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    技術(shù)專(zhuān)題

    具有 EMC、EMI 和 ESD 保護的設計


    具有 EMC、EMI ESD 保護的設計

    靜電放電和干擾的影響經(jīng)常被設計者忽視,這導致他們被拒絕,尤其是在全球市場(chǎng)。設計者要想產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上取得成功,就需要關(guān)注FCC、CE、VCCI等國際標準。本文解釋了失敗的原因以及補救措施。

    EMI 代表電磁干擾,EMC 代表電磁兼容,ESD 代表靜電放電。這些首字母縮略詞定義了產(chǎn)品如何在無(wú)意中成為射頻波生成源,或如何成為來(lái)自環(huán)境中各種來(lái)源的射頻波的受害者。

    ESD 定義了產(chǎn)品在承受操作人員累積的靜電電壓放電方面的穩健程度。美國的 FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì ))、歐洲的 CEConformitè Europ?enne)和日本的 VCCI(干擾自愿控制委員會(huì ))等標準機構規定了電子產(chǎn)品可以輻射的輻射量,或電子產(chǎn)品的輻射量。產(chǎn)品應能承受而不會(huì )出現任何永久性故障。同樣,產(chǎn)品應承受一定的電壓放電水平而不會(huì )損壞。

    隨著(zhù)我們日常生活中越來(lái)越多地使用電子產(chǎn)品,遵守這些標準可確保用戶(hù)安全,產(chǎn)品不會(huì )污染和影響附近產(chǎn)品的工作。雖然每個(gè)國家都有自己的標準,但它們的價(jià)值差別不大。

    但是,從電子封裝的角度,我們需要知道產(chǎn)品應該符合什么標準。了解標準有助于設計包裝,使產(chǎn)品符合要求的標準。最好的策略是獲得最壞情況的限制并為它們設計產(chǎn)品。但是,在某些情況下,這樣做的成本可能很高。

    讓我們了解設計合規產(chǎn)品的輻射機制的基礎知識。幾乎所有電子產(chǎn)品都會(huì )以這兩種模式中的任何一種輻射或受到影響。這些是:

    傳導發(fā)射 (CE)

    電源和其他電纜充當載體并輻射不需要的射頻信號。

    輻射發(fā)射 (RE)

    產(chǎn)品本身會(huì )輻射,就像射頻發(fā)射器一樣。

    傳導和輻射發(fā)射的頻率限制是不同的。大多數發(fā)射是輻射發(fā)射,它們分布在大帶寬上。

    輻射發(fā)射需要一個(gè)射頻發(fā)射器和一個(gè)接收器來(lái)進(jìn)行能量傳輸。通常,在測試期間,發(fā)射機是被測產(chǎn)品,接收機是配備有天線(xiàn)的頻譜分析儀,用于測量射頻能量的強度。圖 1 顯示了產(chǎn)品中的輻射和傳導發(fā)射機制,以供我們理解。

    但是,除了會(huì )增加整體輻射的電纜(電源和信號)之外,大多數輻射都是通過(guò)外殼中的小孔(例如通風(fēng)孔、角縫和機箱底部和頂部之間的縫隙)進(jìn)行的。雖然電力電纜輻射被測量為信號電纜引起的 CE 輻射,但它是總輻射發(fā)射的一部分。

    這就是為什么必須仔細設計具有大電纜連接(以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)電纜、傳感器電纜等)的產(chǎn)品并且必須將任何輻射源包含在外殼內的原因之一,因為管理電纜輻射可能具有挑戰性且成本高昂。

    為了驗證產(chǎn)品的合規性,將其保存在消聲室中,并將天線(xiàn)與產(chǎn)品保持指定距離(三米或十米),具體取決于產(chǎn)品應遵守的標準。天線(xiàn)通過(guò)適當的儀器連接到頻譜分析儀,以測量產(chǎn)品輻射的信號電平,以進(jìn)行 RE 測量。讀數根據標準規定的水平進(jìn)行映射。如果信號電平低于指定電平,則產(chǎn)品通過(guò)了合規認證。

    在傳導發(fā)射的情況下,被測產(chǎn)品的電源線(xiàn)通過(guò)線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)絡(luò ) (LISN) 連接到頻譜分析儀,并測量信號電平,并在輻射發(fā)射的情況下根據標準指定值進(jìn)行映射。圖 2 和圖 3 顯示了 FCC 和歐盟標準的輻射和傳導發(fā)射水平,以便更好地理解標準。

    2FCC 標準的輻射和傳導發(fā)射水平

    3:歐盟標準的輻射和傳導發(fā)射水平

    這些標準定義了兩組級別,稱(chēng)為 A 級和 B 級。表 1 顯示了這些級別在美國和歐盟的適用性。

    A 類(lèi)允許更高的輻射,因為工業(yè)環(huán)境非常嘈雜。但是,B 類(lèi)輻射限制要低得多(更嚴格),大多數消費品都需要滿(mǎn)足此標準。

    注意事項

    設計人員認為 EMC EMI 問(wèn)題僅由外殼引起。這是每個(gè)設計師都應該知道的神話(huà)。為了成功合規,整個(gè)產(chǎn)品的設計必須符合標準。PCB 組件 (PCBA) 是罪魁禍首,除外殼外,這些組件還需要仔細的 EMC/EMI 設計。

    輻射和傳導發(fā)射的解決方案在實(shí)施上有所不同。如果產(chǎn)品是無(wú)線(xiàn)電設備,所需的主要細節是系統電子設備運行的頻率和 RF 載波頻率?;痉讲ㄍC波,這對輻射有很大貢獻。輻射發(fā)射的解決方案是減少 PCBA 的發(fā)射,這基本上取決于電路設計。

    經(jīng)驗表明,高速數字電路是主要的輻射源,因為它們具有上升時(shí)間小的方波。

    用于降低 EMC/EMI 的電路設計是一個(gè)很大的話(huà)題,由于我們的主要關(guān)注點(diǎn)是電子封裝,因此這里不進(jìn)行介紹。然而,PCBA 的輻射只能減少而不能完全消除,而這項工作必須由外殼和過(guò)濾器來(lái)完成。

    抑制射頻輻射的過(guò)程稱(chēng)為屏蔽。金屬是抑制輻射發(fā)射的最佳屏蔽。因此,對于帶有塑料外殼的產(chǎn)品而言,射頻輻射遏制可能是一個(gè)大問(wèn)題。即使是具有不完美接頭、接縫或通風(fēng)孔的金屬外殼也可能是射頻輻射的來(lái)源。在鉚釘和簡(jiǎn)單螺釘等外殼緊固機制的情況下,兩個(gè)螺釘/鉚釘之間的空間也可能成為輻射源。這就是設計人員必須預先了解合規性需求(SCoPE 框架)以決定外殼連接/緊固機制的原因。

    在深入研究輻射和傳導發(fā)射的解決方案之前,讓我們先了解一下屏蔽機制。圖 4 顯示了一個(gè)沒(méi)有外場(chǎng)的屏蔽外殼內的電子系統。由于屏蔽,沒(méi)有輻射逸出(輻射發(fā)射預防)。圖 5 顯示了完全相反的情況,其中屏蔽防止輻射進(jìn)入并且外殼內的系統不受外部輻射影響(輻射發(fā)射敏感性)。

    4:沒(méi)有外場(chǎng)的屏蔽外殼中的電子系統

    5:屏蔽防止輻射進(jìn)入外殼

    金屬是最好的屏蔽材料,因為它們具有導電特性,因此金屬外殼被發(fā)現有利于 EMC/EMI 保護。當射頻波穿過(guò)塑料時(shí),塑料不利于屏蔽。金屬的屏蔽效果取決于其厚度和射頻發(fā)射頻率。但是,根據經(jīng)驗,與鋁相比,低碳鋼具有良好的屏蔽特性。

    正如我們在圖 4 和圖 5 中看到的,理想的屏蔽罩應該是一個(gè)緊密封閉的盒子,以獲得最佳性能。然而,在現實(shí)生活中,任何外殼都會(huì )有接縫(由于金屬板設計)和用于顯示器、開(kāi)關(guān)和電纜的開(kāi)口。從輻射的角度來(lái)看,這些被稱(chēng)為孔徑。外殼中的小孔會(huì )導致射頻輻射泄漏。當這些輻射泄漏降低到較低水平時(shí),可實(shí)現最佳 EMC/EMI 性能。

    通常,噪聲場(chǎng)(由射頻輻射產(chǎn)生)會(huì )在屏蔽中感應出電流,而這些電流會(huì )在屏蔽中感應出額外的場(chǎng)。這些新字段取消了某些空間中的原始字段。為了發(fā)生這種抵消,必須允許屏蔽電流不受任何阻礙地流動(dòng)。圖 6 顯示了無(wú)孔時(shí)感應電流如何流動(dòng),圖 7 顯示了當有孔時(shí)電流如何受到干擾。

    6:無(wú)孔時(shí)感應電流如何流動(dòng)

    7:存在孔徑時(shí)電流如何受到干擾

    我們需要記住,大多數電子系統都需要通風(fēng)槽來(lái)散熱,這可能是 EMC/EMI 的問(wèn)題。一種解決方案是通過(guò)一組孔提供通風(fēng),這使得感應電流不受干擾,如圖 8 所示。

    8:通過(guò)一組孔的通風(fēng)允許感應電流不受干擾地流動(dòng)

    外殼的另一個(gè)挑戰是接縫。由于外殼由多個(gè)部分制成,因此在鈑金外殼中不可避免地會(huì )出現接縫。當這些部分用鉚釘或螺釘固定時(shí),它們會(huì )使接縫因開(kāi)孔而漏水。如果這些接縫必須防漏,需要做三件事:

    相鄰的部分應該重疊。

    鉚釘和螺釘應盡可能靠近,以減少孔徑效應。這就是焊接有用的地方!

    兩個(gè)重疊的表面必須是導電的,為了更好的屏蔽,應該使用 EMI 墊圈或 EMI 指狀物。

    設計人員在電子封裝中經(jīng)常面臨的一個(gè)挑戰是,一個(gè)問(wèn)題的解決方案會(huì )導致另一個(gè)問(wèn)題(EMI/EMC 與散熱)。然而,鈑金外殼自然會(huì )導致 EMC/EMI 問(wèn)題,而塑料外殼對 EMC/EMI 構成了巨大挑戰。

    為了使塑料外殼滿(mǎn)足 EMC/EMI 需求,這些外殼必須具有導電性。最流行但昂貴的解決方案是在塑料外殼內涂上一層導電涂料,或者用添加劑使塑料導電。其他方法是化學(xué)鍍或金屬箔襯里,這兩種方法既昂貴又脆弱。

    另一種方法是將 PCB 組件封裝在金屬屏蔽中,這樣塑料外殼就不必針對 EMC/EMI 進(jìn)行處理。這種方法在無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品中很流行,因為有時(shí)功率電平很高,需要包含在 PCBA 模塊本身中。PCB 安裝屏蔽可以定制設計,也可以試用即用型屏蔽。大多數 Wi-Fi 和藍牙模塊都帶有屏蔽以減少外來(lái)輻射,并且它們的 PCBA 是屏蔽的,天線(xiàn)除外。

    使產(chǎn)品符合 EMC/EMI 標準的最佳方法是遵循下面提到的六個(gè)步驟:

    了解有關(guān)輻射的標準合規性需求,并為安全裕度多預算 3dB。滿(mǎn)足認證過(guò)程的限制是完全沒(méi)問(wèn)題的,但由于制造過(guò)程可能會(huì )有變化,這可能會(huì )使產(chǎn)品失敗。

    確保外殼設計良好,同時(shí)牢記上述信息。但如果使用現成的外殼,請確保選擇正確的外殼。多于選擇,按照供應商推薦的流程進(jìn)行組裝。(我記得我們曾經(jīng)使用過(guò) PCB 屏蔽作為 EMI 解決方案,產(chǎn)品以良好的裕度通過(guò)了限制。但是,在生產(chǎn)過(guò)程中,我們發(fā)現產(chǎn)品沒(méi)有通過(guò)樣品測試。我們走過(guò)生產(chǎn)線(xiàn),發(fā)現在-安裝PCB屏蔽時(shí)出現問(wèn)題,由于PCB孔邊距誤差,屏蔽無(wú)法輕松插入,技術(shù)人員使用尼龍錘將屏蔽推入。這是一個(gè)完美的方法,但溫和尼龍錘敲開(kāi)兩側屏蔽層的接縫,導致輻射失效!在FCC認證的情況下,當您獲得 FCC 合規注冊號時(shí),本質(zhì)上意味著(zhù) FCC 可以從市場(chǎng)上取樣并測試您的產(chǎn)品的輻射合規性。因此,EMC/EMI 認證是一項相當艱巨的工作。)

    根據設計指南進(jìn)行的電子電路設計和 PCB 布局很重要,但相當重要,無(wú)法在此處涵蓋。

    產(chǎn)品的第一個(gè)版本應該在實(shí)驗室中進(jìn)行預掃描以獲得測量結果。這將提供當前形式的產(chǎn)品的故事。解決方案可以在下一次修訂中實(shí)施,無(wú)需花費太多時(shí)間和精力。

    當通過(guò)圍繞垂直 Y 軸旋轉產(chǎn)品 360° 完成掃描(預掃描和最終掃描)時(shí),讀數會(huì )顯示任何與接縫或孔徑相關(guān)的泄漏。一些實(shí)驗室以靜態(tài)方式進(jìn)行,產(chǎn)品的四個(gè)側面都旋轉了 90 度。這有時(shí)會(huì )掩蓋輻射問(wèn)題,因此最好使用旋轉臺進(jìn)行掃描。

    從讀數可以確定輻射泄漏的來(lái)源。正常的頻譜分析儀讀數將在 X 軸上顯示頻率,在 Y 軸上顯示輻射水平;角度必須由合規工程師和設計工程師手動(dòng)觀(guān)察?;阝k金外殼的設計可能會(huì )由于制造和設計錯誤而失敗,例如角落彎曲處的間隙,輻射可能會(huì )從那里泄漏。最好的解決方案是在金屬板外殼的頂部和底部之間有一個(gè)重疊,它也必須是導電的(沒(méi)有涂漆/涂層),沒(méi)有涂漆的重疊。圖 9 顯示了外殼的橫截面,以便更好地理解。

    9:外殼的橫截面

    靜電放電

    當人或物體上累積的 10-15kV 電荷通過(guò)電子產(chǎn)品放電時(shí),就會(huì )發(fā)生靜電放電。ESD 會(huì )永久損壞半導體。當大氣濕度較低時(shí),它的影響很大,但它永遠無(wú)法避免。除非采取保護措施,否則產(chǎn)品很容易被無(wú)聲無(wú)息地損壞。有兩種方法可以保護產(chǎn)品免受 ESD 影響:

    在暴露于外界的半導體輸入端提供 ESD 保護。這些輸入通常是連接器,這需要具有適當 ESD 保護的電路設計。保護裝置稱(chēng)為瞬態(tài)電壓抑制器。這些將 ESD 降低到安全水平,防止損壞半導體。

    確保外殼沒(méi)有間隙,ESD 可以通過(guò)這些間隙潛入,并且外殼正確接地以充當出色的 ESD 屏蔽。雖然金屬外殼具有良好的 ESD 屏蔽能力,但塑料機柜就沒(méi)那么幸運了。具有諷刺意味的是,塑料機柜對 EMC/EMI 的防護也很差,內部屏蔽對于產(chǎn)品的安全性至關(guān)重要。

    通常,在大多數情況下,良好的 EMC/EMI 對策也應適用于 ESD。然而,電源接地不當有時(shí)會(huì )使產(chǎn)品成為 ESD 的受害者。防止 PCBA ESD 損壞的成功方法是在 PCB 邊緣提供 1-2mm 寬的銅跡線(xiàn)。(走線(xiàn)端不應連接形成環(huán)路;它應該是開(kāi)路的,一端應連接到底盤(pán)接地。)吸引 ESD 的其他候選對象是暴露的連接器引腳(尤其是山形棒)。用于微控制器編程的在線(xiàn)編程連接器通常是罪魁禍首。這些措施有助于將 ESD 電壓轉移到接地跡線(xiàn)而不是損壞半導體。

    大多數情況下,只有在產(chǎn)品設計過(guò)程中采取了所有預防措施并完成產(chǎn)品測試后,才能實(shí)施 ESD 解決方案。但是,ESD 標準確實(shí)允許系統在某些應用程序啟動(dòng)后重新啟動(dòng)。但在醫療、航空電子設備和一些工業(yè)設備等關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域,重啟是不可能的。

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