探討電磁兼容EMC設計及測試技巧
發布時間:2011-07-29
中心議題:
當(dang)前(qian),日(ri)益(yi)惡(e)化(hua)的(de)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing),使(shi)我(wo)們(men)逐(zhu)漸(jian)關(guan)注(zhu)設(she)備(bei)的(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing),日(ri)益(yi)關(guan)注(zhu)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)影(ying)響(xiang),從(cong)設(she)計(ji)開(kai)始(shi),融(rong)入(ru)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)設(she)計(ji),使(shi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)更(geng)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)作(zuo)。
電磁兼容設計主要包含浪湧(衝擊)抗擾度、振鈴波浪湧抗擾度、電快速瞬變脈衝群抗擾度、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈衝磁場抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場感應的傳導抗擾度等相關設計。
電磁幹擾的主要形式
電磁幹擾主要是通過傳導和輻射方式進入係統,影響係統工作,其他的方式還有共阻抗耦合和感應耦合。
傳導:傳導耦合即通過導電媒質將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上,屬頻率較低的部分(低於30MHz)。在我們的產品中傳導耦合的途徑通常包括電源線、信號線、互連線、接地導體等。
輻射:通過空間將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上,屬頻率較高的部分(高於30MHz)。輻射的途徑通過空間傳遞,在我們電路中引入和產生的輻射幹擾主要是各種導線形成的天線效應。
共阻抗耦合:當兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時出現的相互幹擾。在電源線和接地導體上傳導的騷擾電流,多以這種方式引入到敏感電路。
感應耦合:通過互感原理,將在一條回路裏傳輸的電信號,感應到另一條回路對其造成幹擾。分為電感應和磁感應兩種。
對這幾種途徑產生的幹擾我們應采用的相應對策:傳導采取濾波(如我們設計中每個IC的片頭電容就是起濾波作用),輻射幹擾采用減少天線效應(如信號貼近地線走)、屏蔽和接地等措施,就能夠大大提高產品的抵抗電磁幹擾的能力,也可以有效的降低對外界的電磁幹擾。
電磁兼容設計
對dui於yu一yi個ge新xin項xiang目mu的de研yan發fa設she計ji過guo程cheng,電dian磁ci兼jian容rong設she計ji需xu要yao貫guan穿chuan整zheng個ge過guo程cheng,在zai設she計ji中zhong考kao慮lv到dao電dian磁ci兼jian容rong方fang麵mian的de設she計ji,才cai不bu致zhi於yu返fan工gong,避bi免mian重zhong複fu研yan發fa,可ke以yi縮suo短duan整zheng個ge產chan品pin的de上shang市shi時shi間jian,提ti高gao企qi業ye的de效xiao益yi。
一個項目從研發到投向市場需要經過需求分析、項目立項、項目概要設計、項目詳細設計、樣品試製、功能測試、電磁兼容測試、項目投產、投向市場等幾個階段。
在需求分析階段,要進行產品市場分析、現xian場chang調tiao研yan,挖wa掘jue對dui項xiang目mu有you用yong信xin息xi,整zheng合he項xiang目mu發fa展zhan前qian景jing,詳xiang細xi整zheng理li項xiang目mu產chan品pin工gong作zuo環huan境jing,實shi地di考kao察cha安an裝zhuang位wei置zhi,是shi否fou對dui安an裝zhuang有you所suo限xian製zhi空kong間jian,工gong作zuo環huan境jing是shi否fou特te殊shu,是shi否fou有you腐fu蝕shi、潮濕、高gao溫wen等deng,周zhou圍wei設she備bei的de工gong作zuo情qing況kuang,是shi否fou有you惡e劣lie的de電dian磁ci環huan境jing,是shi否fou受shou限xian與yu其qi他ta設she備bei,產chan品pin的de研yan製zhi成cheng功gong能neng否fou大da大da提ti高gao生sheng產chan效xiao率lv,或huo者zhe能neng否fou給gei人ren們men的de生sheng活huo或huo工gong作zuo環huan境jing帶dai來lai很hen大da的de方fang便bian,操cao作zuo使shi用yong方fang式shi能neng否fou容rong易yi被bei人ren們men所suo接jie受shou,這zhe就jiu要yao求qiu項xiang目mu產chan品pin要yao滿man足zu現xian場chang功gong能neng需xu要yao、易於操作等,最後要整理詳細的需求分析報告,以供需求評審。
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經過企業內部相關負責人的評審之後,完善需求分析報告,然後是項目立項,項目立項需要組建項目組,把軟件、硬件、結構、測試等人員安排到項目組中,分配各自的職責。項目開發的下一階段是項目概要設計,將項目分解成多個功能模塊,運用WBS分fen解jie結jie構gou對dui項xiang目mu進jin行xing功gong能neng分fen解jie細xi化hua,根gen據ju工gong作zuo量liang安an排pai時shi間jian,安an排pai具ju體ti人ren員yuan。整zheng理li項xiang目mu概gai要yao設she計ji報bao告gao,總zong體ti對dui項xiang目mu進jin行xing評ping估gu,確que定ding使shi用yong電dian源yuan類lei型xing,電dian源yuan分fen布bu情qing況kuang,電dian源yuan隔ge離li濾lv波bo方fang式shi,係xi統tong接jie地di方fang式shi,產chan品pin屏ping蔽bi,產chan品pin結jie構gou采cai用yong屏ping蔽bi設she計ji,采cai用yong屏ping蔽bi機ji箱xiang機ji殼ke,分fen析xi信xin號hao類lei型xing,對dui雷lei電dian、靜電、群脈衝等幹擾采取防護措施。
chanpingaiyaoshejibaogaochulaihouyaojingguoxiangguanrenyuanpingshen,fenxishixianfangshishifouheli,shishifanganshifoukexing,youpingshenrenyuangeichupingshenbaogao,xiangmuzujiehepingshenbaogaoduigaiyaoshejijinxingxiugaihou,jinruchanpinxiangxishejijieduan,zhejieduandeneirongbaokuoyuanlitusheji、PCB設計、PCB采購及焊接、軟件編寫、功gong能neng調tiao試shi等deng過guo程cheng,原yuan理li圖tu設she計ji應ying考kao慮lv到dao電dian磁ci兼jian容rong方fang麵mian的de影ying響xiang,對dui板ban級ji電dian源yuan增zeng加jia濾lv波bo電dian容rong,對dui信xin號hao的de接jie口kou部bu分fen增zeng加jia濾lv波bo電dian路lu,根gen據ju信xin號hao類lei型xing,選xuan擇ze合he適shi的de濾lv波bo電dian路lu,若ruo信xin號hao為wei低di頻pin型xing號hao,應ying選xuan擇ze低di通tong濾lv波bo電dian路lu,計ji算suan合he適shi的de截jie至zhi頻pin率lv,選xuan擇ze對dui應ying的de電dian阻zu、電容等。另對接口部分設計大電流泄放回路,設置防雷器件,做到第三級的防雷。
一、元器件選型
我們常用的電子器件主要包括有源器件和無源器件兩種類型,有源器件主要指IC和模塊電路等器件,無源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下麵分別對這兩種類型元件的選型、在電磁兼容方麵要考慮的問題做一些介紹。
有源器件EMC選型
工作電壓寬的EMC特性好,工作電壓低的EMC特性好,在設計允許的範圍內延時大(通常所說的速度慢)特性好一些,靜態電流小、功耗小的比大的特性好,貼片封裝的器件的EMC性能好於插裝器件。
無源器件選型
無源器件在我們的應用中通常包括電阻、電容、電感等,對於無源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數。
無wu源yuan器qi件jian在zai某mou些xie頻pin率lv下xia,會hui表biao現xian出chu不bu同tong特te性xing,一yi些xie電dian阻zu在zai高gao頻pin時shi擁yong有you電dian感gan的de特te性xing,如ru線xian繞rao電dian阻zu,電dian解jie電dian容rong的de低di頻pin特te性xing好hao,高gao頻pin特te性xing差cha,而er薄bo膜mo電dian容rong和he瓷ci片pian電dian容rong高gao頻pin特te性xing較jiao好hao,但dan通tong常chang容rong量liang較jiao小xiao。考kao慮lv溫wen度du對dui元yuan器qi件jian的de影ying響xiang,根gen據ju設she計ji原yuan理li,選xuan用yong各ge種zhong溫wen度du特te性xing的de器qi件jian。
二、印製板設計
yinzhibanshejishi,yaokaolvdaoganraoduixitongdeyingxiang,jiangdianludemonibufenheshuzibufendedianluyangefenkai,duihexindianluzhongdianfanghu,jiangxitongdixianhuanrao,bingbuxianjinkenengcu,dianyuanzengjialvbodianlu,caiyongDC-DC隔離,信號采用光電隔離,設計隔離電源,分析容易產生幹擾的部分(如時鍾電路、通訊電路等)和容易被幹擾的部分(如模擬采樣電路等),對dui這zhe兩liang種zhong類lei型xing的de電dian路lu分fen別bie采cai取qu措cuo施shi。對dui於yu幹gan擾rao元yuan件jian采cai取qu抑yi製zhi措cuo施shi,對dui敏min感gan元yuan件jian采cai取qu隔ge離li和he保bao護hu措cuo施shi,並bing且qie將jiang它ta們men在zai空kong間jian和he電dian氣qi上shang拉la開kai距ju離li。在zai板ban級ji設she計ji時shi,還hai要yao注zhu意yi元yuan器qi件jian放fang置zhi要yao遠yuan離li印yin製zhi板ban邊bian沿yan,這zhe對dui防fang護hu空kong氣qi放fang電dian是shi有you利li的de。
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采樣電路的原理圖設計參見圖1:
圖1:采樣電路設計
dianludehelibujukeyijiangdiganrao,tigaodiancijianrongxingneng。anzhaodianludegongnenghuafenruogangegongnengmokuai,fenximeigemokuaideganraoyuanyuminganxinhao,yibianjinxingteshuchuli。
印製板布線時,需要注意以下幾個方麵:
1、保bao持chi環huan路lu麵mian積ji最zui小xiao,例li如ru電dian源yuan與yu地di之zhi間jian形xing成cheng的de環huan路lu,減jian小xiao環huan路lu麵mian積ji,將jiang減jian小xiao電dian磁ci幹gan擾rao在zai此ci回hui路lu上shang的de感gan應ying電dian流liu,電dian源yuan線xian盡jin可ke能neng靠kao近jin地di線xian,以yi減jian小xiao差cha模mo輻fu射she的de環huan麵mian積ji,降jiang低di幹gan擾rao對dui係xi統tong的de影ying響xiang,提ti高gao係xi統tong的de抗kang幹gan擾rao性xing能neng。並bing聯lian的de導dao線xian緊jin緊jin放fang在zai一yi起qi,使shi用yong一yi條tiao粗cu導dao線xian進jin行xing連lian接jie,信xin號hao線xian緊jin挨ai地di平ping麵mian布bu線xian可ke以yi降jiang低di幹gan擾rao。電dian源yuan與yu地di之zhi間jian增zeng加jia高gao頻pin濾lv波bo電dian容rong。
2、使導線長度盡可能的縮短,減小了印製板的麵積,降低導線上的幹擾。
3、采用完整的地平麵設計,采用多層板設計,鋪設地層,便於幹擾信號泄放。
4、使電子元件遠離可能會發生放電的平麵如機箱麵板、把手、螺釘等,保持機殼與地良好接觸,為幹擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理,降低幹擾。
5、盡量采用貼片元器件,貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。
6、模擬地與數字地在PCB與外界連接處進行一點接地。
7、gaosuluojidianluyingkaojinlianjieqibianyuan,disuluojidianluhecunchuqizeyingbuzhizaiyuanlilianjieqichu,zhongsuluojidianluzebuzhizaigaosuluojidianluhedisuluojidianluzhijian。
8、電路板上的印製線寬度不要突變,拐角應采用圓弧形,不要直角或尖角。
9、時鍾線、信號線也盡可能靠近地線,並且走線不要過長,以減小回路的環麵積。
三、係統布線設計
印製板設計出來後,進行試製,焊接調試,係統裝機,考慮電磁兼容設計因素,機櫃結構、線纜設計需要注意以下幾個方麵:
1、機櫃選用電磁屏蔽櫃,具有良好的屏蔽性能,很好地對係統進行屏蔽,降低外界電磁幹擾對係統的影響。
2、總電源進線選用屏蔽電源線,並加磁環,屏蔽層在進入機櫃處360度接地。
3、對係統外部信號線選用屏蔽線,屏蔽層機櫃入口處良好接地。
4、設備外殼就近接機櫃,避免交叉。
5、係統設置隔離變壓器和ups,保證係統供應純淨電源。
6、嚴格將電源線和信號線分開,設備外殼的各個麵之間和各個板子麵板之間要良好接觸,接觸電阻要小於0.4歐,越小越好,保證設備外殼良好接大地,這樣在有靜電釋放時,不會影響到係統的正常工作。
四、係統接地設計
接地是最有效的抑製騷擾源的方法,可解決50%的EMC問題。係統基準地與大地相連,可抑製電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地,還可以提供靜電電荷的泄漏通路,防止靜電積累。
1、地線的概念
安全接地 包括保護接地和防雷接地。
保護接地 為產品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道;
防雷接地 提供泄放大電流的通路;
參考接地 為產品穩定可靠工作提供參考電平,為電源和信號提供基準電位。
安an全quan接jie地di是shi為wei了le當dang出chu現xian一yi些xie電dian氣qi異yi常chang時shi,為wei大da電dian流liu和he高gao電dian壓ya提ti供gong一yi個ge泄xie放fang的de回hui路lu,主zhu要yao是shi對dui電dian路lu的de一yi種zhong保bao護hu措cuo施shi。參can考kao地di主zhu要yao是shi信xin號hao地di和he電dian源yuan地di,是shi保bao證zheng電dian路lu實shi現xian功gong能neng的de基ji礎chu。
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2、接地方式
懸浮接地 對(dui)一(yi)個(ge)獨(du)立(li)的(de)與(yu)外(wai)部(bu)沒(mei)有(you)接(jie)口(kou)的(de)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)一(yi)般(ban)也(ye)沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)問(wen)題(ti),但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)該(gai)係(xi)統(tong)與(yu)其(qi)他(ta)的(de)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)存(cun)著(zhe)接(jie)口(kou)如(ru)通(tong)訊(xun)口(kou)和(he)采(cai)樣(yang)線(xian),那(na)麼(me)懸(xuan)浮(fu)接(jie)地(di)很(hen)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)靜(jing)電(dian)和(he)雷(lei)擊(ji)的(de)影(ying)響(xiang),所(suo)以(yi)一(yi)般(ban)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)大(da)多(duo)不(bu)采(cai)用(yong)懸(xuan)浮(fu)接(jie)地(di)。
單點接地 當f<1MHz時可以選擇單點接地,可分為並聯單點接地和多級電路串聯單點接地兩種。
並聯單點接地:每個電路模塊都接到一個單點地上,每個單元在同一點與參考點相連。
多級電路的串聯單點接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,形成一個公共點,然後將每一個公共點連接到單點地。
多點接地 當f>10MHz時會采用多點接地。 設備中的電路都就近以接地母線為參考點。
dandianjiedigedianlujiezaitongyidian,tigonggonggongdianweicankaodian,meiyougongzukangouhehedipindihuanlu,danduigaopinxinhaocunzaijiaodadedizukang。duodianjiediweijiujinjiedi,meitiaodixiankeyihenduan,tigongjiaodijiedizukang。1MHz~10MHz可根據實際需要選用哪種接地方法。
混合接地 是綜合單點接地與多點接地的優點,對係統中的低頻部分采用單點接地,對係統中高頻部分采用多點接地。
信號線屏蔽接地 有(you)高(gao)頻(pin)和(he)低(di)頻(pin)之(zhi)分(fen),高(gao)頻(pin)采(cai)用(yong)多(duo)點(dian)接(jie)地(di),低(di)頻(pin)電(dian)纜(lan)采(cai)用(yong)單(dan)點(dian)接(jie)地(di)。低(di)頻(pin)電(dian)場(chang)屏(ping)蔽(bi)要(yao)求(qiu)在(zai)接(jie)收(shou)端(duan)單(dan)點(dian)接(jie)地(di),低(di)頻(pin)磁(ci)場(chang)屏(ping)蔽(bi)要(yao)求(qiu)在(zai)兩(liang)端(duan)接(jie)地(di)。多(duo)點(dian)接(jie)地(di),除(chu)在(zai)兩(liang)端(duan)接(jie)地(di)外(wai),並(bing)以(yi)3/20或1/10工作波長的間隔接地。
係xi統tong做zuo到dao良liang好hao接jie地di,才cai能neng有you效xiao的de抑yi製zhi電dian磁ci幹gan擾rao,一yi個ge大da的de係xi統tong機ji櫃gui首shou先xian要yao保bao證zheng每mei個ge麵mian接jie觸chu良liang好hao,接jie觸chu緊jin湊cou,其qi次ci是shi機ji櫃gui內nei部bu設she備bei要yao就jiu近jin接jie地di,避bi免mian二er次ci幹gan擾rao,就jiu近jin泄xie放fang電dian磁ci幹gan擾rao。接jie口kou屏ping蔽bi線xian要yao進jin行xing環huan接jie,再zai就jiu近jin接jie機ji架jia。機ji櫃gui下xia方fang設she置zhi接jie地di銅tong排pai,係xi統tong總zong地di線xian選xuan用yong銅tong帶dai比bi較jiao好hao,對dui電dian磁ci幹gan擾rao進jin行xing很hen好hao的de泄xie放fang,保bao證zheng了le係xi統tong的de正zheng常chang運yun行xing。
電磁兼容測試
係統功能測試,滿足現場功能需要後,進行電磁兼容測試,電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈衝、浪湧、射頻場傳導等
1、靜電抗擾度檢測
canyulejigexiangmudejingdiankangraodujiance,duijingdianyouyidingrenshi。jingdianfenweijiechufangdianhekongqifangdian,jingdianshijileidegaoya,dangjiechudaoshebeidejinshuwaikeshihuishunjianfangdian,huiyingxiangdaodianzishebeidezhengchanggongzuo,kenengyinqishebeiguzhanghuozhongqi,zaianquanxingyaoqiujiaohaodechanghezheshibuyunxude。
靜電會影響顯示效果,可能出現顯示閃爍或黑屏,影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常,程序死機或重啟。
ruguozaichanpinxiangxishejijieduancaiyongdiancijianrongdexiangguansheji,zuojingdianshiyanbubiguofendanxin,tongguosheji,duijingdianjileidedianhejinxinglianghaodexiefang,buhuiyingxiangxitongdezhengchanggongzuo。
2、電快速瞬變脈衝群抗擾度檢測
電快速瞬變脈衝群是一係列的高頻高壓瞬變脈衝施加在設備上,觀察設備是否受到其影響。防護群脈衝主要的方法是“疏導”“堵”,“疏導”就是提供泄放回路,是幹擾在進入係統之前,泄放至大地,良好的屏蔽層接地,可以泄放大部分動幹擾,“堵”shishiqunmaichonglvchuzaishebeizhiwai,zengjiacihuan,xiaoguomingxian,fengbicihuandexiaoguohaoyuduikoucihuan,yekeyijiangcihuanjiarudaobanjizhong,gudingzaiyinzhibanzhong,zheyangshishebeigengkekao。
對電源線、信號線、通訊線兩端增加磁環,可以對群脈衝幹擾進行防護。
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3、雷擊浪湧檢測
雷擊浪湧主要包含兩個方麵,一個是電源防雷,一個是信號防雷。
電源防雷主要是針對係統級而言的,係統級設計要按照三級防雷設計,總電源進入端設置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH 385),keyiduixitongdedianyuanjinxingyijifanghu,dianyuanjingguodianyuanfangleihou,jinrugelibianyaqi,gelibianyaqikeyiduidianciganraoxinhaojinxingjiaohaodefanghu,yizhiqiduixitongdeyingxiang。houjinruUPS,UPS可以濾除一部分幹擾信號,這樣電源再進入係統設備,電源是一種純淨的電源,可以使係統更好、更可靠的工作。
圖2:係統電源部分設計示例。
信號防雷是對係統的信號通路進行防護,主要涉及的是板級設計,在板級設計中增加防雷器件,如氣體放電管,增加TVS泄放回路,當有大電流時通過配套電阻和TVS、氣(qi)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)泄(xie)放(fang),對(dui)後(hou)級(ji)電(dian)路(lu)起(qi)到(dao)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)。而(er)後(hou)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)光(guang)電(dian)隔(ge)離(li),再(zai)進(jin)入(ru)係(xi)統(tong),係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)采(cai)集(ji)到(dao)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)信(xin)號(hao),使(shi)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)分(fen)析(xi)判(pan)斷(duan),正(zheng)常(chang)發(fa)出(chu)指(zhi)令(ling),正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)就(jiu)是(shi)設(she)計(ji)較(jiao)寬(kuan)的(de)信(xin)號(hao)範(fan)圍(wei),信(xin)號(hao)正(zheng)常(chang)波(bo)動(dong)時(shi),係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。
4、射頻場感應傳導的抗擾度檢測
射感試驗可能會對顯示信號、采集驅動等造成影響,可能使顯示閃爍或黑屏,影響設備操作,可能使采集驅動工作異常,采集不到需要的信號,無法驅動現場設備。
射頻試驗是0.15k~80M頻率範圍內對信號線、電源進行幹擾,3級強度是10V/m。
射感防護的原則是將電源、信號線的屏蔽做好,屏蔽層良好接地,選擇合適頻率進行濾波,將幹擾濾除。
5、輻射發射檢測、射頻場輻射抗擾度檢測
該測試主要是測試係統的抗射頻信號及整體屏蔽性能,隻要係統做好良好的屏蔽,係統地線接地良好,係統就可以通過檢測。
通過相關電磁兼容測試,產品就可以推向市場,進行試運行了,對試運行中出現的問題,進行彙總,以備產品的改進。
電dian子zi產chan品pin滿man足zu相xiang關guan的de電dian磁ci兼jian容rong測ce試shi標biao準zhun,通tong過guo測ce試shi,才cai可ke以yi推tui向xiang市shi場chang,用yong戶hu才cai能neng放fang心xin使shi用yong,極ji大da地di減jian小xiao因yin電dian磁ci幹gan擾rao發fa生sheng的de事shi故gu,對dui企qi業ye的de效xiao益yi、產品的推廣起到積極的作用。
6、總結
本文是針對當前嚴峻的電磁環境,分析了電磁幹擾的來源,通過產品開發流程的分解,融入電磁兼容設計,從原理圖設計、PCB設計、元器件選型、係統布線、係統接地等方麵逐步分析,總結概括電磁兼容設計要點,最後,介紹了電磁兼容測試的相關內容。相信讀者能從中獲取有用的信息。
- 探討電磁兼容EMC設計
- 分析電磁兼容EMC測試技巧
- 設計從元器件選型、印製板設計等的角度考慮
- 測試采用靜電抗擾度檢測等的方法
當(dang)前(qian),日(ri)益(yi)惡(e)化(hua)的(de)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing),使(shi)我(wo)們(men)逐(zhu)漸(jian)關(guan)注(zhu)設(she)備(bei)的(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing),日(ri)益(yi)關(guan)注(zhu)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)影(ying)響(xiang),從(cong)設(she)計(ji)開(kai)始(shi),融(rong)入(ru)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)設(she)計(ji),使(shi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)更(geng)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)作(zuo)。
電磁兼容設計主要包含浪湧(衝擊)抗擾度、振鈴波浪湧抗擾度、電快速瞬變脈衝群抗擾度、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈衝磁場抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場感應的傳導抗擾度等相關設計。
電磁幹擾的主要形式
電磁幹擾主要是通過傳導和輻射方式進入係統,影響係統工作,其他的方式還有共阻抗耦合和感應耦合。
傳導:傳導耦合即通過導電媒質將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上,屬頻率較低的部分(低於30MHz)。在我們的產品中傳導耦合的途徑通常包括電源線、信號線、互連線、接地導體等。
輻射:通過空間將一個電網絡上的騷擾耦合到另一個電網絡上,屬頻率較高的部分(高於30MHz)。輻射的途徑通過空間傳遞,在我們電路中引入和產生的輻射幹擾主要是各種導線形成的天線效應。
共阻抗耦合:當兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時出現的相互幹擾。在電源線和接地導體上傳導的騷擾電流,多以這種方式引入到敏感電路。
感應耦合:通過互感原理,將在一條回路裏傳輸的電信號,感應到另一條回路對其造成幹擾。分為電感應和磁感應兩種。
對這幾種途徑產生的幹擾我們應采用的相應對策:傳導采取濾波(如我們設計中每個IC的片頭電容就是起濾波作用),輻射幹擾采用減少天線效應(如信號貼近地線走)、屏蔽和接地等措施,就能夠大大提高產品的抵抗電磁幹擾的能力,也可以有效的降低對外界的電磁幹擾。
電磁兼容設計
對dui於yu一yi個ge新xin項xiang目mu的de研yan發fa設she計ji過guo程cheng,電dian磁ci兼jian容rong設she計ji需xu要yao貫guan穿chuan整zheng個ge過guo程cheng,在zai設she計ji中zhong考kao慮lv到dao電dian磁ci兼jian容rong方fang麵mian的de設she計ji,才cai不bu致zhi於yu返fan工gong,避bi免mian重zhong複fu研yan發fa,可ke以yi縮suo短duan整zheng個ge產chan品pin的de上shang市shi時shi間jian,提ti高gao企qi業ye的de效xiao益yi。
一個項目從研發到投向市場需要經過需求分析、項目立項、項目概要設計、項目詳細設計、樣品試製、功能測試、電磁兼容測試、項目投產、投向市場等幾個階段。
在需求分析階段,要進行產品市場分析、現xian場chang調tiao研yan,挖wa掘jue對dui項xiang目mu有you用yong信xin息xi,整zheng合he項xiang目mu發fa展zhan前qian景jing,詳xiang細xi整zheng理li項xiang目mu產chan品pin工gong作zuo環huan境jing,實shi地di考kao察cha安an裝zhuang位wei置zhi,是shi否fou對dui安an裝zhuang有you所suo限xian製zhi空kong間jian,工gong作zuo環huan境jing是shi否fou特te殊shu,是shi否fou有you腐fu蝕shi、潮濕、高gao溫wen等deng,周zhou圍wei設she備bei的de工gong作zuo情qing況kuang,是shi否fou有you惡e劣lie的de電dian磁ci環huan境jing,是shi否fou受shou限xian與yu其qi他ta設she備bei,產chan品pin的de研yan製zhi成cheng功gong能neng否fou大da大da提ti高gao生sheng產chan效xiao率lv,或huo者zhe能neng否fou給gei人ren們men的de生sheng活huo或huo工gong作zuo環huan境jing帶dai來lai很hen大da的de方fang便bian,操cao作zuo使shi用yong方fang式shi能neng否fou容rong易yi被bei人ren們men所suo接jie受shou,這zhe就jiu要yao求qiu項xiang目mu產chan品pin要yao滿man足zu現xian場chang功gong能neng需xu要yao、易於操作等,最後要整理詳細的需求分析報告,以供需求評審。
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經過企業內部相關負責人的評審之後,完善需求分析報告,然後是項目立項,項目立項需要組建項目組,把軟件、硬件、結構、測試等人員安排到項目組中,分配各自的職責。項目開發的下一階段是項目概要設計,將項目分解成多個功能模塊,運用WBS分fen解jie結jie構gou對dui項xiang目mu進jin行xing功gong能neng分fen解jie細xi化hua,根gen據ju工gong作zuo量liang安an排pai時shi間jian,安an排pai具ju體ti人ren員yuan。整zheng理li項xiang目mu概gai要yao設she計ji報bao告gao,總zong體ti對dui項xiang目mu進jin行xing評ping估gu,確que定ding使shi用yong電dian源yuan類lei型xing,電dian源yuan分fen布bu情qing況kuang,電dian源yuan隔ge離li濾lv波bo方fang式shi,係xi統tong接jie地di方fang式shi,產chan品pin屏ping蔽bi,產chan品pin結jie構gou采cai用yong屏ping蔽bi設she計ji,采cai用yong屏ping蔽bi機ji箱xiang機ji殼ke,分fen析xi信xin號hao類lei型xing,對dui雷lei電dian、靜電、群脈衝等幹擾采取防護措施。
chanpingaiyaoshejibaogaochulaihouyaojingguoxiangguanrenyuanpingshen,fenxishixianfangshishifouheli,shishifanganshifoukexing,youpingshenrenyuangeichupingshenbaogao,xiangmuzujiehepingshenbaogaoduigaiyaoshejijinxingxiugaihou,jinruchanpinxiangxishejijieduan,zhejieduandeneirongbaokuoyuanlitusheji、PCB設計、PCB采購及焊接、軟件編寫、功gong能neng調tiao試shi等deng過guo程cheng,原yuan理li圖tu設she計ji應ying考kao慮lv到dao電dian磁ci兼jian容rong方fang麵mian的de影ying響xiang,對dui板ban級ji電dian源yuan增zeng加jia濾lv波bo電dian容rong,對dui信xin號hao的de接jie口kou部bu分fen增zeng加jia濾lv波bo電dian路lu,根gen據ju信xin號hao類lei型xing,選xuan擇ze合he適shi的de濾lv波bo電dian路lu,若ruo信xin號hao為wei低di頻pin型xing號hao,應ying選xuan擇ze低di通tong濾lv波bo電dian路lu,計ji算suan合he適shi的de截jie至zhi頻pin率lv,選xuan擇ze對dui應ying的de電dian阻zu、電容等。另對接口部分設計大電流泄放回路,設置防雷器件,做到第三級的防雷。
一、元器件選型
我們常用的電子器件主要包括有源器件和無源器件兩種類型,有源器件主要指IC和模塊電路等器件,無源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下麵分別對這兩種類型元件的選型、在電磁兼容方麵要考慮的問題做一些介紹。
有源器件EMC選型
工作電壓寬的EMC特性好,工作電壓低的EMC特性好,在設計允許的範圍內延時大(通常所說的速度慢)特性好一些,靜態電流小、功耗小的比大的特性好,貼片封裝的器件的EMC性能好於插裝器件。
無源器件選型
無源器件在我們的應用中通常包括電阻、電容、電感等,對於無源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數。
無wu源yuan器qi件jian在zai某mou些xie頻pin率lv下xia,會hui表biao現xian出chu不bu同tong特te性xing,一yi些xie電dian阻zu在zai高gao頻pin時shi擁yong有you電dian感gan的de特te性xing,如ru線xian繞rao電dian阻zu,電dian解jie電dian容rong的de低di頻pin特te性xing好hao,高gao頻pin特te性xing差cha,而er薄bo膜mo電dian容rong和he瓷ci片pian電dian容rong高gao頻pin特te性xing較jiao好hao,但dan通tong常chang容rong量liang較jiao小xiao。考kao慮lv溫wen度du對dui元yuan器qi件jian的de影ying響xiang,根gen據ju設she計ji原yuan理li,選xuan用yong各ge種zhong溫wen度du特te性xing的de器qi件jian。
二、印製板設計
yinzhibanshejishi,yaokaolvdaoganraoduixitongdeyingxiang,jiangdianludemonibufenheshuzibufendedianluyangefenkai,duihexindianluzhongdianfanghu,jiangxitongdixianhuanrao,bingbuxianjinkenengcu,dianyuanzengjialvbodianlu,caiyongDC-DC隔離,信號采用光電隔離,設計隔離電源,分析容易產生幹擾的部分(如時鍾電路、通訊電路等)和容易被幹擾的部分(如模擬采樣電路等),對dui這zhe兩liang種zhong類lei型xing的de電dian路lu分fen別bie采cai取qu措cuo施shi。對dui於yu幹gan擾rao元yuan件jian采cai取qu抑yi製zhi措cuo施shi,對dui敏min感gan元yuan件jian采cai取qu隔ge離li和he保bao護hu措cuo施shi,並bing且qie將jiang它ta們men在zai空kong間jian和he電dian氣qi上shang拉la開kai距ju離li。在zai板ban級ji設she計ji時shi,還hai要yao注zhu意yi元yuan器qi件jian放fang置zhi要yao遠yuan離li印yin製zhi板ban邊bian沿yan,這zhe對dui防fang護hu空kong氣qi放fang電dian是shi有you利li的de。
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采樣電路的原理圖設計參見圖1:

圖1:采樣電路設計
dianludehelibujukeyijiangdiganrao,tigaodiancijianrongxingneng。anzhaodianludegongnenghuafenruogangegongnengmokuai,fenximeigemokuaideganraoyuanyuminganxinhao,yibianjinxingteshuchuli。
印製板布線時,需要注意以下幾個方麵:
1、保bao持chi環huan路lu麵mian積ji最zui小xiao,例li如ru電dian源yuan與yu地di之zhi間jian形xing成cheng的de環huan路lu,減jian小xiao環huan路lu麵mian積ji,將jiang減jian小xiao電dian磁ci幹gan擾rao在zai此ci回hui路lu上shang的de感gan應ying電dian流liu,電dian源yuan線xian盡jin可ke能neng靠kao近jin地di線xian,以yi減jian小xiao差cha模mo輻fu射she的de環huan麵mian積ji,降jiang低di幹gan擾rao對dui係xi統tong的de影ying響xiang,提ti高gao係xi統tong的de抗kang幹gan擾rao性xing能neng。並bing聯lian的de導dao線xian緊jin緊jin放fang在zai一yi起qi,使shi用yong一yi條tiao粗cu導dao線xian進jin行xing連lian接jie,信xin號hao線xian緊jin挨ai地di平ping麵mian布bu線xian可ke以yi降jiang低di幹gan擾rao。電dian源yuan與yu地di之zhi間jian增zeng加jia高gao頻pin濾lv波bo電dian容rong。
2、使導線長度盡可能的縮短,減小了印製板的麵積,降低導線上的幹擾。
3、采用完整的地平麵設計,采用多層板設計,鋪設地層,便於幹擾信號泄放。
4、使電子元件遠離可能會發生放電的平麵如機箱麵板、把手、螺釘等,保持機殼與地良好接觸,為幹擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理,降低幹擾。
5、盡量采用貼片元器件,貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。
6、模擬地與數字地在PCB與外界連接處進行一點接地。
7、gaosuluojidianluyingkaojinlianjieqibianyuan,disuluojidianluhecunchuqizeyingbuzhizaiyuanlilianjieqichu,zhongsuluojidianluzebuzhizaigaosuluojidianluhedisuluojidianluzhijian。
8、電路板上的印製線寬度不要突變,拐角應采用圓弧形,不要直角或尖角。
9、時鍾線、信號線也盡可能靠近地線,並且走線不要過長,以減小回路的環麵積。
三、係統布線設計
印製板設計出來後,進行試製,焊接調試,係統裝機,考慮電磁兼容設計因素,機櫃結構、線纜設計需要注意以下幾個方麵:
1、機櫃選用電磁屏蔽櫃,具有良好的屏蔽性能,很好地對係統進行屏蔽,降低外界電磁幹擾對係統的影響。
2、總電源進線選用屏蔽電源線,並加磁環,屏蔽層在進入機櫃處360度接地。
3、對係統外部信號線選用屏蔽線,屏蔽層機櫃入口處良好接地。
4、設備外殼就近接機櫃,避免交叉。
5、係統設置隔離變壓器和ups,保證係統供應純淨電源。
6、嚴格將電源線和信號線分開,設備外殼的各個麵之間和各個板子麵板之間要良好接觸,接觸電阻要小於0.4歐,越小越好,保證設備外殼良好接大地,這樣在有靜電釋放時,不會影響到係統的正常工作。
四、係統接地設計
接地是最有效的抑製騷擾源的方法,可解決50%的EMC問題。係統基準地與大地相連,可抑製電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地,還可以提供靜電電荷的泄漏通路,防止靜電積累。
1、地線的概念
安全接地 包括保護接地和防雷接地。
保護接地 為產品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道;
防雷接地 提供泄放大電流的通路;
參考接地 為產品穩定可靠工作提供參考電平,為電源和信號提供基準電位。
安an全quan接jie地di是shi為wei了le當dang出chu現xian一yi些xie電dian氣qi異yi常chang時shi,為wei大da電dian流liu和he高gao電dian壓ya提ti供gong一yi個ge泄xie放fang的de回hui路lu,主zhu要yao是shi對dui電dian路lu的de一yi種zhong保bao護hu措cuo施shi。參can考kao地di主zhu要yao是shi信xin號hao地di和he電dian源yuan地di,是shi保bao證zheng電dian路lu實shi現xian功gong能neng的de基ji礎chu。
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2、接地方式
懸浮接地 對(dui)一(yi)個(ge)獨(du)立(li)的(de)與(yu)外(wai)部(bu)沒(mei)有(you)接(jie)口(kou)的(de)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)一(yi)般(ban)也(ye)沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)問(wen)題(ti),但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)該(gai)係(xi)統(tong)與(yu)其(qi)他(ta)的(de)係(xi)統(tong)之(zhi)間(jian)存(cun)著(zhe)接(jie)口(kou)如(ru)通(tong)訊(xun)口(kou)和(he)采(cai)樣(yang)線(xian),那(na)麼(me)懸(xuan)浮(fu)接(jie)地(di)很(hen)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)靜(jing)電(dian)和(he)雷(lei)擊(ji)的(de)影(ying)響(xiang),所(suo)以(yi)一(yi)般(ban)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)大(da)多(duo)不(bu)采(cai)用(yong)懸(xuan)浮(fu)接(jie)地(di)。
單點接地 當f<1MHz時可以選擇單點接地,可分為並聯單點接地和多級電路串聯單點接地兩種。
並聯單點接地:每個電路模塊都接到一個單點地上,每個單元在同一點與參考點相連。
多級電路的串聯單點接地:將具有類似特性的電路的地連接在一起,形成一個公共點,然後將每一個公共點連接到單點地。
多點接地 當f>10MHz時會采用多點接地。 設備中的電路都就近以接地母線為參考點。
dandianjiedigedianlujiezaitongyidian,tigonggonggongdianweicankaodian,meiyougongzukangouhehedipindihuanlu,danduigaopinxinhaocunzaijiaodadedizukang。duodianjiediweijiujinjiedi,meitiaodixiankeyihenduan,tigongjiaodijiedizukang。1MHz~10MHz可根據實際需要選用哪種接地方法。
混合接地 是綜合單點接地與多點接地的優點,對係統中的低頻部分采用單點接地,對係統中高頻部分采用多點接地。
信號線屏蔽接地 有(you)高(gao)頻(pin)和(he)低(di)頻(pin)之(zhi)分(fen),高(gao)頻(pin)采(cai)用(yong)多(duo)點(dian)接(jie)地(di),低(di)頻(pin)電(dian)纜(lan)采(cai)用(yong)單(dan)點(dian)接(jie)地(di)。低(di)頻(pin)電(dian)場(chang)屏(ping)蔽(bi)要(yao)求(qiu)在(zai)接(jie)收(shou)端(duan)單(dan)點(dian)接(jie)地(di),低(di)頻(pin)磁(ci)場(chang)屏(ping)蔽(bi)要(yao)求(qiu)在(zai)兩(liang)端(duan)接(jie)地(di)。多(duo)點(dian)接(jie)地(di),除(chu)在(zai)兩(liang)端(duan)接(jie)地(di)外(wai),並(bing)以(yi)3/20或1/10工作波長的間隔接地。
係xi統tong做zuo到dao良liang好hao接jie地di,才cai能neng有you效xiao的de抑yi製zhi電dian磁ci幹gan擾rao,一yi個ge大da的de係xi統tong機ji櫃gui首shou先xian要yao保bao證zheng每mei個ge麵mian接jie觸chu良liang好hao,接jie觸chu緊jin湊cou,其qi次ci是shi機ji櫃gui內nei部bu設she備bei要yao就jiu近jin接jie地di,避bi免mian二er次ci幹gan擾rao,就jiu近jin泄xie放fang電dian磁ci幹gan擾rao。接jie口kou屏ping蔽bi線xian要yao進jin行xing環huan接jie,再zai就jiu近jin接jie機ji架jia。機ji櫃gui下xia方fang設she置zhi接jie地di銅tong排pai,係xi統tong總zong地di線xian選xuan用yong銅tong帶dai比bi較jiao好hao,對dui電dian磁ci幹gan擾rao進jin行xing很hen好hao的de泄xie放fang,保bao證zheng了le係xi統tong的de正zheng常chang運yun行xing。
電磁兼容測試
係統功能測試,滿足現場功能需要後,進行電磁兼容測試,電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈衝、浪湧、射頻場傳導等
1、靜電抗擾度檢測
canyulejigexiangmudejingdiankangraodujiance,duijingdianyouyidingrenshi。jingdianfenweijiechufangdianhekongqifangdian,jingdianshijileidegaoya,dangjiechudaoshebeidejinshuwaikeshihuishunjianfangdian,huiyingxiangdaodianzishebeidezhengchanggongzuo,kenengyinqishebeiguzhanghuozhongqi,zaianquanxingyaoqiujiaohaodechanghezheshibuyunxude。
靜電會影響顯示效果,可能出現顯示閃爍或黑屏,影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常,程序死機或重啟。
ruguozaichanpinxiangxishejijieduancaiyongdiancijianrongdexiangguansheji,zuojingdianshiyanbubiguofendanxin,tongguosheji,duijingdianjileidedianhejinxinglianghaodexiefang,buhuiyingxiangxitongdezhengchanggongzuo。
2、電快速瞬變脈衝群抗擾度檢測
電快速瞬變脈衝群是一係列的高頻高壓瞬變脈衝施加在設備上,觀察設備是否受到其影響。防護群脈衝主要的方法是“疏導”“堵”,“疏導”就是提供泄放回路,是幹擾在進入係統之前,泄放至大地,良好的屏蔽層接地,可以泄放大部分動幹擾,“堵”shishiqunmaichonglvchuzaishebeizhiwai,zengjiacihuan,xiaoguomingxian,fengbicihuandexiaoguohaoyuduikoucihuan,yekeyijiangcihuanjiarudaobanjizhong,gudingzaiyinzhibanzhong,zheyangshishebeigengkekao。
對電源線、信號線、通訊線兩端增加磁環,可以對群脈衝幹擾進行防護。
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3、雷擊浪湧檢測
雷擊浪湧主要包含兩個方麵,一個是電源防雷,一個是信號防雷。
電源防雷主要是針對係統級而言的,係統級設計要按照三級防雷設計,總電源進入端設置電源防雷(如OBO公司的V20-C/3-PH 385),keyiduixitongdedianyuanjinxingyijifanghu,dianyuanjingguodianyuanfangleihou,jinrugelibianyaqi,gelibianyaqikeyiduidianciganraoxinhaojinxingjiaohaodefanghu,yizhiqiduixitongdeyingxiang。houjinruUPS,UPS可以濾除一部分幹擾信號,這樣電源再進入係統設備,電源是一種純淨的電源,可以使係統更好、更可靠的工作。

圖2:係統電源部分設計示例。
信號防雷是對係統的信號通路進行防護,主要涉及的是板級設計,在板級設計中增加防雷器件,如氣體放電管,增加TVS泄放回路,當有大電流時通過配套電阻和TVS、氣(qi)體(ti)放(fang)電(dian)管(guan)泄(xie)放(fang),對(dui)後(hou)級(ji)電(dian)路(lu)起(qi)到(dao)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)。而(er)後(hou)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)光(guang)電(dian)隔(ge)離(li),再(zai)進(jin)入(ru)係(xi)統(tong),係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)采(cai)集(ji)到(dao)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)信(xin)號(hao),使(shi)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)分(fen)析(xi)判(pan)斷(duan),正(zheng)常(chang)發(fa)出(chu)指(zhi)令(ling),正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)就(jiu)是(shi)設(she)計(ji)較(jiao)寬(kuan)的(de)信(xin)號(hao)範(fan)圍(wei),信(xin)號(hao)正(zheng)常(chang)波(bo)動(dong)時(shi),係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。
4、射頻場感應傳導的抗擾度檢測
射感試驗可能會對顯示信號、采集驅動等造成影響,可能使顯示閃爍或黑屏,影響設備操作,可能使采集驅動工作異常,采集不到需要的信號,無法驅動現場設備。
射頻試驗是0.15k~80M頻率範圍內對信號線、電源進行幹擾,3級強度是10V/m。
射感防護的原則是將電源、信號線的屏蔽做好,屏蔽層良好接地,選擇合適頻率進行濾波,將幹擾濾除。
5、輻射發射檢測、射頻場輻射抗擾度檢測
該測試主要是測試係統的抗射頻信號及整體屏蔽性能,隻要係統做好良好的屏蔽,係統地線接地良好,係統就可以通過檢測。
通過相關電磁兼容測試,產品就可以推向市場,進行試運行了,對試運行中出現的問題,進行彙總,以備產品的改進。
電dian子zi產chan品pin滿man足zu相xiang關guan的de電dian磁ci兼jian容rong測ce試shi標biao準zhun,通tong過guo測ce試shi,才cai可ke以yi推tui向xiang市shi場chang,用yong戶hu才cai能neng放fang心xin使shi用yong,極ji大da地di減jian小xiao因yin電dian磁ci幹gan擾rao發fa生sheng的de事shi故gu,對dui企qi業ye的de效xiao益yi、產品的推廣起到積極的作用。
6、總結
本文是針對當前嚴峻的電磁環境,分析了電磁幹擾的來源,通過產品開發流程的分解,融入電磁兼容設計,從原理圖設計、PCB設計、元器件選型、係統布線、係統接地等方麵逐步分析,總結概括電磁兼容設計要點,最後,介紹了電磁兼容測試的相關內容。相信讀者能從中獲取有用的信息。
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