两边,这种隔离器必须具有较高的击穿电压:范例值为1.5kV,某些场合则高达10kV。

旌旗灯号变压器的主要优点是它的简单、耐用、持久和线性,而且价格适中。当频率增添时,其电磁兼容机能下降。

利用处合:

*当必要环路隔离时,其频率范围从直流到几十MHz;

*在低噪声和低掉真前提下传输模拟小旌旗灯号(≤10mV)时,旌旗灯号线上可能存在几V至几kV的共模电压;

*在晶闸管利用电路中,将触发器驱动电路与共模电压隔离;

*作为一个现场办理规划,可用来堵截一个地环路和搭建一个平衡连接或非平衡连接传输线路。

3.3 电源隔离变压器、电源稳压器和不间断电源

(1)电源隔离变压器

通俗的隔离变压器可以在低频范围堵截主电源线的接地环路。当频率升高时,电气隔离因为一次侧间寄存电容C1-2的存在而下降。为了削减寄生电容的影响,可以应用落系、螺旋状、分立式的一次和二次绕组,这样可以将寄生电容减小为原为的1/3~/10。

(2)法拉第樊篱变压器

在一次和二次线圈之间包着一层铝箔或铜箔,并使之不与线圈打仗以免形成短路。法拉第樊篱或静电樊篱层接地。利用范围如下:

*利用于入室电源或电源分配箱上,作为简单1:1的隔离变压器,隔离50/60Hz的地环路;

*在同一系统中的某一部分从新孕育发生对地维持中性的交流电源,与总电源分配点维持电气隔离;

*利用于当系统中存在很大年夜的对地泄电电流时,防止过渡频繁触发系统中的接地故障检测器;

*可以与电源线滤波器结合应用,电源线滤波器的衰减特点仅开始于几十或几百kHz以上。

3.4 暂态抑制器

变阻器和固态变阻器(transzorbs)是具有非线性V-I特点曲线的元件,可以作为稳压元件。当电压经由过程该器件后就被箝位期近是或大年夜于击穿电压VBR的电压值上。该器件的相应速率快,但在处置惩罚的能量值上有必然限定。

3.5 搭接、接地继续性和削减RF阻抗器件

①接地编织层或金属带宽而扁的导线比同样横截而积的圆导线具有较小的电感。作为优先的选择参考,可以应用:

*扁平金属带;

*带有扁平接地端子的扁平编织层;

*圆形、多股绞线的跳线。

印制电路板(PCB)接地垫片。为了建立一个更直接的低阻扰电磁滋扰电流接管器,必要应用接地垫片。平日在树脂型垫片中心有一个弹簧夹,用以在一边的OV铜板上和加一边PCB的安装底盘上供给较强的靠得住压力。因为弹簧是铜锡材料制成的,电气打仗机能优越,打仗电阻为mΩ数量级。

③金属电费线槽及其肥共的金属编织层。金属电缆托架、公共导线和金属编织层的感化是传输几个互相连接的设备之间的部分接地EMI环流。可以把它看作是不合底盘或地线之间的共模短路通道,但实际上除了直流或交流50/60Hz,这种措施不能利用于较长的间隔;可用于谋略机室、工厂车间或其它有许多非樊篱电费的大年夜型园地,弗成能或很难将它们换成樊篱电费或装入管道。

④地阻抗减小,垫高的金属底板接地衬垫。为了削减传导瞬态滋扰的输入和周围情况射频场对系统的影响,可以经由过程设置室内参考接地板或接地收集加以改良。经由过程这种措施,可以很轻易地在高达几百MHz的频率上达到20dB的改良,也可以削减在同一个房间里的不合设备之间的地电位误差。

另一种技巧:在室内,建议安装抬高的金属底板(RMF),使用地砖的筋条作为接地参考栅格;把把塑料减震垫片换成导电减震垫片,就可以建立很好的、持久的电气连接。

②临时接地板。这种后各办理规划最初是IBM公司的安装筹划工程师们应用的,即安装一块铜板或电镀钢板。对付那些没有“实际地”的场合,因为临时接地板与修建特布局之间有较大年夜的电容(300~1000pF),这给电磁滋扰滤波器、瞬态保护器和隔离变压器的法拉第樊篱层供给了有较的接受装配。在高频端,这种虚地比长的、绿的或黄绿的接地导线更有效。

结语

在实际EMC测试利用中,除了经由过程标准资格实验室的剖断测试以外,还有两种可行的措施也是被业界所认可的:TCF(Technical ConstrucTIon File)和Self CeriTIficaTIon(自检证实)。抗滋扰能力测试是十分实用的测试项目。实现电磁兼容的最好法子是,将所有的数字及模拟电路均视为对高频旌旗灯号相应的电路,用高频设计措施来处置惩罚电费樊篱、PCB布线和共模滤波。采纳整块地平面和电源面也很紧张,对模拟电路也该如斯,这样做有利于限定高频共模环环。大年夜多半瞬态滋扰均属高频,并孕育发生很强的辐射能量。

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