124月 2018

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PCB电磁兼容设计技术资料大放送-第一季

世界上只有两种硬件工程师,一种是已经遇到电磁兼容性问题,一种是将要遇到电磁兼容性问题。呵呵,老wu这里套用Eric Bogatin的《信号完整性与电源完整性分析》一书里的经典名句。

电机设备和电子产品在使用过程中可能产生电磁辐射,以致干扰其他设备的正常运行,甚至影响人体健康。因此几乎全球主要经济体的国家已在过去二十年期间先后立法规范,要求任何产品所产生的电磁辐射必须符合电磁干扰/兼容的法规标准,否则不准上市销售。而近年来随着无线通讯的快速发展,世界各国的法规标准日趋严格。由于现代的电子产品,功能越来越强大,操作速度越来越快,电子线路也越来越密集与复杂,电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题变成了设计上的主要挑战,因此除了对电路设计技术水准的要求越来越高外,目前也开始PCB与IC 半导体电路的EMC 问题展开研究。一个好的电子产品,除了产品本身优异的功能外,高水准的电磁兼容电路设计,对产品品质及技术性能指标都具有相当关键的影响力。电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行最佳化设计,使之能成为符合各国或地区电磁兼容标准的产品。

然而,以往解决EMC的问题往往是见树不见林,也就是仅针对部分问题寻求抑制对策,而欠缺系统性的全面设计规划,以至于无法有共通性的解决方案; 因此解决电磁干扰/兼容的问题需要理论与经验的结合,且需要在设计电路或系统之初即以系统观点考虑可能的电磁干扰/兼容问题,更要事先进行原因分析(Root Cause Analysis: RCA)的评估,事后进行补救所花费的成本将更可观。电磁干扰/兼容的领域很广泛,包括电力、电脑、通讯、控制、医疗设备、运输电子、军事设备、资讯科技、消费性电子、家用电器、信号传输、材料特性、量测技术、屏蔽技术、生医电磁学(bio-electromagnetics)等。

目前在工作频率越来越高的情况下,许多在低频时问题不大的信号完整性 (SI)以及电磁干扰(EMI)问题是越来越严重。由于电路中的单位密度元件增加, 造成电路走线引起的问题越来越多。举个栗子,印刷电路板上的微带线在传输电子信号时,由于电磁波会藉由介质向外传播,而产生电磁辐射或耦合的现象, 影响其他电子元件正常工作。过去在设计电路走线时,因为频率较低,因此考虑的因素相对来说并不多,只要遵守一些基本原则就足够应付了,但随着传输速度增加,工作频率上升,渐渐的已无法防止电磁效应所产生的干扰,因此从过去的单一传输信号线之后,差模传输对也逐渐在一些产品上被采用,差模信号的传输是利用两大小相同相位相反的信号同时传输,此时因为电流反向,磁场相互抵销,造成破坏性干涉,因此能够降低电磁干扰(EMI)。此外,早期探讨电磁兼容测试是在测试设备与设备或系统与系统间相互干扰,而随着无线通讯的应用与日俱增与科技的日新月异,产品体积轻薄短小化且功能丰富多的状况下,高速数字系统的设计都需附加愈来愈多的无线通讯技术;如在Notebook 中加入GSM、WLAN、GPS、Bluetooth、DVB-H……等,在缩小的体积内建置更多的无线通讯模组与天线。目前我们发现不管是系统或元件(如模组、天线),当这些系统或元件整合到数字无线通讯系统时,这些系统或元件间产生噪声的干扰可能会影响到其本身的传输性能,如data rate 降低、传输距离变短等。此种无线通讯的Platform Noise 观念其实跟EMC 是相同的,只是Platfrom Noise 又是更严重的问题,因为很多意图发射的元件或模组一起紧密建置于系统内时, 在操作情况下,所需注意的焦点已经不单单只在设备与设备之间的EMC 问题, 更是演进到系统内模组兴模组间的兼容性测试与设计分析。

此外,随着半导体电路(IC)的功能越来越强、操作速度愈来越快、应用愈来愈广泛,使得目前资讯通讯与车辆产业在系统整合时所造成的电磁干扰问题也越来越严重,半导体电路已成为电子系统之整体电磁干扰能量的重要来源,一般而言, 解决EMC 的问题越往源头越容易解决,而且解决的成本亦较低,因此除了在设计初期即进行模拟分析外,EMC 技术发展的趋势将是由系统开始,而后逐渐朝模组与电路板设计方向的系统内干扰问题研究,未来则无可置疑地必须往芯片层级的设计与制程解决EMC 的问题,产业界将导入芯片层级之EMC 限制值概念, 研究其对模组与系统之EMC 效应影响以及管制机制。以期能够提升产业界解决EMC、PI、SI 等迫切问题的技术与能力,建立完整的EMC 设计规范与量测技术, 并培养国内产业界在纳米时代之IC 设计与产品差异性设计时所需的相关专业人才。从系统层面到芯片所遭遇之 EMC 问题列举相关的研究课题如下:

1. 车辆电磁干扰/兼容 (Automotive EMI/EMC)

车用电子通讯设备日渐普及,宽频时代的定位、天线、安全、多媒体、娱乐、 电子收费、远距离医疗等高科技的电子产品都可能成为车内配备。多种电子产品集中在狭小空间里,彼此间容易产生电磁干扰,而可能衍生之行车安全问题更是各国交通主管单位与大车厂所关注的问题,因此ISO 11451及ISO 11452等系列标准及制定出从整车到电子控制模组(ECU)的EMC标准,值得投入研究。例如火星塞引燃的突波(Surge)及马达运转时产生之反电动势(back EMF)暂态波形对车内电子通讯设备(如音响、收音机等)的电磁干扰、天线所发射的电磁波对车内电子通讯设备的电磁干扰、电子通讯设备间的相互电磁干扰、雷突波(LEMP)对车内电子通讯设备的电磁干扰都是研究的课题,尤其目前我国及世界各国正积极发展电动车辆及相关汽车电子产业,更需投入相关之研究与设计技术,其中汽车电子的未来趋势将是朝向安全车辆(先进式安全汽车ASV;线控刹车、驾驶、以及汽阀)、智能车辆(车内网路、ITS、Telematics、与短距通讯DSRC)、绿能车辆(EV、 HEV、FCEV)发展,因此在高速数字电子与低驱动电力的复杂动力组合架构下, 车辆之电磁兼容设计与验测技术将面临新的挑战。

2. 无线通信系统干扰/兼容 (Wireless Communications EMI/EMC)

现代电子产品功能整合越来越强大,操作速度越来越快且强调无线上网与通信的能力,而内部的数字电子线路也越来越密集与复杂,因此除了传统的电磁干扰和电磁兼容问题变成了高速数字电路设计上的主要挑战,对电路性能设计技术水准的要求越来越高外,目前也开始朝系统内干扰(Intra-system)问题展开研究, 因为它将会直接导致无线通信传输性能劣化的 Platform Noise 问题。一个好的数字无线通信电子产品,除了产品本身优异的功能外,高水准的电磁兼容电路设计, 对产品品质及技术性能指标都具有相当关键的影响力。 Platform Noise 设计实际上就是针对数字无线通信产品内部电磁兼容产生的电磁干扰进行系统最佳化设计,使之能成为符合各主要厂商(如: Nokia、Motorola、SONY ERICSON、Dell … 等)对于其无线通信系统高灵敏度(sensitivity)要求的产品。早期探讨电磁兼容测试是在测试设备与设备或系统与系统间相互干扰,而随着无线通讯的应用与日俱增与科技的日新月异,产品体积轻薄短小化且功能丰富多的状况下,高速数字系统的设计都需附加愈来愈多的无线通讯技术;如在Notebook 中加入GSM、WLAN、 GPS、Blue tooth、DVB-H……等,在缩小的体积内建置更多的无线通讯模组与天线。目前我们发现不管是系统或元件(如模组、天线),当这些系统或元件整合到数字无线通讯系统时,这些系统或元件间产生噪声的干扰可能会影响到其本身的传输性能,如data rate 降低、传输距离变短等。此种无线通讯的Platform Noise 观念其实跟EMC 是相同的,只是Platform Noise 又是更严重的问题,因为很多意图发射的元件或模组一起紧密建置于系统内时,在操作情况下,所需注意的焦点已经不单单只在设备与设备之间的EMC 问题,更是演进到系统内模组兴模组间的兼容性测试,而因应此趋势,电磁兼容设计与验证已经逐渐从电子设备或系统设计的重心转移到模组与半导体电路元件(SOC)上,并必须投入系统整合设计之EMC 研究。

3. 印刷电路板的电磁干扰/兼容 (EMI/EMC in PCB)

随着电子产品操作频段不断的提高,印刷电路板的电磁干扰问题越来越严重。印刷电路板在设计之初通过电磁干扰/兼容检验,在装机整合过程后,可能无法通过检验或无法运作。这类问题牵涉到元件摆置、导线布置、接地系统设计、辐射干扰信号的压制等,都是值得探讨的课题。

4. 半导体电路系统与封装的电磁干扰/兼容 (EMI/EMC in SoC, SiP and Package)

鉴于近年来半导体制程技术之演进相当快速,在晶圆厂与设计公司进入纳米时代,其所设计的电路参数变化效应也已进入到影响芯片效能的时代,然而这些进步却衍生如Signal Integrity与EMC等相关的问题,使得系统芯片在实现整合混合信号(mixed-signal)功能与高速I/O介面时将更加困难,同时由于低电压制程技术的普及,使得系统与芯片层级的电源完整性( PI)与ESD问题亦亟待解决。电子通讯产品的硬体整合往系统芯片(SoC)及系统封装(SiP)的方向发展,包括整合天线在芯片或封装内部。电磁干扰/兼容问题是射频半导体电路(RFIC)或单晶微波积 体电路(MMIC)与基频处理器共设计过程的重要议题,值得研究。

5. 暂态电磁干扰/兼容 (Transient EMI/EMC)

通讯、雷达、智能车辆、医疗等系统均装配许多高灵敏度的电子仪器设备, 易受到暂态感应电流的干扰。这些电子通讯系统内有很多IC零件,如果没有适当的保护措施,很容易造成误动作、暂时性甚至永久性的损坏。引起设备损坏的暂态电磁干扰源包括雷突波 (LEMP)、静电放电 (ESD)、核爆脉冲波(NEMP)、电流突波 (Surge)等,值得研究。

6. 天线隔离度解决方案

随着无线通讯产品之缩小化与通讯频带整合之需求,多频或宽频天线设计是必然的趋势,也因此在同一产品内,有包含多支天线的需求,如何增加多天线之间隔离度的问题,以避免个无线系统间之非意图辐射耦合(如:spurious emission) 问题,都值得研究。相关的研究课题包括:多馈入(multi-port)天线的设计,同时满足数个无线通讯系统的输出入需求并且不互相干扰、多天线之间的隔离度以及MIMO天线间之隔离度对信号传输影响的研究分析、天线间去耦合的电路设计… 等等,均为重要的研究主题。

7. 屏蔽材料 (Shielding materials)

利用材料的特性将电子通讯系统内元件与元件间或元件与子系统间的电磁 场隔离,一则防止电磁波向外辐射造成干扰,一则抑制外来的电磁波干扰内部的 电子通讯系统。屏蔽材料的研究课题包括材料的电磁特性分析、材料结构形状的 研究、材料厚度的影响等。例如开发船舰、飞机上的吸波漆材以降低船舰、飞机的雷达截面积、防高频电磁波的衣料开发等,尤其是造价极高之电波无反射室之建造应用,在在均广泛使用兼容性的屏蔽与吸波材料,此一领域已经广受微波领域的重视,未来更应积极发展宽频材料之设计与特性量测技术。

8. 电磁干扰/兼容量测技术 (EMI/EMC test and measurement techniques)

电磁干扰/兼容量测是否准确取决于量测环境是否合格、量测仪器是否标准、 量测仪器与待测物间的电磁耦合效应是否排除、人为的操作程序是否正确等诸多 因素。许多既有的电磁干扰/兼容的量测程序、环境、仪器等均有标准规范或国 际认证。新的电子通讯产品不断的推出,部份量测技术尚未订定标准规范或必须 修订,如何设计一套恰当的量测技术值得研究。

9. 模型化及模拟技术 (Modeling and Simulation)

值得研究的课题包括建立输入/输出缓冲器资讯规格(IBIS)模型以及互连线路(Interconnects)的等效电路模型,发展计算电磁方法等,藉由模拟技术探讨信号/电源完整度(SI/PI )与电磁干扰/兼容之间的关联性,并能有效应用于各项从元件、 模组、电路板、一直到完整系统之电磁干扰/兼容议题的预测与防范分析上。

老wu这里分享一些电磁兼容性设计方面的资料,分享给大家,算是第一季吧,以后应该还会有更多的分享。

EMC设计方面的书籍资料:

《电磁兼容工程》,清华大学出版社出版,英文书名:Electromagnetic Compatibility Engineering 作者:Henry W.Ott著,邹澎 等译。《电磁兼容工程》对理论分析和应用技术讲得很具体,实用性很强。例如关于电缆与机箱的屏蔽及屏蔽层的端接方法,无源器件和有源器件的噪声分析,对差模辐射、共模辐射及抑制措施的分析,去耦效果的定量研究,触点保护技术,静电防护技术,对PCB板走线上信号的返回电流路径的分析及PCB板上槽和缝隙的处理方法,PCB板上的数字电流分析及模拟地和数字地的处理方法,多层PCB板上的电磁兼容技术,EMC预测量,部分电感的计算及接地面电感的测量等。

虽然近几年国内已经出现了很多电磁兼容教材和专著,但是对于经常要面对产品的电磁兼容认证问题,要处理许多实际电磁兼容问题的系统设计工程师和电路设计工程师来说,本书仍不失为一本不可多得的参考资料。本书也可以作为电子类、电工类、通信、检测技术、仪器仪表等专业研究生、本科高年级学生的教材及相关行业的培训教材。

《电磁兼容导论》,人民邮电出版出版,英文书名:Introduction to Electromagnetic Compatibility作者:Clayton R.Paul著,闻映红 等译。《电磁兼容导论》全面系统地讲述电磁兼容(EMC)的基本原理及其应用,包括EMC概论、电子系统的EMC要求、电磁场理论、传输线、天线、元件的非理想性能 、信号谱、辐射发射和敏感度、传导发射和传导敏感度、串扰、屏蔽、静 电放电、EMC的系统设计等内容。

本书讲述深入浅出,配合典型例证,实用性强。本书可作为高等院校 相关专业电磁兼容课程教材,也可供EMC设计开发人员参考。

《Grounds for Grounding A Circuit to System Handbook》, 接地设计和安装方法对任何电气或电子系统的安全和性能都至关重要。 融合理论和实践,这是第一本提供从电路到系统接地的菊花宝典。

《辐射发射控制设计技术》,科学出版社出版,英文书名:CONTROLLING RADIATED EMISSIONS BY DESIGN,作者:[美] Michel Mardiguian 著,陈爱新 译。本书是一部关于电磁兼容(辐射发射控制)设计的经典著作。全书共分13章,主要内容包括:辐射干扰概论、简单电路的电场和磁场、非正弦波源的辐射声、设计低辐射产品的基本策略、芯片和集成电路级辐射发射控制、印制电路板设计、母板和背板的发射控制、控制开关电源的辐射场、通过内部布线和封装减小辐射电磁干扰、机箱屏蔽、控制外部线缆的辐射、主要辐射发射规范和测试方法、辐射电磁干扰问题排故。
本书的重点不在基础论上,而是侧重于实际应用。近200幅图表以及大量的工程实例便于读者更加形像地理解本书所讲述的知识,并针对在工程设计中所遇到的问题给出了正确有效的解决方案。

《高速数字设计》,电子工业出版社出版,约翰逊(Howard Johnson) 格雷厄姆(Martin Graham)著,沈立 等译,在高速数字电路信号完整性丛书中相当niubility的一本,及俗称的信号完整性黑魔书,作为比较早出来的信号完整性参考书,对国内的信号完整性研究发展起到了巨大而深远的影响,可以说,凡是信号完整性领域的大神,都拜读过这本书。

《EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers》,此书针对电子产品无法通过EMI/EMC测试提供了一站式的解决方案,它为工程师或技术人员构建简单,易于实施且价格低廉的故障排除工具或辅助工具提供了“配方” ,此书通俗易懂,只需要极少的电磁理论和数学知识。

《实用电子元器件与电路基础》,电子工业出版社出版,外文书名: Practical Electronics for Inventors,作者:保罗·施瓦茨 (Paul Scherz) (作者), 西蒙·莫克 (Simon Monk) (作者), 夏建生 (译者), 王仲奕 (译者), 刘晓晖 (译者), 郭福田 (译者), 等 (译者)。本书从电路基本原理的介绍开始,对各种类型的电子元器件进行了详细具体的分类介绍。首先重点介绍了包括电阻,电感,电容,变压器等在内的基本电子元器件;然后分别介绍了各种半导体器件、光电器件、各种传感器、运算放大器、直流稳压和调压器件、电声器件等专用元器件;介绍了各种滤波电路的设计及实用电路、各种振荡电路及555时基电路;在数字电路中,从各种门电路、触发器开始,详细介绍了各种中规模集成数字器件,如寄存器、计数器、编码器、译码器、数据选择器、数据分配器、数字显示器,以及大规模集成电路的存储器、可编程逻辑器件、微处理器和模块化电子设备等;在电机及控制电路中,介绍了直流电动机、伺服电动机和步进电动机等。详细提供了各种元器件的型号、参数、接线引脚、外型、实物图片等,并给出了典型的实用电路图,清晰的手绘电路图多达750余幅;特别需要指出的是,本书结合图解方法,详细地介绍了制作实用电子电路的过程、方法、步骤和注意事项,以及常用仪器仪表的操作使用,元器件的选择,安全操作等,细节几乎面面俱到,这也是本书的一大特点。

《麦克斯韦方程直观》,机械工业出版社出版,英文原版书名:A Student’s Guide to Maxwell’s Equations,作者:丹尼尔·弗雷希 (Daniel Fleisch) 著, 唐璐 译。《图解直观数学译丛:麦克斯韦方程直观(翻译版)》用浅显的语言,介绍了科学中4个最有影响力的方程:高斯电场定律、高斯磁场定律、法拉第定律和安培一麦克斯韦定律。书中对每个方程都进行了详尽的讲解,包括每个符号的物理意义,各方程的积分形式和微分形式等。《图解直观数学译丛:麦克斯韦方程直观(翻译版)》还配有网站。网站提供了书中所有内容的英文原声MP3文件,可以在线播放。网站上还有书中所有习题的答案和解题步骤,以及互动形式的分步骤提示。

麦克斯韦方程组(英语:Maxwell’s equations)是一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。该方程组由四个方程组成,分别是描述电荷如何产生电场的高斯定律、表明磁单极子不存在的高斯磁定律、解释时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律,以及说明电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律。麦克斯韦方程组是因英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦而命名。麦克斯韦在19世纪60年代构想出这方程组的早期形式。

在不同的领域会使用到不同形式的麦克斯韦方程组。例如,在高能物理学与引力物理学里,通常会用到时空表述的麦克斯韦方程组版本。这种表述建立于结合时间与空间在一起的爱因斯坦时空概念,而不是三维空间与第四维时间各自独立展现的牛顿绝对时空概念。爱因斯坦的时空表述明显地符合狭义相对论与广义相对论。在量子力学里,基于电势与磁势的麦克斯韦方程组版本比较获人们青睐。

自从20世纪中期以来,物理学者已明白麦克斯韦方程组不是精确规律,精确的描述需要借助更能显示背后物理基础的量子电动力学理论,而麦克斯韦方程组只是它的一种经典场论近似。尽管如此,对于大多数日常生活中涉及的案例,通过麦克斯韦方程组计算获得的解答跟精确解答的分歧甚为微小。而对于非经典光、双光子散射、量子光学与许多其它与光子或虚光子相关的现象,麦克斯韦方程组不能给出接近实际情况的解答。

从麦克斯韦方程组,可以推论出光波是电磁波。麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程是经典电磁学的基础方程。得益于这一组基础方程以及相关理论,许多现代的电力科技与电子科技得以被发明并快速发展。

《产品设计中的EMC技术》,电子工业出版社出版出版,外文书名:EMC for Product Designers Fifth Edition,作者:威廉姆斯 著。随着经济与电子技术的发展,电磁兼容(EMC)越来越受到电子、电气设备设计人员的关注。本书内容覆盖了EMC指令下的应用、标准和测试方法,以及为了满足符合性要求而采用的设计原理和技巧,几乎包括了所有满足EMC指令的必要信息。更重要的是,它指导读者如何将EMC设计规则应用到产品中去。

本书可以作为电子产品设计部门在EMC方面的必备参考书,也可以作为电子和电气工程师进行EMC培训和学习的教材或参考资料。此外,本书也可供EMC测试工程师、工程管理人员以及电子类专业的高年级学生参考学习。

《印刷电路板设计-在真实设计里的EMI控制》,英文书名: PCB Design for Real-world EMI Control, 作者:Bruce Archambeault,老wu觉得灰常棒的一本EMI设计教程,没有令人头大的数学公式推导,给出的都是简化了的公式,书内容讲的都是日常电子产品设计中真实的EMI设计问题和指导。

印刷电路板设计-在真实设计里的EMI控制这本书内容阐述许多EMI的一些基本概念,对于EMI工程师是很好的教科书,同时对于电子产品硬件、layout、结构工程师也是不错的参考教程。毕竟,好的EMI产品设计是要个个部分配合的。阅读本书你可以知道要如何做好EMI设计,更重要的是知道其原理,知其然更知其所以然。

《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》,电子工业出版社出版,作者:郑军奇。《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》以EMC案例分析为主线,通过案例描述、分析来介绍产品设计中的EMC技术,向读者介绍产品设计过程中有关EMC的实用设计技术与诊断技术,减少设计人员在产品的设计与EMC问题诊断中的误区。书中所描述的EMC案例涉及结构、屏蔽与接地、滤波与抑制、电缆、布线、连接器与接口电路、旁路、去耦与储能、PCBLayout,以及器件、软件与频率抖动技术等各个方面。

《NEC应用笔记 改善EMC的PCB设计》
《摩托罗拉电路板级的电磁兼容设计》
《如何设计符合EMI 要求的PCB》
《Getting EMC Design Right First Time》
《高速数字电路设计 及 EMC 设计》
《PCB的EMC设计指南-华为》

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