您的电子产品设计中最大的挑战是什么?相信几乎有一半的工程师回答都会选择电磁干扰和电磁兼容(EMI/EMC)设计,事实上这也是国内某知名媒体所做的工程师设计能力分析几年下来的一个几乎不变的结果。“随着开关频率的提高,系统的EMC设计难度越来越大。”很多系统设计工程师在处理采用开关电源的系统EMI问题时,都有这样令人头疼的问题。然而,不仅电源开关管的频率提高对EMI产生很大的影响,随着系统的小型化、接口器件和处理器等半导体器件的运行频率迅速提高,电磁干扰问题也有增无减。

同样的问题还出现在电路保护设计上。集成电路制造工艺技术的不断发展、高速数据传输接口的大行其道,使得包括ESD在内的电路保护变得日益困难。对更快处理速度和更高功能密度的强烈需求,推动当前半导体工艺进入后40纳米时代,IC芯片体积越来越小、密度越来越高、功能越来越复杂,使其更易遭受ESD、过压及过流的损害。

以上的两个问题几乎对于所有的电子产品来说都无可回避,而且还必须面对区域市场不同的验证测试标准,例如针对电磁兼容就有中国的3C、美国FCC认证,针对产品安全的中国3C、欧盟CE认证、美国UL认证等,而对于国内军工行业来说还必须面对更严格的国军标系列标准体系的考验。“在电磁兼容设计领域,测试经验比设备更重要。” 西部电子论坛总策划师/电子元件技术网首席执行官刘杰博士指出。为此,与中国(成都)电子展(CEF)同期举办的第五届电磁兼容论坛和第五届电路保护设计论坛特别加强了相关的主题策划,更强调工程设计实践指导性,特别邀请了多位国外EMC标准协会的专家主讲。“利用专家的建议、方案分享、经验介绍,并通过展会中上百家国内外相关器件及方案的领导厂商、测试测量仪表提供商的相关产品,可以实现您EMI/EMC及电路保护设计的一站式需求。”刘杰表示。

图1:EMI/EMC设计一直是工程师的主要挑战。(资料来源:EETimes-China)

电磁兼容设计,标准和经验一个都不能少
随着电子设计高速、高可靠性和小型化的发展趋势,电磁兼容问题在电路设计和测试中愈显突出。新技术标准和环保条例也在推动电磁兼容技术应用领域的扩展。越来越多的工程师面临着元器件选型、电路板设计、电路设计,以及系统级设计等多层面的电磁兼容设计挑战。“很多企业并不熟悉具体的检测标准,因此导致新产品在EMI/EMC测试时通过率偏低,增加了企业的成本。”某测试测量解决方案全球领导厂商[为何不直接点名呢?]的负责人针对国内电磁兼容设计现状指出,该公司将在中国(成都)电子展展出针对EMI/EMC测试需求的多种最佳仪器仪表解决方案。

除了熟悉相关标准,电磁兼容和低噪声设计还需要综合考虑器件本身的性能、寄生参数、产品的性能要求、成本以及系统设计中的每一个功能模块,通过布局布线优化、增加去耦电容、磁珠、磁环、屏蔽、PCB谐振抑制等措施来确保EMI在控制范围内,需要工程师具有良好的理论基础并具有丰富的实践经验。事实上,电路EMC设计目前已经有了大量的各类设计工具(SPICE系列设计工具、EMC设计检查、磁场分析等),而且主要的EMC器件提供商也提供了模拟和特性分析软件,恰当利用这些工具可以有效提高EMC设计。此外,如何正确选择和使用零部件也是非常关键的因素,工程师需要及时熟悉当前的主流技术和最新的产品。

特别针对国内工程师缺乏EMC系统规划经验以及不熟悉欧盟相关的EMC标准,在第五届电磁兼容设计技术研讨会中特别引入两位重量级国际EMC技术专家Franz Joachim博士和 Dip-Ing Gerd Jeromin,两位分别为欧共体EMC标准组织成员和欧洲委员会EMC工作组成员,他们将主讲《无线电/通信设备中EMC规划和欧洲标准》在内的系列讲座,详细讲解无线电和通信设备的EMC挑战、系统解决思路和办法、无线电/通信设备中EMC规划和欧洲标准等多个实战主题,进行精彩分享。

对缺乏经验的设计工程师来说,如何迅速提高相关的设计经验、有效利用这些工具以及掌握最新技术和产品发展现状和趋势非常重要。本届电磁兼容论坛还力邀全球EMC领域的顶级企业(包括太阳诱电、村田制作所等)的高级专家分享关于抗干扰系统设计和电路实现、EMC元器件选择与电路设计、EMI屏蔽与滤波技术、单片机噪声抑制、EMC测试条件与手段等方面的内容。重量级专家及全球电磁兼容技术领导企业首次聚首四川,是西南地区工程技术届人士提升专业知识及与世界级专家交流互动的绝佳机会。

电路保护,器件选型很重要
集成电路制造工艺技术的不断发展、高速数据传输接口无处不在,芯片体积越来越小、功率密度越来越高、功能越来越复杂,使得电路更易遭受ESD、过压及过流的损害,全球每年仅花费在ESD方面的成本高达数十亿美元之巨。图2中的数据或许更具说服力和视觉冲击力:如果有更恰当的电路保护设计,仅在美国每年几乎可以减少近1/4的汽车起火事故(约6万起事故)。

图2:美国汽车火灾近1/4是由电气原因引起(资料来源:泰科电子)。

在当前半导体发展日新月异的新形势下,工程师面对不断变化的电路保护设计环境。以USB3.0接口的应用为例,目前主要的手机OEM厂商都有内部关于USB端口的过压保护要求,以保证USB端口可以承受16V到24V的电压。USB3.0过流保护方面,由于USB3.0规定单一负载的工作电流由USB2.0规定的100mA提升为150mA,标准电路保护方案必须支持每个端口最小900mA的电流。此外,过电流保护必须满足发生故障时在60s内将故障电流限制在5A以下。同样, HDMI1.3标准将早期HDMI1.0-1.2的数据传输速率提高了一倍,达到每对差分信号3.4Gbps;新型DisplayPort接口也正在被许多个人电脑、监视器、投影仪等视频相关设备所采用,DisplayPort接口速率高达2.7Gbps;硬盘驱动器、电脑和机顶盒厂家正在向E-SATA (外部串行ATA)标准看齐,把它作为在存储设备之间传递视频的快速方式,最新SATA3.0标准最新定义的最高传输带宽将高达6Gbps......这些新型标准的应用都面临高等级ESD保护的独特需求,而这些可能是以前的系统设计中所不用考虑的环节。

除了了解这些技术发展现状和趋势外,更重要的是掌握因应的技术方案和设计手段,以及当前主流的器件。本届中国(成都)电子展主办方针对这些设计现状和趋势,在同期召开的第五届电路保护设计技术研讨会中邀请了国际、国内主流厂商一线技术专家与大家分享过压保护器件趋势与应用、熔断器选择与应用、高速电子线路ESD防护、电路保护器件性能比较、雷击与过电压保护、半导体电路保护方案等方面内容,并就电路保护技术发展与设计技巧发起专题讨论。这些专家包括来自全球最大电路保护技术公司Bourns、Littelfuse和AEM科技、世界第一无源与分立半导体技术公司Vishay、日本最大的无源元件技术公司村田制作所和太阳诱电,以及国内实力技术公司,如顺络电子、苏州泰斯特和槟城电子等。同时,绝大部分企业还会将他们最新的产品在展会中首次在西部与业界面对面展示。企业如此多的国际及国内电路保护巨头聚首西部,堪称西部第一次。