share 发表于 2014-4-27 18:24:59

马老师分享EMC设计中最棘手的案例

功能设计完了以后进行测试检验,不过进行整改,为什么会有这种现象?我了解了现在有些企业已经有EMC工程师了。我这次去了以后,至少有几家企业让我给他介绍EMC工程师,因为找EMC工程师比较难,原因是国内目前所有的企业在EMC设计这一块是游击战,谁的经验多谁设计出来的就好一点,但是一次通过率很低,产品设计完了以后进行一次性实验,一次性通过的很低,为什么?今天咱们讲的很多是芯片,如果你选了好芯片,同时把EMC设计好,你的电子兼容基本上就解决了。因为没有整体效果可以考虑的,只有依靠选好芯片,同时进行处理才能处理好。

这种现象的原因是什么?元器件本身的电子兼容性。这是金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系。大家看,在低频的时候完全是一条直线,但是到高频以后,电感效应出来了,这点很多人是不太注意的。同样,电容是这样子,电感也是这样子,电容曲线是倒V形的。这个大家在使用过程中可能不太关注这个事,这是个芯片的梯形脉冲时域波形,实际上真正出问题的是在这个地方,如果把这个问题处理好了,现在好多问题就不会出现。这是芯片参数的对照表,这个在使用过程中是有的,这个东西有什么用我后面会讲。大家都知道这是差模效应,一个信号的环路就会对外辐射场强,在一定情况下,如果说环路比较大的话,辐射的场强与环路面积成正比,那么对外辐射场强就大。这是我们在设计过程中需要重点关注的问题之一。对外有连接导线,这样的对外连接导线有一个向外辐射,这样的话共模的效应就出来了。

在设计的时候,期间的选型考虑不周到,应该怎么做呢?我在端口的时候加上一个干音壁,什么意思?就是把整个平面里面端口这个地方不布置任何器件,与内部的数字臂也好,功能臂也好进行隔离,架桥连接,这样外面的噪音进不来,里面的噪声出不去,这就是干音壁的效应。这个地方本身是空的,我们这个企业有好多设计师想方设法地把这个地方添满,这是没必要的,而且也不方便。那我为何不设计一个干音壁呢?这样的话就可以把传导的问题解决。

还有一个问题,闭环路,我们之所以发生干扰,共模效应,就是因为有个闭环路存在。如果闭环路很小,或者阻抗很小,是零,即使通过再大的电流,有共模电压降存在吗?没有共模电压降也就不可能有对外模式。这在我们使用过程中需要注意的问题。

还有一个是分区布局,现在方向乱的,这个器件到处放。你要知道,电路也好,器件也好,有敏感器件,有噪声器件。这个时候你在分区布局的时候一定要有序地安排。比如说高速路上有快车道和慢车道,我们国内经常堵车就是因为车穿来穿去的,我们很多人到香港去过,香港的公路上车也不少。这个道理是一样的,如果你的器件安排不当,就会有耦合,有几种耦合模式?一共有五种模式,其实有三种耦合模式都体现在这个线路板上了。

如果有序地分开,就可以减轻耦合效应,有一点屏蔽效应。把距离拉开,因为在这一场范围内,场强的衰减是按照距离的平方和立方进行衰减的,距离稍微拉开一点场强衰减得就比较大,这样子你就可以有效地把场强衰减下来,距离拉开一点效果就好一点。这个你们可以试一试,你可以把线路或者是器件拉开一点距离。我曾经做过,应该快一个月了,就在南山做实验,里面的东西是模块,我把模块移了一下距离,然后衰减的时候事半功倍。一个是大的产品,功率大,个大,另外一个是小的产品,小的产品是大的产品的1/6,但是设计的结构形式是完全一样的,大的产品通过了测试,小的怎么都通不过。我打开一看,就是因为距离太近了。我说把这个隔开,或者通过局部屏蔽进行隔离就可以了,效果很好。这是3月份才做的一个实例。

为什么会有这种现象呢?每个从驱动端出去的信号最终都会回到驱动端来,这点很重要,每一个信号包括电源,从驱动端出去以后,不管走多远,最终从各种通路回来,一定要回到终端来,否则一个功能就完不成。而偏偏我们做单循环设计的时候,注意的是去线、回线,我们自己安排,多终端回路的时候忽视了这个现象。只管拉一根虚线,回线不管了,因为通过耦合效应直接传输回来了,所以这就导致好多的回流面积很大的非常重要的原因,实际上是无意识造成的。我曾经去过一个单位,他超标超得很厉害。他们回流面积很小,我说你考虑传输线的前头上有多少槽,多少器件进行隔离的。

为什么有这种现象呢?就是因为所有的信号频率不一样,传输漏洞是不一样的,随着频率越来越高,会按照最小阻抗路径回流。这是比较形象的,信号层和回流层,层间距,厚度很薄很薄,传输信号这么传过来,在回流的时候直接就回来了,直线频率最短,阻抗最小。高频的时候不一样了,从这边回来了以后,它按照这条线紧着地平面回来,因为这个区间的阻抗最小。这点是需要严格注意的,如果在设计过程中回流径搞不清楚,那你就不知道线跑哪去了,回流面积最小化就实现不了。

这个图是什么意思呢?这是数据区域,这是模拟区域,数模转换或者两个区域。中间有个隔离,数字区域和模拟区域要分割开,很大部分的人是这样做的。我这个数字线跨过分割区到模拟区以后,可是回流线怎么回?因为这中间是断的,这回不来了,隔断了,从哪回来的?哪里能回来的路径它自己找,这样它绕到哪去了,说不清楚了。这是导致很多数模转换不成功或者干扰非常大的非常重要的原因,你们可以检查你们的线路是不是有这种现象存在。

解决这个问题,第一个统一地,第二个把数字线直接在数字区域布置,不要跑到模拟区域去。第三,把两个地联通,我专门用一个回流线搭过去。这是在设计中间出现的问题。传输线传动要求很严格,传输线路越短,上升时间越小,对外回流场强就越大。所以设计的时候,排线的传输线长度计算公式是不一样的,所以设计的时候一定要计算一下。不能说师傅就是这么告诉我的,我就这么做。所以要算一下,看看长度够不够。我发现很多企业线明明可以短一点,他说我为了方便,就把线加长了。当然了确实是方便,因为没有什么干涉,但是为了方便影响了反射,上冲、下冲,另外回路面积也大了,这是一个非常严重的问题。

给大家讲一个比较简单的屏蔽效应,我刚才讲了屏蔽三种模式,一种模式是加一个罩壳,这个问题不大,我加一个金属罩壳就屏蔽了。另外一种模式是进行衰减,这也是一种屏蔽模式。第三种模式,在两个信号线之间加上地线,这个地线就相当于屏蔽线,这叫导线屏蔽。一个是加上地线,另外一个是把地线去掉,背面加上大面积地线,这也是一种屏蔽模式,这种模式非常管用。
设计过程中对一种不同的器件,我们要求前面加一个电容,后面加一个电容,中间加一个磁珠。所有的这些东西大家都是做的,甚至这些概念都很清楚,但要真正连贯起来难度就大了。对整个产品来讲,电磁兼容性设计管理系统:
1.新产品的设计开发流程。
2.产品的EMC设计技术平台建设。
3.元器件的EMC选型指南。
4.EMC接地设计。
5.EMC屏蔽设计。
6.EMC滤波设计。
7.PCB的EMC设计。
8.典型产品的EMC设计。
9.EMC设计检查表。

我们说电容,各种不同的情况下容值计算是不一样的。连接器咱们经常用,连接器的这些参数你是要知道的,这些东西是直接影响电子兼容的,不同的连接器是不一样的,它的核心阻抗也是不一样的,在过程中你要怎么做都是有规范的。我们今天讲了很多芯片,它的特性是怎么样的,怎么样进行选型,有什么特点,这些都是要掌握的。至少你知道一个事,我拿一个芯片来,你说芯片怎么好,这些参数要提供给我,看它到底是好还是不好。

产品做完了有个问题,做完了以后是分阶段进行的,不是一条线做完的,是分阶段进行的。在哪一个阶段怎么样进行检查,就是从这来:
1.产品原理图设计检查表。
2.PCB设计检查表。
3.结构设计检查表。
4.软件设计检查表。
5.设计审核检查表。

我刚才举的例子,本来一个大个的产品通过了这个测试,但是个子变小了以后通不过了,明明是一样的,结构、零件、器件都是一样的,就因为空间大小不一样变化那么大。你校对的时候怎么校对?相应的措施要怎么处理?电磁兼容评价对和错很难,但是可以评价好和不好,你做得好一点,你的一次性通过率80%,我的一次性通过率20%,那么我设计出来的产品一次通过率是80%,70%,那效果完全是不一样的。既然你设计的产品通过率是70%,80%的话,为什么不把你的经验贡献出来?放到一个平台上让大家共享呢?

这需要有一个培训过程,不是光讲,我刚才讲的那些,不同的情况,电磁兼容很复杂,不同的情况下有不同的选择,电容的容值计算有9个,你用哪一项来算?你给我讲清楚是用哪一项来算的,你怎么样算,我也按照这个模式算,我知道你怎么选的,我就可以给你校对,可以给你审核,否则分不出来,不是光肉眼可以看得出来的。所以我们要建立一个评审制度,不同的等级评审是不一样的。电磁兼容工程师或者总工办找一个人专门来做这个工作,做得好一点可以。

还有一个问题在哪呢?很多单位已经做了设计审核检查表,但是几百个工程师设计,可审核的时候一个人顾得过来吗?我进行重点控制,我搞了一个设计审核重点控制,我把几个关键的节点进行控制,不同的层级控制的要点不一样,这样子就可以大家来进行信息共享。如果说我是总管,或者我是项目经理,我自己巡查一遍不太放心,你就连夜24小时开办,把前面的全部再检查一遍。我这里有一个图例,你们可以看看是怎么做的,提供给你们一个思路。把整个设计过程中由设计工程师自查,然后要求专门的电子兼容设计工程师复核你做到还是没做到,分得很细很细,然后把复核的意见对、错,或者你同意不同意,如果表列不上,你拉多一点嘛。因为电子兼容工程师,至少对我来讲,我肯定比设计师的水平高,电子兼容工程师告诉你这个地方做得好像有点不太合适,咱们商量一下是不是改一改,这样经验就积累过来了。我也不用跟你吵架,也不用说你做到还是没做到。

我给你们看这有多少页?21页,记不住吧,但是我一个表格拿出来逐条对,简单吧。这样做了以后就容易多了。同样的结构设计一样的,包括软件检查,怎么审核?按照工程设计的重点控制进行测试。不同的产品,不同的标准,不同的形式,审核标准是不一样的,国标是19项,不是说每一项都要接地、屏蔽,不是那么回事儿。某几项要重点考虑接地,这样控制以后大部分问题都解决掉,当然其他方面也要考虑,但这是要重点考虑的。但是有一些,比如天线这块加上滤波,那么选择接地线要控制好,雷达本身就是一个很好的分区屏蔽的格式,你还要加大外罩,不是那么回事。不同的产品,室内的,室外的,台式的,立式的,车载的,机载的,陆军、海军、空军,不同的情况设计要点是不一样的。你在设计过程中你要考虑你的产品结构形式是什么,你的标准是什么,控制的要点是什么,那你就好审核了。

如果有实验室的人可以看一看,关键有一个预测试试验,试验的时候一定要有一个预测试实验,不能说到最后再去试验,那时候代价就太大了。不要把实验室的那些标准拿出来,但是试验的特点是什么,你在试验过程中关注的是什么,这个要心里有数。你们可能更感兴趣的是这个,骚扰源的定位。产品内的主要电磁骚扰源是什么,这个你要清楚,我把骚扰源源头控制,把传播途径切断,这是你需要知道的东西,否则就累了。

同一个试品存在不同测试结果的原因,这个一定要进行分析,确实有这个现象,这是客观存在的,我在A实验室做的,B实验室结果不一样,确实有这个现象,这是很正常的现象。在试验过程中问题整改怎么做,不同的情况怎么做,这些控制要点在哪?宽带的,监测的,直通的,泄露的,传导的,辐射的,静电,所有的这些都有自己的特点。出了问题大概在什么位置,出了什么问题。咱们知道,整改首先是定位,只要定位正确,做起来就很简单。如果定位不好,做起来就很难了。骚扰源的定位非常重要。我们的目的是什么?不同的行业,不同的环节,不同的设计师,在中间各取所需。这个完全把我设计过程中遇到的问题提纲挈领地全部罗列出来了,设计师做的时候不同的环节进行检测就行了,驾轻就熟一点,节省一点时间,效果好一点。我就讲这么多吧,谢谢大家!

现场提问:

提问:今天我们讲ESD的问题是最多的,ESD有个问题,这个问题是什么呢?我们打接触的时候有三种现象,当我们把接地枪靠近这个的时候关机了,第二个问题是死机,就是机器停在那里不动,第三个现象是一打的时候屏幕上面有横条,对这三个现象我们能不能判定电路是在哪个地方,我们能不能确定整改方向是哪个电路有问题?

马老师:我这样说吧,一个信号进来以后,你记住环路大了以后,环路大就是接收天线,等于是打了静电以后,中间放电的时候直接打到环绕上去,然后芯片的端口可能跳或者是死机。如果严格说要设计好或者小一点,再不行就进行端口处理。

提问:我们直接用枪打那个地也是一样,一碰就关机或者是干扰。

马老师:有一个问题要搞清楚,不要管打到哪个地方,因为打到地上以后,它又到芯片的端口上去。如果没有端口,光打到线路上是没有什么用的。如果是改设备的时候,芯片的端口要怎么处理,加上TVS管比较好一点,如果不行的话前面加上慈珠先过一下。

提问:我们在整改的时候,这方面的问题碰到比较多,但是根据我们的经验,在打地的时候出现这个问题是很难搞的。

马老师:你把接地点换个地方,还是把环比减小。

提问:我们的MCU是系统控制,数字线或者是一些控制器非常灵敏,你一打地上有一个波度,可能造成机器内部的软件复位或者是关机。

马老师:因为没有看到实际产品,只能是从原理上讲。

提问:这个问题是目前比较多的。

马老师:还有一个办法,把地浮起来。

提问:我们也做过实验,把板子的层再多加一层,我们铺一块大的薄膜在上面,这个时候测试确实有改善。

马老师:如果说在放静电的时候,多铺层地就是防静电的最有效措施。为什么?还是一句话,闭环路小了。

提问:另外电路方面有很多问题。

马老师:如果产品已经出来了就得想办法在端口上加TPS管,加磁珠。要看产品的结构到底是怎么样的。
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