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构建低电磁干扰(EMI)关键步骤

[日期:2018-03-20T23:11:32] 来源:  作者:西安 赵德军 编译 [字体: ]

 

  电磁干扰(EleCTRomagnetIC Interference,EMI)是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音,EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。电磁干扰是人们早就发现的电磁现象,它几乎和电磁效应的现象同时被发现。1981年英国科学家发表“论干扰”的文章,标志着研究干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。
  
  本文探讨在微波暗室一致性测试之前,构建低电磁干扰(EMI)原型的关键步骤,包括设计低辐射的电路以及预兼容检测。预兼容检测,包括使用三维电磁场仿真软件对印刷电路板(PCB)版图模型,进行仿真及EMI分析,再使用频谱分析仪(SA)对原型PCB进行近场电磁扫描。最后,执行微波暗室测试验证设计。
  
  1.最低EMI电路设计
  
  要确保低辐射发射(RE),设计电路的原理图和PCB版图时,必须应用最佳实践经验,包括:供电回路、USB数据线、以太网等信号添加铁氧体磁珠以过滤E.MI。此外,供电回路上,适当放置充足数量的去耦合电容器,可以最大限度地减少电源分配网络阻抗,进而降低数字负载产生的噪声纹波幅度,并减少辐射风险。
  
  同时,优化开关电源的闭合回路补偿网络设计以实现稳定闭合回路,能够确保电压输出可控,并最大幄度地降低开关噪声敛波幅度。噪声纹波幅度降低可以显着抑制原型的EMI风险。
  
  高频或快上升,下降沿信号的PCB走线,应参考连续回路(例如参考地平面),以降EMI风险。走线不能经过任何分割平面和孔洞。如果信号需要通过过孔完成层间传输,紧邻信号过孔位置应放置至少一个接地过孔,作为信号电流,从接收端返回发射端的回流路径。
  
  如果没有适当的回流路径,返回电流可能在PCB中随意传输,成为潜在的EMI源。
  
  出色的接地方案也是最大限度降低EMJ的关键因素。所有PCB设计都必须避免接地回路,因为返回信号电流经过时,接地回路将形成辐射发射机。设计接地为宽参考面,可以构建出色的接地方案。不同电路组(例如射频、模拟和数字电路)的地平面应当物理隔离,并通过铁氧体磁珠建立电路连接,以帮助防止高频噪声在电路组之间传播。
  
  完成PCB版图设计后,应在PC机上执行仿真进行EMI分析,以便在制造前确保PCB具有较低的辐射发射风险。省略EMI仿真可能无法保证PCB的EMI性能,会导致重新设计。如果EMI仿真结果符合技术规范要求,设计人员即可开始PCB制造,然后使用频谱分析仪对原型PCB执行近场电磁扫描。EMI仿真和近场电磁扫描等预兼容检测,可以增加设计人员的信心,确信原型具有较低的EMI。完成预兼容检测后,被测器件即可执行实际微波暗室EMI-致性测试。
  
  2.仿真EMI分析
  
  完成PCB版图设计后,将版图文件导入EMPro2013.07执行3D EMI仿真。选择差分信号进行有限元法(FEM)三维电磁场仿真。三维电磁场仿真是设置电磁边界条件和模型网格尺寸,并求解麦克斯韦方程的过程。为确保仿真结果精度,边界尺寸应设为PCB厚度的8倍以上,网格尺寸应设为PCB宽度的1/5以下。运行三维电磁场的计算机需要配置16G以上的内存和100G以上的存储容量,以确保分析顺利进行。
  
  设置远场传感器捕获发射电磁场,并利用EMPro的EMI仿真模版计算远场发射功率,然后设置10m距离的电场探头,绘制频域响应图。再执行时域有限差分法(FDTD)模式的三维电磁场仿真,并与FEM模式的仿真结果进行对比。
  
  3.近场电磁测量
  
  制成并组装原型PCB后,使用频谱分析仪对原型进行近场电磁扫描。连接频谱分析仪的单匝线圈捕获原型发射的近区电磁场。
  
  400MHz附近时,出现最大功率强度(-66.4dBm)的尖峰。作为近区传感器的线圈在距离被测器件3英寸的范围内移动。30kHz的频谱分析仪分辨率带宽可以实现低本底噪声(-80dBm)测量,因此尖峰(不同离散频率的辐射)清晰可见。要增强原型通过微波暗室远场(3m和10m)EMI一致性测试的信心,近区功率峰值应低于-65dBm。
  
  4.EMI一致性测试
  
  下图是在微波暗室的3m远场EMI的一致性测试,其CISPR 11 A类最大辐射发射功率电平:30MHz~1GHz频率范围内低于56dBμV。在德科技(原安捷伦)EMC指南中规定的保护频段。400MHz和560MHz频率时,出现两个分别为38dBμV和37 dBμV的功率峰值,均低于最大阈值。

在微波暗室的3m远场EMI的一致性测试


  
  低EMI电路设计和预兼容检测(例如三维EMI仿真和近场电磁扫描)十分重要,可以避免不必要的PCB重新制造,节省开发成本和时间,并且能够缩短微波暗室EMI一致性测试时间,确保电子器件按时甚至提前投放市场。


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