具有电磁兼容、电磁干扰和ESD保护的设计

由s.a. srinivasa恶作剧

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静电放电和干扰的影响往往被设计者忽视,导致它们被排斥,特别是在全球市场上。如果设计者想要他们的产品在国际市场上获得成功,就需要考虑FCC、CE、VCCI等国际标准。本文阐述了失败的原因和补救措施。

EMI代表电磁干扰,EMC用于电磁依从性,ESD用于静电放电。这些首字母缩略词定义了产品如何无意地成为射频波的源,或者如何成为来自环境中各种来源的射频波的受害者。

ESD定义了产品如何承受人类操作员累积的静电电压放电的强大。美国FCC(联邦沟通委员会)等标准机构,在欧洲,CE(ConformitèEuropëenne)和日本的VCCI(志愿控制委员会)指定了电子产品可以辐射的辐射量,或电子产品的辐射量产品应承受,没有任何永久性故障。同样,有电压放电水平,产品应该承受而不会损坏。

随着我们在日常生活中使用电子产品的增加,遵守这些标准可确保用户的安全,产品不会造成污染,也不会影响产品在附近的工作。虽然每个国家都有自己的标准,但它们在价值上差别不大。

然而,从电子包装的角度来看,我们需要知道产品应该符合什么标准。了解标准有助于设计包装,使产品符合所需的标准。最好的策略是得到最坏情况的限制,并根据它们设计产品。然而,在某些情况下,这样做的成本可能很高。

让我们了解辐射机制设计兼容产品的基础知识。几乎所有电子产品都辐射或受到两种模式中的任何一种影响。这些是:

进行发射(CE)

电源和其他电缆充当载体并辐射不需要的RF信号。

辐射发射(重新)

产品本身辐射,就像一个射频发射器。

传导和辐射辐射的频率限制是不同的。大多数辐射都是辐射,并且分布在很大的带宽上。

辐射发射需要射频发射器和接收器进行能量传输。通常,在测试期间,发射器将是被测产品,接收器将是配备有天线的频谱分析仪,以测量射频能量的强度。图1显示了产品中的辐射和传导发射机制,以供我们理解。

产品中的辐射和传导发射机制
图1:产品中的辐射和传导发射机制

但是,除了增加整体辐射的电缆(电源和信号)外,大多数辐射发射都是通过外壳中的小孔(如通风孔、拐角接缝和机箱底部与顶部之间的间隙)进行的。由于信号电缆的原因,电力电缆辐射被测量为CE辐射,它是总辐射发射的一部分。

这就是为什么带有大电缆连接(以太网交换机电缆、传感器电缆等)的产品必须仔细设计的原因之一,而且任何辐射源都必须包含在外壳内,因为管理电缆辐射具有挑战性和昂贵。

为了验证产品的合规性,它在一个消声室中保存,并且根据产品应该遵守的标准,将天线保持在距产品(三米或十米)的指定距离。天线通过适当的仪器连接到频谱分析仪,以测量从产品辐射的信号水平以进行RE测量。读数映射标准指定的级别。如果信号电平低于指定级别,则产品已被认证以便合规。

在传导辐射的情况下,被测产品的电源线通过线路阻抗稳定网络(LISN)连接到频谱分析仪,并测量信号水平,如在辐射辐射的情况下,根据标准指定值绘制。图2和图3为FCC和EU标准的辐射和传导排放水平图,便于更好地理解标准。

FCC标准的辐射和传导排放水平
图2:FCC标准的辐射和进行的发射水平
辐射和传导排放水平达到欧盟标准
图3:欧盟标准的辐射和传导排放水平

标准定义了一组称为A类和B类的级别。表1显示了美国和欧盟的课程的适用性。

A级允许较高的辐射,因为工业环境噪音很大。然而,B级的辐射限制要低得多(更严格),大多数消费品需要满足这一标准。

注意事项

设计者认为电磁兼容和电磁干扰问题是由于外壳本身。这是每个设计师都应该意识到的一个误区。为了成功的遵从,整个产品的设计必须符合标准。PCB组件(PCBAs)是主要的罪魁祸首,除了外壳外,这些组件还需要仔细的EMC/EMI设计。

辐射和传导发射的解决方案在实施中有所不同。所需的主要细节是系统电子设备工作的频率以及射频载波频率(如果产品是无线电设备)。基本方波往往含有谐波,谐波对辐射的贡献很大。辐射发射的解决方案是减少PCBA的发射,这基本上取决于电路设计。

经验表明,高速数字电路是主要的辐射源,因为这些电路具有上升时间小的方波。

减少EMC/EMI的电路设计是一个庞大的主题,这里不讨论,因为我们主要关注的是电子封装。然而,来自pcb的辐射只能减少而不能完全消除,而这项工作必须由外壳和过滤器来完成。

含有RF辐射的过程称为屏蔽。金属是包含辐射发射的最佳屏蔽。因此,如果有塑料外壳的产品RF辐射储物可能是一个大问题。甚至具有透露关节,接缝或通风孔的金属外壳也可以是RF辐射的源。在铆钉和简单螺钉等外壳的紧固机构的情况下,两个螺钉/铆钉之间的空间也可以成为辐射源。这就是为什么设计人员必须了解合规需要的原因(范围框架)来决定外壳加入/紧固机制。

在进一步研究辐射和传导辐射的解决方案之前,让我们先了解屏蔽机制。图4显示了在没有外部磁场的屏蔽外壳内的电子系统。由于屏蔽,没有辐射逃逸(辐射排放预防)。图5显示了完全相反的地方,屏蔽阻止辐射进入和外壳内的系统不受外部辐射的影响(辐射发射敏感性)。

无外场屏蔽外壳中的电子系统
图4:无外场屏蔽外壳中的电子系统
防护罩防止辐射进入外壳
图5:屏蔽防止辐射进入外壳

金属由于其导电性能是最好的屏蔽材料,因此金属外壳被认为是很好的电磁兼容/EMI保护材料。由于射频波通过塑料,塑料不利于屏蔽。金属的屏蔽效果取决于其厚度和射频发射频率。但是,一般说来,低碳钢比铝具有良好的屏蔽特性。

如图4和图5所示,理想的屏蔽是一个密封的盒子,具有最佳的性能。然而,在现实生活中,任何外壳都会有接缝(由于钣金设计)和用于显示、开关和电缆的开口。从辐射的角度看,这些叫做光圈。外壳的小孔会导致射频辐射的泄漏。当这些辐射泄漏降低到一个较低的水平时,才能获得最佳的EMC/EMI性能。

通常情况下,噪声场(由射频辐射产生)会在屏蔽体中产生电流,而这些电流又会在屏蔽体中产生额外的磁场。这些新字段在某些空格中取消了原来的字段。为了使这种消除发生,屏蔽电流必须允许在没有任何阻碍的情况下流动。图6显示了没有孔径时感应电流的流动情况,图7显示了有孔径时电流流动受到的扰动情况。

没有光阑时感应电流如何流动
图6:没有光阑时感应电流如何流动
当有孔径时,电流如何受到干扰
图7:有孔径时电流如何受到干扰

我们需要记住,大多数电子系统需要通风槽散热,这可能是EMC/EMI的一个问题。其中一种解决方案是通过一组孔洞来提供通风,这样可以使感应电流不受干扰地流动,如图8所示。

通过一组孔洞通风可以使感应电流不受干扰地流动
图。图8:通过孔簇通风允许诱导电流不受干扰

外壳中的另一个挑战是接缝。由于外壳由多个部分制成,接缝在金属罩外壳中是不可避免的。当部分通过铆钉或螺钉固定时,它们使接缝由于孔而泄漏。如果这些接缝必须进行防漏,需要完成三件事:

  1. 相邻部分应重叠。
  2. 铆钉和螺钉应尽可能接近以减少光圈效果。这是焊接有帮助的地方!
  3. 两个重叠的表面必须是导电的,为了更好地屏蔽,应该使用电磁干扰垫圈或电磁干扰手指。

设计师在电子封装中经常面临的一个挑战是,一个问题的解决方案会导致另一个问题(EMI/EMC vs散热)。然而,金属板外壳自然会带来EMC/EMI问题,而塑料外壳则对EMC/EMI构成了巨大挑战。

为了使塑料外壳满足EMC/EMI的需要,这些外壳必须是导电的。最普遍但昂贵的解决方案是在塑料外壳内涂上一层导电涂料,或用添加剂使塑料导电。其他的方法是化学镀或金属箔衬里,这两种方法都是昂贵和脆弱的。

另一种方法是将PCB组件封装在金属屏蔽层中,这样塑料外壳就不必进行EMC/EMI处理。这种方法在无线电产品中很流行,因为有时功率水平很高,需要包含在PCBA模块本身。pcb安装屏蔽可以定制设计,或准备使用屏蔽可以尝试。大多数Wi-Fi和蓝牙模块都带有防护罩,以减少外部辐射,它们的PCBA是屏蔽的,除了天线。

使产品符合EMC/ emi标准的最佳方法是遵循下面提到的六个步骤:

  1. 了解有关辐射方面的标准合规需求,并为安全边际增加3dB的预算。在认证过程中,仅仅满足限制是完美的,但由于制造过程可能会有变化,这可能会导致产品失败。
  2. 确保外壳设计良好,记住上述信息。但是如果使用现成的外壳,请确保选择正确的外壳。除了选择之外,还要按照供应商推荐的流程进行组装。(我记得我们曾使用pcb上的屏蔽作为EMI解决方案,产品通过了良好的边际限制。然而,在生产过程中,我们发现产品没有通过样品测试。我们在生产线上走了一圈,发现pcb上屏蔽的安装阶段有问题。由于PCB上孔的边缘误差,屏蔽板不易插入,技术人员正在用尼龙锤推动屏蔽板。这是一个完美的方法,但温和的尼龙锤击打开了护盾的接缝在侧面,导致辐射失效!在FCC认证的情况下,当你获得FCC注册号的符合性时,本质上意味着FCC可以从市场上取样并测试你的产品的辐射符合性。因此,EMC/EMI认证是一项相当紧张的工作。)
  3. 电子电路设计和PCB布局的设计原则是重要的,但相当紧张,不能在这里涵盖。
  4. 产品的第一个版本应该在实验室进行预扫描以获得测量结果。这将给出一个关于产品当前形式的故事。在下一个版本中,不需要花费太多的时间和精力就可以实现解决方案。
  5. 当扫描(预扫描和终扫描)通过围绕垂直Y轴旋转产品360°完成时,读数显示任何缝或孔相关的泄漏。有些实验室采用静态方式,将产品四面旋转90度。这有时会掩盖辐射问题,所以最好使用旋转工作台进行扫描。
  6. 从读数可以确定辐射泄漏的来源。正常频谱分析仪的读数在X轴上显示频率,在Y轴上显示辐射水平;角度必须由合规工程师和设计工程师手动观察。基于金属板外壳的设计可能会因为制造和设计错误而失败,比如辐射可能泄漏的拐角弯曲处的缝隙。最好的解决方案是在金属板外壳的顶部和底部有一个重叠,这也必须是导电(没有油漆/涂层)与未油漆重叠。为了更好地理解,图9显示了一个外壳的横截面。
外壳的横截面
图9:外壳的横截面

静电放电

当在一个人或物体上积累的10-15kV电荷通过电子产品放电时,发生静电放电。ESD永久损坏半导体。当大气湿度较小时,它的效果很高,但它永远无法避免。除非采取保护措施,否则产品可能会非常容易且静默地损坏。有两种方法可以保护产品免受ESD:

  1. 对外露的半导体输入端提供ESD保护。这些输入通常是连接器,这要求电路设计具有适当的ESD保护。这种保护装置称为瞬态电压抑制器。这样可以将ESD降低到安全水平,防止对半导体造成损坏。
  2. 确保机柜没有间隙,ESD可以通过这些间隙潜入,并且机柜正确接地,以充当出色的ESD屏蔽。虽然金属外壳具有良好的ESD屏蔽能力,但塑料柜却没那么幸运。具有讽刺意味的是,塑料机柜的EMC/EMI防护能力也很差,内部屏蔽对产品的安全至关重要。

通常,在大多数情况下,良好的EMC/EMI对策也应该适用于ESD。然而,在市电中不适当的接地有时会使产品成为ESD的受害者。防止电路板被ESD损坏的一个成功方法是在电路板边缘提供1-2mm宽的铜痕迹。(跟踪端不应连接成环路;它应是开口的,一端应与底盘接地连接。)其他吸引ESD的候选者是暴露的连接器引脚(特别是伯格棒)。用于微控制器编程的在线编程连接器通常是罪魁祸首。这些措施有助于ESD电压被转移到接地的痕迹,而不是损坏半导体。

大多数情况下,只有在产品设计过程中采取了所有预防措施并进行了测试后,才能实施ESD解决方案。然而,在某些应用中,ESD标准确实允许系统在启动后重新启动。但在医疗、航空电子和一些工业设备等关键任务领域,重启是不可能的。


作者拥有35年不同领域和全球客户的设计经验。这篇文章是基于他的书《电子包装导论——产品设计的非传统指南》的最后一章。

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