電磁脈衝傳感器在強場強下的校準方法分析
發布時間:2020-03-30 責任編輯:lina
【導讀】電磁幹擾的三要素是幹擾源、幹擾傳輸途徑、幹擾接收器。EMC 就圍繞這些問題進行研究。最基本的幹擾抑製技術是屏蔽、濾波、接jie地di。它ta們men主zhu要yao用yong來lai切qie斷duan幹gan擾rao的de傳chuan輸shu途tu徑jing。廣guang義yi的de電dian磁ci兼jian容rong控kong製zhi技ji術shu包bao括kuo抑yi製zhi幹gan擾rao源yuan的de發fa射she和he提ti高gao幹gan擾rao接jie收shou器qi的de敏min感gan度du,但dan已yi延yan伸shen到dao其qi他ta學xue科ke領ling域yu。
硬件 EMC 規範講解
電磁幹擾的三要素是幹擾源、幹擾傳輸途徑、幹擾接收器。EMC 就圍繞這些問題進行研究。最基本的幹擾抑製技術是屏蔽、濾波、接jie地di。它ta們men主zhu要yao用yong來lai切qie斷duan幹gan擾rao的de傳chuan輸shu途tu徑jing。廣guang義yi的de電dian磁ci兼jian容rong控kong製zhi技ji術shu包bao括kuo抑yi製zhi幹gan擾rao源yuan的de發fa射she和he提ti高gao幹gan擾rao接jie收shou器qi的de敏min感gan度du,但dan已yi延yan伸shen到dao其qi他ta學xue科ke領ling域yu。
本規範重點在單板的 EMC 設計上,附帶一些必須的 EMC 知識及法則。在印製電路板設計階段對電磁兼容考慮將減少電路在樣機中發生電磁幹擾。問題的種類包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線產生的輻射和通過由互連布線和印製線形成的回路拾取噪聲等。
在高速邏輯電路裏,這類問題特別脆弱,原因很多:
1、電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加,公共阻抗耦合的發生比較頻繁;
2、信號頻率較高,通過寄生電容耦合到步線較有效,串擾發生更容易;
3、信號回路尺寸與時鍾頻率及其諧波的波長相比擬,輻射更加顯著。
4、引起信號線路反射的阻抗不匹配問題。
No.1 總體概念及考慮
1、五一五規則,即時鍾頻率到 5MHz 或脈衝上升時間小於 5ns,則 PCB 板須采用多層板。
2、不同電源平麵不能重疊。
3、公共阻抗耦合問題。

由於地平麵電流可能由多個源產生,感應噪聲可能高過模電的靈敏度或數電的抗擾度。
解決辦法:
①模擬與數字電路應有各自的回路,最後單點接地;
②電源線與回線越寬越好;
③縮短印製線長度;
④電源分配係統去耦。
4、減小環路麵積及兩環路的交鏈麵積。
5、一個重要思想是:PCB 上的 EMC 主要取決於直流電源線的 Z

No.2 布局
下麵是電路板布局準則:

1、 晶振盡可能靠近處理器
2、 模擬電路與數字電路占不同的區域
3、 高頻放在 PCB 板的邊緣,並逐層排列
4、 用地填充空著的區域
No.3 布線
1、電源線與回線盡可能靠近,最好的方法各走一麵。
2、為模擬電路提供一條零伏回線,信號線與回程線小與 5:1。
3、針對長平行走線的串擾,增加其間距或在走線之間加一根零伏線。
4、手工時鍾布線,遠離 I/O 電路,可考慮加專用信號回程線。
5、關鍵線路如複位線等接近地回線。
6、為使串擾減至最小,采用雙麵#字型布線。
7、高速線避免走直角。
8、強弱信號線分開。
No.4 屏蔽
1、屏蔽 > 模型:
屏蔽效能 SE(dB)=反射損耗 R(dB)+吸收損耗 A(dB)

高頻射頻屏蔽的關鍵是反射,吸收是低頻磁場屏蔽的關鍵機理。
2、工作頻率低於 1MHz 時,噪聲一般由電場或磁場引起,(磁場引起時幹擾,一般在幾百赫茲以內),1MHz 以上,考慮電磁幹擾。單板上的屏蔽實體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC 模塊等。更大的涉及單板間、子架、機架的屏蔽。
3、 靜jing電dian屏ping蔽bi不bu要yao求qiu屏ping蔽bi體ti是shi封feng閉bi的de,隻zhi要yao求qiu高gao電dian導dao率lv材cai料liao和he接jie地di兩liang點dian。電dian磁ci屏ping蔽bi不bu要yao求qiu接jie地di,但dan要yao求qiu感gan應ying電dian流liu在zai上shang有you通tong路lu,故gu必bi須xu閉bi合he。磁ci屏ping蔽bi要yao求qiu高gao磁ci導dao率lv的de材cai料liao做zuo 封(feng)閉(bi)的(de)屏(ping)蔽(bi)體(ti),為(wei)了(le)讓(rang)渦(wo)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)通(tong)和(he)幹(gan)擾(rao)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)通(tong)相(xiang)消(xiao)達(da)到(dao)吸(xi)收(shou)的(de)目(mu)的(de),對(dui)材(cai)料(liao)有(you)厚(hou)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)。高(gao)頻(pin)情(qing)況(kuang)下(xia),三(san)者(zhe)可(ke)以(yi)統(tong)一(yi),即(ji)用(yong)高(gao)電(dian)導(dao)率(lv)材(cai)料(liao)(如銅)封閉並接地。
4、對低頻,高電導率的材料吸收衰減少,對磁場屏蔽效果不好,需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵)。
5、磁場屏蔽還取決於厚度、幾何形狀、孔洞的最大線性尺寸。
6、磁耦合感應的噪聲電壓 UN=jwB.A.coso=jwM.I1,(A 為電路 2 閉合環路時麵積;B 為磁通密度;M 為互感;I1 為幹擾電路的電流。降低噪聲電壓,有兩個途徑,對接收電路而言,B、A 和 COS0 必須減小;對幹擾源而言,M 和 I1 必須減小。雙絞線是個很好例子。它大大減小電路的環路麵積,並同時在絞合的另一根芯線上產生相反的電動勢。
7、防止電磁泄露的經驗公式:縫隙尺寸<λmin/20。好的電纜屏蔽層覆視率應為 70%以上。
No.5 接地
1、300KHz 以下一般單點接地,以上多點接地,混合接地頻率範圍 50KHz~10MHz。另一種分法是:< 0.05λ單點接地;< 0.05λ多點接地。
2、好的接地方式:樹形接地

3、信號電路屏蔽罩的接地。

接地點選在放大器等輸出端的地線上。
4、對電纜屏蔽層,L< 0.15λ時,一般均在輸出端單點接地。L<0.15λ時,則采用多點接地,一般屏蔽層按 0.05λ或 0.1λ間隔接地。混合接地時,一端屏蔽層接地,一端通過電容接地。
5、對於射頻電路接地,要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實現接地。最好的接地線是扁平銅編織帶。當地線長度是λ/4 波長的奇數倍時,阻抗會很高,同時相當λ/4 天線,向外輻射幹擾信號。
6、單板內數字地、模擬地有多個,隻允許提供一個共地點。
7、接地還包括當用導線作電源回線、搭接等內容。
No.6 濾波
1、選擇 EMI 信號濾波器濾除導線上工作不需要的高頻幹擾成份,解決高頻電磁輻射與接收幹擾。它要保證良好接地。分線路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分,有單電容型、單電感型、L 型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過渡性能最好,最能保證工作信號質量。
一個典型信號的頻譜:


2、選擇交直流電源濾波器抑製內外電源線上的傳導和輻射幹擾,既防止 EMI 進入電網,危害其它電路,又保護設備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)幹擾在頻率 < 1mhz 時占主導地位。cm 在> 1MHz 時,占主導地位。
3、使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上,用作高頻電路的去耦,濾波以及寄生振蕩的抑製。
4、盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF),對進入板極的直流電源及穩壓器和 DC/DC 轉換器的輸出進行濾波(uF)。

注意減小電容引線電感,提高諧振頻率,高頻應用時甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問題,也是單板 EMC 控製的手段。
No.7 其它
單板的幹擾抑製涉及的麵很廣,從傳輸線的阻抗匹配到元器件的 EMC 控製,從生產工藝到紮線方法,從編碼技術到軟件抗幹擾等。一個機器的孕育及誕生實際上是 EMC 工程。最主要需要工程師們設計中注入 EMC 意識 在實驗測試過程中,我們常遇到這樣的情況:雖然設計工程師在設備電源線上接了電源濾波器,但是該設備還是不能通過"傳導騷擾電壓發射"測試,工程師懷疑濾波器的濾波效果不好,不斷更換濾波器,仍不能得到理想的效果。
兩個方麵分析設備超標的原因
1)設備產生的騷擾太強;
2)設備的濾波不足。
對(dui)於(yu)第(di)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang),我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)在(zai)騷(sao)擾(rao)源(yuan)處(chu)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi),降(jiang)低(di)騷(sao)擾(rao)的(de)強(qiang)度(du),或(huo)者(zhe)增(zeng)加(jia)電(dian)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)階(jie)數(shu),提(ti)高(gao)濾(lv)波(bo)器(qi)對(dui)騷(sao)擾(rao)的(de)抑(yi)製(zhi)能(neng)力(li)來(lai)解(jie)決(jue)。對(dui)於(yu)第(di)二(er)種(zhong)情(qing)況(kuang),除(chu)了(le)濾(lv)波(bo)器(qi)自(zi)身(shen)性(xing)能(neng)不(bu)好(hao)以(yi)外(wai),濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)安(an)裝(zhuang)方(fang)式(shi)對(dui)它(ta)的(de)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)。這(zhe)一(yi)點(dian)往(wang)往(wang)是(shi)被(bei)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)忽(hu)視(shi)的(de)。在(zai)很(hen)多(duo)測(ce)試(shi)中(zhong),我(wo)們(men)通(tong)過(guo)更(geng)改(gai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)安(an)裝(zhuang)方(fang)式(shi)就(jiu)能(neng)使(shi)設(she)備(bei)順(shun)利(li)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)。
下麵是一些常見的濾波器錯誤安裝方式對濾波器性能影響的實例。
1. 輸入線太長
許(xu)多(duo)設(she)備(bei)的(de)電(dian)源(yuan)線(xian)進(jin)入(ru)機(ji)箱(xiang)後(hou),經(jing)過(guo)很(hen)長(chang)的(de)導(dao)線(xian)才(cai)接(jie)到(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)。例(li)如(ru),電(dian)源(yuan)線(xian)從(cong)機(ji)箱(xiang)後(hou)麵(mian)板(ban)輸(shu)入(ru),走(zou)行(xing)到(dao)前(qian)麵(mian)板(ban)的(de)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan),又(you)回(hui)到(dao)後(hou)麵(mian)板(ban)接(jie)到(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)。或(huo)者(zhe)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)安(an)裝(zhuang)位(wei)置(zhi)距(ju)離(li)電(dian)源(yuan)線(xian)入(ru)口(kou)較(jiao)遠(yuan),造(zao)成(cheng)引(yin)線(xian)太(tai)長(chang)。如(ru)圖(tu) 1 所示。

圖 1 電源線過長示意圖
youyudianyuanrukoudaolvboqishuruduandeyinxianguochang,shebeichanshengdediancisaoraotongguodianrongxinghuodianganxingouhe,zhongxinouhedaodianyuanxianshang,erqiesaoraoxinhaodepinlvyuegao,ouheyueqiang,zaochengshiyanshibai。
2. 濾波器輸入輸出線平行走線
youdegongchengshiweileshijixiangneibudezouxianmeiguan,changchangbaxianlankunzhazaiyiqi,zheduidianyuanxianshibuyunxude。ruguobadianyuanlvboqideshurushuchuxianpingxingzouxianhuokunzhazaiyiqi,youyupingxingchuanshuxianzhijiancunzaifenbudianrong,zhezhongzouxianfangshixiangdangyuzailvboqideshurushuchuxianzhijianbingjieleyigedianrong,weisaoraoxinhaotigongleyitiaoraoguolvboqidelujing,daozhilvboqidexingnengdafuxiajiang,pinlvhengaoshishenzhishixiao(如圖 2 所示)。等效電容的大小與導線距離成反比,與平行走線的長度成正比。等效電容越大,對濾波器性能的影響越大。

圖 2 平行走線對濾波器的影響
3 濾波器接地不好,濾波器的殼體沒有和金
屬機箱良好搭接這種情況也比較普遍。許多工程師安裝濾波器時,濾波器的殼體和機箱之間搭接不良(有絕緣漆);tongshi,shiyongdejiedixianjiaochang,zhejiangdaozhilvboqidegaopintexingbianhuai,jiangdilvboxingneng。youyujiedixianjiaochang,zaigaopinshidaoxiandefenbudianganbunenghushi,ruguolvboqidajielianghao,ganraoxinhaokeyitongguoketizhijiejiedi。ruguolvboqideketihejixiangzhijiandajiebuliang,xiangdangyulvboqideketi(地)yujixiangzhijiancunzaiyigefenbudianrong,zhejiangdaozhilvboqigaopinshijiedizukangjiaoda,youqizaifenbudianganhefenbudianrongxiezhendepinlvfujin,jiedizukangquyuwuqiong。lvboqijiedibuliangduilvboqixingnengdeyingxiangrutu 3 所示。
從圖 3 中zhong可ke以yi看kan到dao,由you於yu濾lv波bo器qi接jie地di不bu良liang,接jie地di阻zu抗kang較jiao大da,有you一yi部bu分fen騷sao擾rao信xin號hao能neng通tong過guo濾lv波bo器qi。為wei了le解jie決jue搭da接jie不bu良liang,應ying把ba機ji箱xiang上shang的de絕jue緣yuan漆qi刮gua掉diao,保bao證zheng濾lv波bo器qi殼ke體ti和he機ji箱xiang有you良liang好hao的de電dian氣qi連lian接jie。

圖 3 濾波器接地不良對濾波器性能的影響
4 理想的安裝電源濾波器的例子(僅供參考)

圖 4 電源濾波器安裝示例
在這種安裝方式下,濾波器的殼體和機殼接觸良好,堵住電源線在機箱上的開口,提高了機箱的屏蔽性能;另外,濾波器的輸入輸出線之間有機箱屏蔽相隔離,消除了輸入輸出線之間的騷擾耦合,保證濾波器的濾波性能。
濾波器的安裝方式直接影響了濾波器的濾波效果,為了充分發揮濾波器的性能,在安裝濾波器時應遵循以下原則:
5. 安裝濾波器五點原則
1)在電源入口處就近安裝,最好用濾波器殼體蓋住機箱上的電源線入口孔;
2)接地線越短越好;
3)濾波器殼體與機箱良好搭接;
4)濾波器輸入輸出線分開,不能並行或交叉;
5)避免濾波器附近有強幹擾源。
6. 結論
本ben文wen主zhu要yao介jie紹shao了le電dian磁ci脈mai衝chong傳chuan感gan器qi在zai強qiang場chang強qiang下xia的de校xiao準zhun方fang法fa,被bei測ce裝zhuang置zhi采cai用yong模mo擬ni量liang光guang纖xian傳chuan輸shu係xi統tong傳chuan輸shu脈mai衝chong信xin號hao,具ju有you噪zao聲sheng低di,非fei線xian性xing失shi真zhen小xiao,動dong態tai範fan圍wei大da的de特te點dian。通tong過guo測ce量liang獲huo得de了le對dui傳chuan感gan係xi統tong的de峰feng值zhi響xiang應ying靈ling敏min度du,一yi組zu實shi驗yan室shi間jian的de比bi對dui顯xian示shi,這zhe一yi校xiao準zhun方fang法fa具ju有you較jiao好hao的de一yi致zhi性xing。
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