電源設計秘籍:如何將EMI/EMC控制在「搖籃」中

2020-11-25 OFweek維科網

  2.2屏蔽設計關鍵

  設備一般都需要進行屏蔽,這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過一些基本原則確定,但是理論與現實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度,如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形,表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽以實現EMC性能的關鍵因素。

  由於接縫會導致屏蔽罩導通率下降,因此屏蔽效率也會降低。要注意低於截止頻率的輻射其衰減只取決於縫隙的長度直徑比,例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性;另一種實現較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物,如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。

  多孔薄型屏蔽層:多孔的例子很多,比如薄金屬片上的通風孔等等,當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮,接縫和接點:電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行永久性固定的常用方式,接合部位金屬表面必須清理乾淨,以使接合處能完全用導電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進行固定,因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態不容易長久保持。

  導電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙,使RF輻射不會散發出去。EMI襯墊是一種導電介質,用於填補屏蔽罩內的空隙並提供連續低阻抗接點。通常EMI襯墊可在兩個導體之間提供一種靈活的連接,使一個導體上的電流傳至另一導體。

  封孔EMI襯墊的選用必須考慮一些變量,包括:特定頻率範圍的屏蔽效率、安裝方法和密封強度、與外罩電流兼容性以及對外部環境的抗腐蝕能力、工作溫度範圍、成本,多數商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設備滿足EMC標準,關鍵是在屏蔽罩內正確地對墊片進行設計。

  2.3屏蔽材料的選擇

  目前可用的屏蔽和襯墊產品非常多,包括鈹一銅接頭、金屬網線、嵌入橡膠中的金屬網和定向線、導電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數屏蔽材料製造商都可提供各種襯墊能達到的SE估計值,但要記住SE是個相對數值,還取決於孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀,可用於各種特定應用,包括有磨損、滑動以及帶鉸鏈的場合。目前許多襯墊帶有粘膠或在襯墊上面就有固定裝置,如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。

  各類襯墊中,塗層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產品之一。這類襯墊可做成多種形狀,厚度大於0.5mm,也可減少厚度以滿足UL燃燒及環境密封標準。還有另一種新型襯墊即環境/EMI混合襯墊,有了它就可以無需再使用單獨的密封材料,從而降低屏蔽罩成本和複雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩定,可防潮、防風、防清洗溶劑,內部塗層則進行金屬化處理並具有較高導電性。最近的另外一項革新是在EMI襯墊上裝了一個塑料夾,同傳統壓制型金屬襯墊相比,它的重量較輕,裝配時間短,而且成本更低,因此更具市場吸引力。

  3信號通路的考慮

  產生EMI需要許多變量的配合,因為EMI是被動組件正常狀態以外所衍生的結果。這些被動組件在高頻的一些行為特性一般稱之為"隱藏之電路"。硬體工程師一般假設這些組件有單一的頻率響應。結果,其根據時域之功能特性來選擇組件,而不管在頻域裡的實際表現,很多時候,當設計者彎曲或打破規則時,很多EMI情況就產生了。

  一旦了解到這些隱藏行為就很容易可以設計出一個能夠符合要求的產品了。同時也要考慮到主動組件之切換速度所帶來之隱藏行為,其中隱藏著有電感、電容、電阻組件。

  當信號傳輸於電路板中的線路時,介於電線之間的串擾是明顯的,在高速設計中只有接地線是不被所有信號所推薦,為確認每一信號都擁有自己的返迴路徑以降低串擾源。返回信號電流是依據個別路徑的電感,而流動於所有接地路徑之間。於低電感線路中,會有更多的返回電流,而這些低電感線路被放於靠近信號線之處,但於外部路徑則較少。與傳統的信號傳輸線相比較,傳統信號傳輸線僅有一條信號線,以及電流返回的地線,至於差分信號傳輸方式,則需有兩條信號線以及一條電流返回地線。信號差動所衍生的信號返回電流問題,不僅對於單一信號提供有低阻抗的路徑、並也會限制阻抗。

  差分信號的理論相當的簡單,當傳輸兩個信號時,將要傳送的信號加入於第二個信號之後,並使其等於第一個信號的負值,而來自於第一個信號是為正的;來自於第二個信號的返回電流卻是為負的。在接收端比較兩個信號以決定邏輯的極性,比較的過程中,需要一個不屬於本地的參考電壓,接地電壓的移位是介於傳送端與接收端之間,以使每一條線有效的等於不同的兩條線所形成的影響。若接地電壓移位於傳送器與接收器之間,可以使差動接收無效。當有一差分信號經由連接器傳送時,應保持相鄰腳位的連接,在此方法中,返回信號電流路徑將會被覆蓋及取消,也可以將線路緊密結合併移到印刷電路板之上,串音是來自於不同金屬路線,而它們會有著幹擾的產生,並進而產生EMI,這些均是產生於任何兩個不平衡的傳輸信號之間,我們稱此不平衡為共模幹擾。

  若是以雙絞線的電纜來連接差分信號時,可以將傳輸效能改進,在差分信號中包含所有於正、負信號間形成的閉迴路的實際返回電流,在絞線對中有一個信號線,以及最接近於返迴路徑所緊密絞合,當有一信號傳遞延遲沿著絞線對時,則有一磁場會來自於這不同極性對,來自兩條線的磁場有不同的極性,對於相同距離的磁場極性則決定於最近的線,當這些線互相滾繞,則其磁場極性會反向,所產生的結果,為介於相鄰絞線對的串音是為零,並可確保絞線的電線有相同的方向。

  使用絞線對的另一個優點是不同的傳輸時可以降低電磁場的發射,對於個別信號流中的大多數返回電流是在接地線,此是為取消輻射場圖像的方法之一。

  在差分方式中,低電壓差分方式信號發送(LVDS)因不依賴電源電壓,在信號產生時可更快更穩定,因此具有相當優勢。

  低振幅的差分信號還可以改善高速狀態下的信號完整性,由於通信界對數據傳輸量的需求增大,更高的頻率和更大的位寬會引起傳輸線路的反射和串擾問題。隨系統負載增加,系統的阻抗特性會改變並引起阻抗不匹配,從而造成傳輸線發送反射信號,這些反射會造成位錯誤或延長系統穩定時間,令速度增加時的時間分配更為困難。如LVDS等差分方式發送信號的技術能通過接受差分線路的共模噪聲而解決這個問題,此外,較低振幅的差分技術可減少反射,因為低電壓振幅能夠限制供應給傳輸線路的能量。

  4電源需要採取的措施

  電源設計選擇有助於降低EMI,尤其是濾波器、扼流線圈及控制器頻率的調變組件,都是降低攜帶型設備有害輻射的方法。

  電源降低EMI的重要設計問題是切換器的頻率調製。頻率調製可通過在更寬的頻率範圍分散能量而將EMI減至最小。與EMI降低量直接相關的是調製電平和調製速度。頻率調製可以使用經濟的電感器而不是AC輸入扼流線圈,以滿足EMI極限和規範要求。

  至於在濾波器方面,可以選擇單節或多節,單節濾波器較小型且便宜,但可能出現電路寄生和組件寄生現象,此外,扼流器也是電源領域的重要考慮因素,電源包含橋式整流輸入濾波器,可吸收寬度相當窄且峰值相對較高的電源頻率電流。差勁模式扼流器的最基本形式可以傳輸電源頻率同時過濾/阻隔高頻傳導發射的一系列電感器。通常,差動模式扼流線圈纏繞在由鐵粉或鐵磁材料製成的螺線管蕊上。共模扼流線圈是設計用於共模EMI濾波器的簡單電感器。這種扼流線圈由兩個繞制相同的繞組構成,以消除差模電流引起的電磁場,環形扼流線圈是減弱輻射最好的扼流線圈之一。圓環是一些環狀成型鐵蕊,帶有穿過環狀中心的線圈。磁場環繞鐵蕊的中央運動,將磁場限制在鐵蕊的內部。

  當一個EMI問題發生時,工程師應在邏輯性之分析來探討問題。描述EMI之模式須有三個元素:能量之源頭、被能量幹擾之接受者、在源頭與接受者間之耦合路徑。

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