电磁兼容设计的一般准则(2) 电磁, 准则, 设计

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1.2印制电路设计准则
在印制线路板设计中，产品设计师往往只注重提高密度，减小占用空间，制作简单，或追求美观，布局均匀，忽视了线路布局对电磁兼容性的影响，使大量的信号辐射到空间形成骚扰。

在设计印制线路板时，应注意以下几点：
⑴从减小辐射骚扰的角度出发，应尽量选用多层板，内层分别作电源层、地线层，用以降低供电线路阻抗，抑制公共阻抗噪声，对信号线形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的能力。
⑵电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下，电源线、地线、或印制板走线都会成为接收与发射骚扰的小天线。降低这种骚扰的方法除了加滤波电容外，更值得重视的是减小电源线、地线及其他印制板走线本身的高频阻抗。因此，各种印制板走线要短而粗，线条要均匀。
⑶电源线、地线及印制导线在印制板上的排列要恰当，尽量做到短而直，以减小信号线与回线之间所形成的环路面积。
⑷电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合。
①低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。
②将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。
③高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。
④安排电路时要使得信号线长度最小。
⑤保证相邻板之间不能有过长的平行线。
⑥EMI滤波器要尽可能靠近EMI源，并放在同一块线路板上。
⑦DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。
⑧尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。 

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1.3设备内部走线准则
有些产品，尤其是不大正规的产品，内部走线十分混乱，各种走线胡乱捆扎在一起，又没有任何屏蔽、滤波、接地措施。这种内部走线处理方法，不仅传输高、低电平信号的导线之间相互骚扰，也给后期采用屏流滤波等补救措施带来不便。正确的布线也是一种电磁兼容性设计措施，它能大大地降低骚扰，不需增加工序，却可收到较满意的效果。因此在布线时，应做到：
⑴机箱中各种裸露走线要尽可能短。
⑵传输不同电子信号的导线分组捆扎，数字信号线和模拟信号线也应分组捆扎，并保持适当的距离，以减小导线间的相互影响。
⑶对于产品经常用来传递信号的扁平带状线，应采用 地--信号--地--信号--地 排列方式，这样不仅可以有效地抑制骚扰，也可明显提高其抗扰度。
⑷将低频进线和回线绞合在一起，形成双绞线，这样两线之间存在的骚扰电流几乎大小相等，而方向相反，其骚扰场在空间可以相互抵消，因而减小骚扰。
⑸对能确定的、辐射骚扰较大的导线加以屏蔽。
⑹功能单元和设备内电路的分隔能把无用信号限制在有限范围内，以便使无用信号和可能敏感的电路和导线有效地去耦。
①在可能的地方使用模块式结构（有屏蔽外壳的功能单元）。
②特别要把电源线滤波器、高电平信号电路、低电平信号电路放在不同的屏蔽隔舱内。
③在设备内部采用屏蔽，例如板或隔墙来分隔高电平源和灵敏的接收器。
④对电源提供有效的电、磁场屏蔽。特别是对开关电源。
⑤合理屏蔽高压电源，并同敏感电路隔离。
⑥在整个音频敏感电路周围使用磁屏蔽，以减少同电源线的耦合。可以用这样的方法来有效地减少400Hz/50Hz交流声。输入电路用差分方式，输入信号用双绞线。
    
举例：如在显示器中，交流电源线的插座一般都在后面板，而电源开关经常在前面板，这样机内的电源走线就很长，而许多厂家对这种情况没有采取相应的措施，如采用屏蔽线或双绞线等。这就会导致机内走线接收工作信号，并通过电源线传导出来。

又如，在微机中，电源虽然是屏蔽的，但电源的直流输出线在屏蔽体之外，如果直流输出线过长，就很容易将主板上的骚扰接收下来，传到交流电源线上。因而在设计时，应尽量减小直流输出线的长度。另外，还可以在直流输出线上加上磁珠或铁氧体磁环。 

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1.4底板和机壳设计准则
底板和机壳的结构设计，即结构材料和装配技术，常常能决定是否能同工作环境实现EMC。

底板和机壳是为控制设备或功能单元中无用信号通路提供屏蔽的最有效方法。屏蔽的程度取决于结构材料的选择和装配中所用的设计技术两个方面。经过设计的屏蔽仅受设计者在设计接缝、开口、穿透和对底板及机壳的搭接等方面的知识和技巧的限制。

1.4.1屏蔽
屏蔽是对场的处理问题。离场源的距离不同的区域，场的性质不同。一个临界距离是d。
d0=λ/2π≌λ/6
⑴场域划分
粗略划分：d＜λ/2π的区域为近场区
d＞λ/2π的区域为远场区
严格划分：d＜d0/3即d＜λ/20的区域为近场区（但实际可扩展到d＜λ/1.2π＝
d＞3 d0=λ/2的区域为远场区
λ/20＜d＜λ/2的区域为过渡区
⑵场域性质
近场是感应场—静电场和静磁场，对外不辐射能量。（法拉第屏蔽处理）
远场是辐射场—E和H矢量在时间上同相而向外辐射能量。（机箱屏蔽处理，特别是电气连续性问题的处理）
过渡区是感应电磁场—场的性质比较复杂。

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⑶对设备内部主要是近场问题。
用场论解麦克斯韦方程复杂而不实用，故用近似电路理论处理。即用集中参数电容考察电场引起的耦合，用互感集中参数考察磁场引起的耦合。
①如果波源的电压高、电流小，则电场的作用比磁场的作用明显，可采用电场屏蔽。
②如果波源的电压低、电流大，则磁场起主导作用，应采用磁场屏蔽。
电场屏蔽——用法拉第屏蔽来消除电场的影响。
磁场屏蔽一一使回路1的磁通发生扭曲或将其引向他方，避免与回路2交连来消除磁场耦合。
⑷电磁场的屏蔽——电连续的闭合金属箱体，对抗远场和近场。

1.4.2结构材料
⑴适用于底板和机壳的大多数材料是良导体，可以屏蔽电场，如铝、铜等。主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收。
⑵对磁场的屏蔽需要铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。
⑶在强电磁环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效能直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。
⑷对塑料壳体可以在其内壁喷涂屏蔽层，或在注塑时掺入金属纤维。

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1.4.3缝隙
必须尽量减少结构的电不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在接合面加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距等。
⑴在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。最坏的电搭接处对壳体的屏蔽效能降低起决定性作用。
⑵保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。
⑶在可能的地方，接缝应焊接，以便接合面连续。在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距铆接和螺钉连接来处理。
⑷在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的l％波长，至少不大于l／20波长。
⑸用螺钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲。
⑹保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面接触。
⑺在接缝不平整的地方，在可移动的面板等处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。
⑻选择高导电率和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑接合处所使用的频率。
⑼选择硬韧材料做成的衬垫。
⑽保证同衬垫配合的金属表面没有非导电保护层。
⑾当需要活动接触时，使用指形压簧（而不用网状衬垫），并要注意保持弹性指簧的压力。
⑿导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或Monel线型衬垫将出现严重的电化学腐蚀。银镀铝填料的导电橡胶是雾盐环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。

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1.4.4穿透和开口
⑴要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时屏蔽效能降低30dB以上。
⑵电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；
若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一隔舱。
⑶信号线，控制线进入/穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器（插座）适于这种场合使用。
⑷穿过屏蔽壳体的金属控制轴，应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。也可不用接地的金属轴而用其他绝缘轴贯通波导截止频率比工作频率高的圆管来作控制轴。
⑸必须注意在截止波导孔内贯通金属轴或导线会严重降低屏蔽效能。
⑹当要求使用对地绝缘的金属控制轴时，可用短的隐性控制轴，不调节时用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。
⑺为保险丝、插孔等加金属帽。
⑻用导电衬垫和垫圈、螺母等实现钮子开关防泄漏安装。
⑼在屏蔽、通风和强度要求不苛刻时，用蜂窝板屏蔽通风口。最好用焊接方式保持连接，防止泄漏。
⑽尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容器滤波。
⑾在不能从后面屏蔽指示器／显示器和对引线滤波时，要用与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器／显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃，在保持合理的透光度条件下，对30~1000MHz的屏蔽效能可达50~110dB。在透明塑料或玻璃上镀上透明导电膜，其屏蔽效果一般不大于20dB。但后者可消除观察窗上的静电积累，在仪器上常用。
屏蔽体要起到屏蔽作用应具备下述3个要素：a.屏蔽体是一个完整的电连续体；b.有完善的滤波措施；c.对于电屏蔽还要有良好的接地。
以微机产品为例，由于其结构比较特殊，要得到很好的屏蔽效能确实比较困难。微机产品屏蔽效能不理想的主要因素为：
①微机系统内部产生骚扰的功率器件、开关器件及电流突变的信号线未加滤波、屏蔽措施，使其机壳内部骚扰场较大。
②许多微机为塑料机壳，表面没有涂覆导电材料，或虽涂覆但涂料性能不佳，屏蔽效能很低。
③微机机壳由于设通风孔、安装开关及其它部件，开有许多孔缝，上下机盖及侧板之间由于没有专门处理，接触不是很好，造成机箱本身不是一个电连续体，因而影响屏蔽效能。
④电源进线和出线的滤波不当，也是影响屏蔽效能的一个因素。
影响屏蔽效能的因素并非不能消除，但要下功夫，如提高导电涂料的性能，合理布置孔、缝的位置及开口方向，加装滤波器连接器、屏蔽铜网及导电衬垫，提高装配工艺水平。总之，解决这一问题需企业重视，设计人员努力。

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1.4.5搭接
搭接是把一定的金属部件机械地连接在一起的过程，目的是实现低电阻的电气接触，保证系统电气性能的稳定，帮助实现对射频骚扰的抑制。
⑴尽可能用同样的金属搭接。
⑵保证搭接的直流电阻不大于25毫欧。不能用欧姆表来评估射频搭接或射频垫圈。
⑶对不同金属进行搭接要注意各种金属在电化学序列表中的相对位置。电位差要尽可能小，并有合适的防腐蚀措施。
⑷修整搭接表面，以便得到最大的接触面积。搭接后立即涂复保护层。
⑸搭接前清洗所有配接表面。为防止氧化，在清除了保护层之后就搭接配合表面。
⑹对于永久性搭接应尽可能用熔焊或铜焊、锡焊连接所有的接合面。射频搭接应优先采用永久性搭接。
⑺不允许用螺栓或螺钉的螺纹来完成射频搭接。
⑻不允许用导电漆来实现电的或射频搭接。导电胶连接处必须提供大约700g/cm2的压力，以保证导电涂复处的高导电率。导电胶的导电性要求大约为2~5mΩ/cm。
⑼压紧所有的射频衬垫。 

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1.5布线设计准则
布线是指导线和电缆的布置。布线实际上包含了分开、隔离、分类捆扎和电缆安置等一系列的内容。

1.5.1电缆的连接器
电缆的连接能使电子/电气分系统的性能变坏。不仅因为外来骚扰信号会通过相互作用或耦合进入系统/分系统中的连接电缆，对敏感设备构成严重威胁；还可能因设计、分类（隔离）、捆扎和走线等不当而产生问题。
⑴应尽量避免在现场更换电缆；应使用经生产单位测试或检查过的替换电缆。
⑵设备舱里面的连接电缆难以更换。为此应确定适当的安全余量，以便在系统寿命期允许连接电缆的性能有所变坏。
⑶设计时要特别注意用于低电平信号和低阻抗电路的连接器，以及由于阻抗增大会引起误差而又不能探测的连接器。
⑷分系统间的连接电缆和连接器的设计要协调一致。（例如，不能一端要求其所有屏蔽层彼此隔开，而另一端却只给一个连接器留1根插针供屏蔽层端接。不能一端用屏蔽线控制骚扰辐射，而另一端却选用非导电涂层的连接器。）
⑸不要让主电源线和信号线通过同一连接器。
⑹尽量不要让输入输出信号线通过同一连接器。
⑺根据导线分类，正确进行连接器屏蔽层端接。

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1.5.2导线分类及成束
EMI控制的一个主要方面是把导线和电缆分成和处理功率电子类似的等级。按30dB功率电平分组的分类表如表2所示：
表2电缆束分类
类别 功率范围 特点
A >  40dBm 高功率DC、AC和RF（EMI）源
B 10~40dBm 低功率DC、AC和RF（EMI）源
C -20~10dBm 脉冲和数字电路源 视频输出电路（音频、视频源）
D -50~-20dBm 音频和传感器敏感电路 视频输入电路（音频敏感电路）
E -80~-50dBm RF、IF输入电路、安全电路（RF敏感电路）
F   <-80dBm 天线和RF电路（RF敏感电路）

这种分类的好处是：
①EMI源和接收器分别以功率分类
②在同一线束或线扎中，邻近导线功率电平相差不会超过30dB。
1.5.3敷设电缆用的导线标记
①在导线每端距接头、或被接设备不大于15厘米处制作标记，每根线上的标记间隔为40厘米。
②实际捆扎时，可把标记相同的导线捆扎在同一线束内。未征得EMI控制负责人批准，不可把不同标记的导线捆扎在同一线束内。

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1.5.4屏蔽端接
⑴屏蔽导线
①屏蔽导线用于防止产生不必要的辐射或保护导线免受杂散场的影响。
②把屏蔽层隔离开来，以防发生不必要的接地。
③不要把屏蔽层用于信号回线。
④双绞线有类似电磁屏蔽作用。
⑵敏感电路的保护
①用于保护音频敏感电路的屏蔽层仅一端接地。永远不要把屏蔽层用作音频敏感电路的回线。
②用于射频敏感电路的屏蔽层两端要接地。
③对于既属音频敏感又属射频敏感的电路，要选用紧密的屏蔽线对。扭绞间距离越短屏蔽效果越好。屏蔽层两端要接地

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.6接地设计准则
在产品设计时，从安全角度或从功能上考虑接地的多，而从抑制骚扰的角度考虑按地设计的少，因而在选择接地方式、接地点、接地线时，就会出现一些本可以避免的错误。此外，良好的接地设计必需有良好的装配工艺作保障，才能达到预期的目的。

1.6.1在接地设计时，要根据实际情况选择接地方式及接地点。
例如，微机辐射骚扰超过极限值的频率集中在30~200MHz范围之内，因此微机内部各单元及屏蔽电缆相对机壳应采用多点就近接地的方式。使用单点接地，会增加接地线的长度，如果接地线长度接近或等于骚扰信号波长的l/4时，其幅射能力将大大增加，接地线线将成为天线。一般来讲，接地线的长度应小于2.5cm。屏蔽电缆的接地如图1所示。

1.6.2接地线的选用
经常可以看到这样的产品，其内部的接地线是很细的单股线，这种在其内部通过高频电流时，由于高频阻抗很大，接地效果可想而知。因此，考虑到趋肤效应，接地线需要选用带状编织线。如果对接地要求很高，还可在其表面镀银，这主要是减小导线的表面电阻率，因而达到减小接地线高频阻抗的目的。

1.6.3接地线应与接地面良好搭接
标准中一般规定，接地线与接地面的直流搭接阻抗应小于2.5mW为了高质量的接地，接地面应经过表面处理，避免氧化、腐蚀。在接地线与接地平面之间不应有锁紧垫圈、衬垫，而且不应使用衬垫、螺栓、螺母作为接地回路的一部分。

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1.6.4三种接地方式：浮地、单点接地和多点接地
浮地的目的是将电路或设备与公共地线或可能引起环流的公共线路隔离开来。
缺点：由于设备不与大地直接相连，容易出现静电积累，达到一定程度后会产生击穿，这是一种破坏性很强的骚扰源。折衷处理的办法是在浮地与大地之间接一个阻值很大的泄放电阻，以消除静电积累的影响。实现浮地的办法：变压器隔离、充电隔离。浮地除了使地线“浮”起来以外，还解决了单地系统中电位不一致带来的麻烦。
单点接地是指接地只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各需要接地的点都直接接到这一点。如果系统工作频率很高，达到接地线长度可以与工作频率（信号的波长）相比拟的程度时就不能再用单点接地的方式了（接地效果已经不理想了），而要用多点接地的概念了。
多点接地是指一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，使接地线的长度为最短。接地点可以是设备的底板，也可以是贯通整个系统的地导线，还可以是设备的结构框架等。多点接地的优点是电路结构比单点接地简单。由于采用了多点接地，就形成了许多接地回路，因此提高接地系统的质量就变得十分重要，需要经常维护，保持良好的导电性能。
混合接地：只对需要高频接地的地方采用多点接地，其余用单点接地。接地长度以0.05λ~0.15λ来衡量，超出此值的应采用多点接地。
另外，以继电器等有大电流突变的场合，要用单独接地以减少对其他电路的瞬变耦合。
负载直接接地是不合适的。用紧绕的双绞线也能获得极好的屏蔽性能。
当屏蔽电缆传输高频信号时，电缆外层屏蔽应采用多点接地，典型的分界点是100KHz，高于此值用多点接地，低于此值用单点接地，多点接地时要做到每隔0.05λ~0.1λ有一个接地点。
屏蔽层接地不能用辫状接地，而应当让屏蔽层包裹芯线，然后再让屏蔽层360度接地。

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1.6.5地设计准则
*电路尺寸小于0.05λ时可用单点接地，大于0.15λ时可用多点接地。
*对工作频率很宽的系统要用混合接地。
*出现地线环路问题时，可用浮地隔离（如变压器，光电）。
*所有接地线要短。
*接地线要导电良好，避免高阻性。
*对信号线，信号回线，电源系统回线以及底板或机壳都要有单独的接地系统，然后可以将这些回线接到一个参考点上。
*对于那些将出现较大电流突变的电路，要有单独的接地系统，或者有单独的接地回线以减少对其他电路的瞬态耦合。
*低电平电路的接地线必须交叉的地方，要使导线互相垂直。
*使用平衡差分电路，以尽量减少接地电路的骚扰影响。
*对于最大尺寸远小于λ/4的电路，使用单点接地的紧绞合线（是否屏蔽视实际情况而定），以使设备敏感度最好。
*交直流线不能绑扎在一起。交流线本身要绞合起来。
*端接电缆屏蔽层时，避免使用屏蔽层辫状引出线。
*需要用同轴电缆传输信号时，要通过屏蔽层提供信号回路。低频电路可在信号源端单点接地；高频电路则采用多点接地。
*高频、低电平传轴线要用多层屏蔽，各屏蔽层用单点接地。
*从安全出发，测试设备的地线直接与被测设备的地线联接；还是从安全出发，要确保接地联接装置能够应付意外的故障电流，在室外终端接地时，能够应付雷电电流的冲击。