为了减少开发成本、降低产品开发风险,缩短新产品上市时间,在工业、交通、医疗、仪器、能源和物联网等领域,嵌入式核心板得到了广泛的应用。当内嵌核心板的整机产品出现电磁兼容性问题,该怎么办?本文教你如何分析定位并有效地解决问题。

 

 

一、电磁兼容性

按照 GJB 72A-2002《电磁干扰和电磁兼容性术语》的定义,电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC)是指“设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。包括以下两个方面: 

 

1.    设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时,可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级;

 

2.    设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境(或其他设备)带来不可接受的电磁干扰。

 

综上所述,EMC 通常包含以下两个方面的要求:

 

1.    电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI),是指任何可能中断、阻碍、甚至降低、限值无线电通信或其他电气电子设备性能的传导或辐射的电磁能量。根据电磁能量的传递途径,可分为辐射干扰和传导干扰。常见的 EMI 试验项目如下:

 

表 1 常见 EMI 试验项目

 

2.    电磁敏感性(Electro Magnetic Susceptibility,EMS),是指设备、器件或系统因电磁干扰可能导致工作性能降级的特性。常见的 EMS 试验项目如下:

 

表 2 常见 EMS 试验项目

 

二、常见的电磁兼容性问题

内嵌核心板的产品,常见的电磁兼容性问题如下:

 

表 3 内嵌核心板产品的常见 EMC 问题

 

三、电磁兼容性问题的解决

对于电磁兼容问题,就发生机理而言,离不开干扰源、传播路径和敏感源 这三个方面,无论是 EMI 电磁干扰问题还是 EMS 电磁抗扰问题,抓住这三个方面进行分析,望闻问切,再辅以针对性的有效措施,即可药到病除。电磁兼容问题的诊断及整改,可以分为三大步骤:问题现象及描述、分析及根因定位、整改及效果验证。

 

 

下面就以某型号内嵌核心板产品的 EMI 辐射超标作为案例,对上述三个步骤进行说明,而对于 EMS 电磁抗扰问题的诊断及整改,也是可触类旁通,大家可举一反三。

 

1.    问题现象及描述(步骤 1)

对于 EMI 电磁干扰问题,重点抓住 4 个方面进行描述:

  • 依据的试验标准;

 

  • 超标的频点或频段;

 

  • 超出标准限值多少;

 

  • 试验时产品的工作状态和配置。

 

对于 EMS 电磁抗扰问题,抓住以下 4 个方面进行描述:

  • 依据的试验标准;
  •  
  • 产品异常时的试验等级;
  •  
  • 产品的异常现象,及其相应的干扰位置;
  •  
  • 试验时产品的工作状态和配置。

 

无论是 EMI 电磁干扰还是 EMS 电磁抗扰问题,这里都特别强调对于产品工作状态和现场试验配置的确切描述。所有这些描述,务必客观真实,描述得越清楚和细致,对后面的问题分析和根因定位就越有帮助。产品工作状态,涉及比如电源输出是否满载,具体产品中有哪些通信、系统内部框图等;现场的试验配置,涉及比如采用直流还是交流供电,是否外接适配器,是否有连接外部通信线缆,线缆的长度,接地情况,产品试验时的系统框图等。

 

2.    分析及根因定位(步骤 2)

对于 EMC 问题分析和根因定位,就类似于查案一样,抽丝剥茧,探求真相。下面分别对于 EMI 和 EMS 的问题分析及根因定位给出一些方法。

 

 

对于 EMI 电磁干扰问题的定位,总体思路是:化整为零,逐步逼近。通常有以下两种方法:

 

1)排除法:若产品为一个复杂的系统,就可以采用化整为零,逐步逼近的方法,比如将产品的各个部分逐一关闭或撤除(譬如将液晶显示屏及排线拔掉、将外部通信线缆拔掉、将原有的开关电源适配器采用线性稳压电源或电池供电、用软件屏蔽某些信号源的输出等),仅保留最小系统工作,先看看最小系统是否能够满足 EMI 标准的限值要求。如果最小系统的 EMI 没有问题,我们再逐一打开或恢复去掉的部分,对比前后试验结果的区别,以便定位 EMI 的主要源头或路径。

 

复杂产品或系统的 EMI 问题分析及定位,通常适合在电波暗室(企业自建,或者找其他企业或第三方机构租用)中进行,可以一边分析定位,一边进行整改及效果验证。

 

2)近场扫描法:如果企业没有自建电波暗室,也不方便租用电波暗室,可以采用近场扫描的方法,需要用到频谱分析仪(或者带频谱分析功能的示波器)和近场探头等附件。

 

 

通过对产品整体或局部进行辐射电磁场的近场扫描,可以初步确定风险较大的区域或位置,甚至直接定位到 EMI 干扰的主要源头。实施针对性的整改后,再次进行近场扫描,并进行整改前后的结果对比,如果整改后有较为明显的改善(比如超标频点的幅值下降很多或者几乎消除),我们就可以去电波暗室做进一步的测量验证。

 

关于近场扫描,这里需要说清楚几点:

 

——近场扫描属于定性测量,通过监测产品辐射的频点以及近场电磁场强大小来初步判断产品的辐射骚扰水平,但这并不能等同或替代电波暗室对于产品辐射骚扰的定量测量。

 

——近场扫描对产品辐射骚扰的测量区域远小于电波暗室,形象一点比喻,近场扫描是“管中窥豹”,电波暗室则是“纵观全局,明察秋毫”。

 

——总之,近场扫描的结果仅供参考,电波暗室的测量结果才是客观事实,不可相提并论,更加不可以两者混为一谈。

 

如上所述,排除法适用于辐射骚扰和传导骚扰的定位,而近场扫描法通常仅适用于辐射骚扰的定位,在实际 EMI 问题的分析定位中,大家也可以两种方法结合使用。

 

内嵌核心板产品的常见 EMI 干扰源,如下 4 所示。

 

表 4 内嵌核心板产品的常见 EMI 干扰源

 

对于 EMS 电磁抗扰问题的定位,主要是寻找产品或系统中对电磁干扰较为敏感的部件或电路,总体思路是:由表及里,寻根溯源。

 

在进行电磁干扰敏感源的定位时,我们也可以采用排除法,化整为零,从整机到部件,由表及里,再从部件到电路,逐步逼近,寻根溯源,直至找到最终的敏感位置。

 

内嵌核心板产品中常见的 EMS 敏感源,如下表 5 所示。

 

表 5 内嵌核心板产品的常见 EMS 敏感源

 

除了上述的“干扰源”和“敏感源”,我们在进行 EMC 问题分析时还需要特别注意“传播路径”的影响。电磁干扰的“传播路径”通常分为辐射和传导两种,而“电缆”(包括互联接口线缆、电源线缆,以及 PCB 上的电源及信号走线等)则是电磁干扰传播路径的物理媒介,根据相关统计,将近 90%的 EMC 问题是由电缆造成的,电缆是高效的电磁波接收天线和发射天线,同时也是电磁干扰传导的良好通道。

 

3.    整改及效果验证(步骤 3)

对产品 EMC 问题的整改,通常有“屏蔽”、“滤波”、“接地”这三大方法,相信应该大部分用户已经初步了解过,也可以自行查阅相关书籍或网络文献。

 

 

这里我们主要就产品 EMC 整改过程中一些比较容易忽略的点进行介绍。

 

“屏蔽”,是针对辐射电磁干扰进行整改的主要方法,一般针对产品的电缆、结构及孔缝进行屏蔽。要特别注意的是,屏蔽措施一定要配合接地措施来使用,否则效果减半或毫无作用;另外,实施屏蔽措施时要做到 360 度的闭合搭接,不留孔缝或者等效的棒状天线。

 

“滤波”,是针对传导电磁干扰进行整改的主要方法,通常需要在产品及其电路上额外增加滤波器件,诸如共模电感、差模电感、电容、磁珠及电阻等。一般分为疏导型和消耗型两种滤波方式,疏导型“滤波”措施(如电容滤波)需要配合“接地”使用。需要特别注意的是,滤波措施尽量靠近干扰源或敏感源放置,以免“滤波”措施的效果大打折扣。

 

“接地”是“屏蔽”和“滤波”两大措施中电磁干扰的有效疏导路径。接地的方式有很多种,比如单点接地、多点接地、电容接地、阻容接地、电感接地、磁珠接地、电阻接地等,实际的产品或系统中,适合采取哪种接地方式,需要看属于哪个类型的地(如大地、安全地、数字地、模拟地、功率地等),一个接地方式,一个地的类型,得搞清楚两个问题,才能避免接错“地”的情况,总结起来就是“接地方式决定于接地目的”。

 

如上所述的“屏蔽”和“滤波”都是从硬件方面进行整改,从更广义的角度,“屏蔽”和“滤波”也是可以通过软件方法来实现的。这里列举一些软件上“屏蔽”和“滤波”的整改方法供大家参考,在实际应该用中,可以举一反三。

 

表 6 软件 EMC 整改方法

 

四、核心板应用的的注意事项

以上是产品出现 EMC 问题后的整改方法和大体思路,那么在应用核心板进行产品开发时如何避免 EMC 问题呢?接下来,我们看看有哪些注意事项。

 

 

1.    电源电路的 EMC 设计

电源接口是产品 EMC 试验必做的接口之一,包括 EMI 电磁干扰和 EMS 电磁骚扰两个方面。内嵌核心板的产品在电源接口设计时,要注意如下几个方面:

 

1)    在产品底板电源电路靠近电源接口处增加 TVS 二极管防护,以便抑制浪涌干扰。需要结合供电电压选择合适规格的 TVS 二极管。

 

2)    如果采用 DC/DC(通常放置在底板)作为核心板的直流供电,建议在 DC/DC 输入增加 EMI 滤波电路,以便降低产品出现传导骚扰和辐射骚扰超标的概率。

 

3)    如果核心板有多个电源供电引脚,底板上这些电源信号靠近核心板处增加滤波电容。采用诸如 10uF、0.1uF、1nF 等不同容值的贴片电容并联,以便进行宽频滤波。

 

2.    接口电路的 EMC 设计

核心板的接口电路通过板对板连接器(或邮票孔)扩展到底板,有的甚至成为产品整机的输入输出接口,比如按键、LED 指示、SPI、I2C、串口、LCD、Ethernet 等,如果这些接口电路没有做 EMC 设计或是 EMC 设计不合理,一方面外界电磁干扰经由接口及接口电路传导到核心板,轻则引起误动作,重则损坏核心板,另一方面核心板和底板的电磁干扰会以传导或辐射的方式对外发射电磁干扰,导致产品整机的 EMI 测试超标。

 

 

内嵌核心板的产品在接口电路设计时,有如下几个注意事项:

 

1)    若产品输入信号为高低电平信号(如按键、复位、开关量等),且信号在底板上的走线较长时,应在底板上靠近核心板 I/O 输入附近增加 RC 滤波;

 

2)    若产品输入信号为高速数字信号(如时钟、SPI、I2C、AD 采样信号等),应该更多地从 PCB 布局及布线上去考虑,确保底板上的高速信号走线尽量短,尽量少过孔,可在信号走线上适当增加 ESD 等防护器件,但不宜有过大的寄生电容或滤波电容,以免影响高速信号的质量;

 

3)    对于从核心板扩展到底板的高低电平输出信号,更多的是从抗电磁干扰的角度考虑,在底板上的信号走线尽量短,也可适当增加 ESD 等防护器件;

 

4)    对于从核心板扩展到底板的高速数字信号(如 SPI、I2C、串口、以太网及 LCD 接口)输出,更多是从 EMI 的角度去考虑,可以在这些高速数字信号上适当增加匹配电阻或 RC 滤波电路,同时高速信号在底板的走线也要尽量短并少过孔。

 

5)    对于有较多数据线和时钟线的输出接口(比如 LCD 接口),可在信号线中串入排阻,并在底板上将排阻靠近核心板放置,从源头上减少 EMI 的发射能量,同时也可以采用多层板设计,高速信号和时钟走线尽量在 PCB 内层走线,对 LCD 的时钟线进行包地处理,减少信号环路面积,进一步减少 EMI 干扰。

 

3.    核心板在底板的布局及装配

除了供电和接口电路的优化设计,核心板在底板上的布局或是装配方式不合理,也会容易引起 EMC 问题。核心板在底板布局和装配方面,有如下注意事项:

 

1)    核心板尽量布局在底板的中央区域,避免放置在底板边沿或靠近底板的外围接口,这样能够减小外界电磁干扰对于核心板的不利影响;

 

2)    如果核心板有定位孔(与 GND 连接)和板对板连接器,我们建议在底板上预留与核心板对应的定位孔(也与 GND 连接),将核心板通过连接器装配到底板后,同时在核心板和底板的定位孔安装上铜柱,用螺丝锁紧,既能减震,也能确保整个核心板有良好的接地,且保持较低的接地阻抗。

 

3)    在产品内部结构设计或安装时,接口线缆不能直接放置在核心板的上方,或穿过核心板和底板之间的缝隙,或紧挨着核心板,以便能够尽量避免核心板将干扰耦合到接口线缆上,或外界干扰通过接口线缆耦合到核心板上。

 

篇幅所限,以上仅对内嵌核心板的整机产品 EMC 问题分析及解决做了概要性的介绍,供用户参考和借鉴。我们也可以为用户提供 EMC 设计或整改的技术服务,助力用户产品尽早达成预定的电磁兼容性能指标。