如何选择具有电磁兼容特性的元器件?
电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的,而是天天都在改变,这也是各国政府或经济组织,保护自己利益经常采取的手段。
选择具有良好电磁兼容(EMC)特性的元器件是电子产品设计中的关键步骤,能有效预防干扰问题并降低后期整改的成本与难度。以下是系统性的选择策略和关键考虑因素:
一、 基础原则与理念
- 源头控制优先: 选择干扰发射水平低的元器件作为“安静源头”,是解决干扰问题最有效的方式。
- 敏感度关注: 对于可能接收干扰信号的敏感电路(如模拟前端、复位电路、时钟输入),选择抗干扰能力强的元器件。
- 高频特性考量: EMC问题本质上是高频问题(几十MHz到GHz范围)。元器件的非理想高频特性(寄生参数)往往是关键,不能只看低频或直流规格。
- 系统思维: 元器件选择必须结合整体电路设计、PCB布局布线和系统屏蔽接地策略。单个“好”的元器件在糟糕的系统中效果可能为零。
二、 核心选择策略
-
明确应用环境和标准要求:
- 了解目标市场的EMC法规要求(如CE/FCC中的相关标准等级)。
- 确定产品应用环境中的噪声水平(工业、汽车、医疗要求不同)。
- 了解产品内部干扰源强度(如大功率开关电源、高速数字电路)。
-
利用供应商信息和认证:
- 优先选择: 声称有良好EMC特性、提供详细应用笔记、有EMC仿真模型或已通过相关认证(如AEC-Q100/Q101汽车级)的元器件和供应商。
- 查看规格书: 特别关注规格书中有关EMC的参数:
- 开关器件(MOSFET, IGBT)的
dV/dt(电压变化率)、di/dt(电流变化率)指标,越低干扰越小。 - 数字IC(MCU, FPGA, SerDes)的电源噪声容限(PSRR - 电源抑制比)、时钟抖动(Jitter)规范、I/O接口的驱动电流(slew rate控制选项)。
- 时钟振荡器的相位噪声指标、是否支持扩频功能。
- 有源滤波器/抑制器件的抑制带宽和插入损耗曲线。
- 高频寄生参数: 电容、电感、电阻、磁珠的等效串联电阻、等效串联电感、自谐振频率。
- 开关器件(MOSFET, IGBT)的
- 索取模型: 索要元器件的 SPICE 模型或 IBIS 模型(尤其用于数字IC接口、时钟缓冲器等),进行信号完整性和电源完整性预仿真。
-
分类型具体选择要点:
- 集成电路(IC):
- 低噪声: 模拟前端(运放、ADC、DAC)、传感器接口选择低噪声版本。
- 片上EMC特性:
- 电源引脚: 要求带片内去耦电容/滤波,高PSRR。查看对电源纹波的要求。
- I/O接口: 优先选择支持驱动强度/压摆率控制的IO。具有可控阻抗输出更好。
- 复位/中断引脚: 带有内部上拉/下拉电阻、消抖滤波功能的更抗扰。避免悬空。
- 时钟输入: 带施密特触发特性、抖动低、对电源噪声免疫。
- 片上噪声源管理: 如开关电容DCDC转换器是否内置有效滤波。
- 封装: 低电感封装(如LGA、QFN)通常优于高电感封装(如DIP)。关注引脚分布对电源环路的影响。
- 无源元件(电阻、电容、电感):
- 高频特性至上:
- 电容 (去耦电容): 低ESL(等效串联电感)是关键(如多层陶瓷电容MLCC、X2Y型电容 > 普通MLCC > 铝/钽电容)。优选小尺寸封装(如0402、0201),并联多种容值(覆盖宽频带)。关注自谐振频率(SRF)。必要时使用三端电容、穿心电容。
- 电感 (扼流圈、功率电感): 用于滤波时选择封闭磁芯结构(如磁胶、一体成型电感)以减少漏磁。关注饱和电流、DCR(直流电阻)和频率特性。避免未屏蔽的线圈电感靠近敏感线。
- 电阻: 高速信号线终端匹配电阻优先选用低寄生电感的薄膜电阻(如金属膜),避免线绕电阻。大功率应用考虑散热设计。
- 高频特性至上:
- 磁性元件与滤波器:
- 共模扼流圈: 抑制线缆共模辐射/耦合的关键元件。选择在目标干扰频段具有高阻抗的产品。关注其寄生电容、饱和电流、差模信号损耗。
- 铁氧体磁珠(Ferrite Bead): 高频滤波利器(抑制数百MHz以上噪声)。精确选择:
- 根据待抑制噪声频率范围查阅特性曲线(选择阻抗显著上升的频段)。
- 考虑额定电流和直流电阻带来的压降和温升。
- 了解其高频模型(R+C//L),阻抗峰值后变为容性可能引发谐振。
- 专用EMI滤波器: AC/DC输入端、高速接口(USB, HDMI)等位置的集成滤波器,确保其额定电压、电流、插入损耗满足要求。
- 连接器与线缆:
- 屏蔽连接器: 高速信号(如LVDS, USB3.0)或易受扰信号优先选用带金属外壳屏蔽、多点低阻抗接地的连接器。带内部导电塑料的更好。
- 屏蔽线缆: 连接屏蔽连接器必须选用对应屏蔽层(如编织网、铝箔)覆盖足够(>85%以上)的线缆。屏蔽层360°搭接至连接器外壳。
- 内部分布线: 扁平电缆考虑使用带接地层和屏蔽的排线。
- 时钟元件:
- 低频时钟源: 选用基音模式的晶体谐振器,避免泛音模式(谐波干扰强)。
- 高频时钟源: 优先选择集成片内滤波和扩频技术的时钟发生器/缓冲器。
- 晶体/晶振: 选择低抖动/相位噪声的型号。外壳接地设计利于屏蔽。靠近IC放置。
- 电源转换器(开关电源IC/模块):
- 高效率: 效率越高通常损耗发热越小,间接减少噪声。
- 低噪声拓扑: 某些拓扑(如LLC)本身比普通Buck产生更少噪声。
- 软开关技术: 零电压开通、零电流关断等技术可显著降低开关噪声。
- 开关频率: 考虑主开关频率和高次谐波是否会落在敏感频段。选择开关频率可调或具备扩频功能的IC。避免在特定频点(如AM收音频段内)工作。
- 控制精度与环路稳定性: 减少输出电压纹波及异常振荡。
- 输入前级EMI滤波: 模块如内置可简化设计。
- 瞬态抑制器件 (TVS, ESD防护):
- 选择箝位电压低、响应速度快(如TVS)、寄生电容小(尤其高速信号线)的器件。
- 关注功率等级和电压等级是否符合要求。
- 确保其在抑制浪涌时不会对正常工作信号造成衰减。
- 集成电路(IC):
-
关键参数与数据解读能力:
- 熟练理解 ESR, ESL, SRF, SRF, PSRR, IL (Insertion Loss), VSWR, Jitter, Phase Noise, dV/dt, di/dt 等参数的含义及其对EMC的影响。
- 能阅读器件的阻抗/衰减 vs. 频率曲线图、PSRR vs. 频率图、眼图等。
-
利用标准件库与参考设计:
- 复用已经过验证的参考设计中推荐的具有良好EMC性能的元器件。参考大厂提供的评估板设计。
- 建立和维护公司内部的“优选元器件库”(PPL),纳入经过测试验证的EMC性能良好的器件。
-
成本、体积与供货的权衡:
- 在满足EMC要求的前提下,选择性价比高、封装紧凑、供货稳定的型号。
- 优先选择标准化、通用化的元器件,避免使用复杂定制件。
三、 验证与迭代
- 仿真: 利用 EMC 仿真工具(如SI/PI工具)评估关键电路(电源分配网络PDN、高速信号通道)。
- 预合规测试: 在设计阶段就使用近场探头、频谱仪等进行摸底测试,及早发现潜在问题并调整元器件选型。
- 原型测试: 制作工程样机,进行标准EMC预测试或正式测试,验证选型效果。根据测试结果进行针对性的元器件替换或电路调整。
总结: 选择EMC友好的元器件是一个持续、主动、贯穿设计全程的工作。需要工程师具备扎实的电路基础、深刻理解EMC原理、细致解读器件规格书、具备高频意识,并结合仿真和测试进行验证。没有绝对“万能”的元器件,关键是将合适的元器件用在了合适的位置并配合了正确的系统设计。 坚持从源头控制、重视高频特性、善用供应商资源和仿真测试工具,是成功的关键。
最重要补充: 详细的规格书阅读和供应商沟通是获取元器件真实EMC特性的最直接手段,切勿仅凭经验或型号表面信息做决策。
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孙靖峰
2019-09-20 08:00:00
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