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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-01-20 09:28
我們都知道，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求也逐步提高，而且更注重應(yīng)用場景之廣、安全性能要求之高。
應(yīng)用場景之廣能達(dá)到什么程度呢？上天、立地、入海無處不在。
安全性方面的要求只多不少，尤其是關(guān)于電磁干擾的方面，更是重中之重，必須盡量避免發(fā)生故障，杜絕麻煩的產(chǎn)生。
有不少電子產(chǎn)品生產(chǎn)上對電磁兼容的印象，還停留在猶如“一紙大學(xué)文憑”上，即通過EMC認(rèn)證就好。然而，如今的電磁兼容設(shè)計(jì)已經(jīng)成為系統(tǒng)質(zhì)量可靠性的重要組成部分。
如果一個(gè)產(chǎn)品的系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容都無法做好，那么在投入量產(chǎn)之后，這種產(chǎn)品會給社會、商家、個(gè)人等造成的影響和后果，有時(shí)候完全超出了我們個(gè)人的想象。
相信大家都聽說過，有些產(chǎn)品在雷雨季節(jié)時(shí)運(yùn)行，經(jīng)常會有大量部件損壞；還有一些產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段，每一樣指標(biāo)、性能都完美適配，但到了客戶手里卻小毛病不斷。
這種種的背后，都是產(chǎn)品質(zhì)量可靠性出了問題。而這些問題當(dāng)中，有相當(dāng)一部分都屬于電磁兼容性方面，所以，電磁兼容設(shè)計(jì)已經(jīng)成為不少企業(yè)的一大挑戰(zhàn)了。
也正是基于以上的緣由，本文跟大家分享一下電磁兼容設(shè)計(jì)的內(nèi)容，打算從兩個(gè)部分講解。
第一個(gè)部分就是簡單的介紹一下電磁兼容性的案例背景。
第二個(gè)部分是重點(diǎn)部分，通過兩個(gè)案例的分享，來延伸出一些電磁兼容的常見理念，且系統(tǒng)地講解這些理念和理論。因?yàn)檫@些理念和理論可以解決我們平常設(shè)計(jì)工作中的一些困惑。也是在后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的一些要素。
1、案例講解背景
首先，為何采用案例來講解呢？
為了幫助大家能夠更好地理解和掌握電磁兼容的理念，我們采用了案例的形式。從實(shí)際案例來然后上升到理論的分析，這樣能讓大家更加的感知到理念，理論。以實(shí)踐的結(jié)合，自己對電磁兼容理論的理解也會更加深厚，然后在工作中應(yīng)用，才能真正的起到作用。這就是“為您所知，只為您所用，為你所有”。
這就是本次課程分享，我個(gè)人希望能夠幫助大家達(dá)到的目標(biāo)，也是本次交流主題的背景。
2、案例分析
接下來我們著重講解一下實(shí)際操作中的案例。
第一個(gè)案例：增大時(shí)鐘串阻抑制輻射
案例描述：某交換機(jī)產(chǎn)品，采用金屬外殼，用非屏蔽網(wǎng)線測試，結(jié)果出現(xiàn)不滿足實(shí)驗(yàn)室不確定度4dB要求，故還需要通過優(yōu)化降低輻射。
圖一
4dB要求的意思就是產(chǎn)品在A實(shí)驗(yàn)室通過了測試，假如沒有4dB裕量的話，那產(chǎn)品在在B實(shí)驗(yàn)室可能就會出現(xiàn)了超標(biāo)；這其實(shí)是與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號質(zhì)量測試都是有個(gè)公差裕度的要求是一個(gè)道理，所以必須繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。
問題分析：輻射究竟從哪里來呢？其實(shí)我們從圖一中可以看到。
如果是有經(jīng)驗(yàn)的電磁兼容設(shè)計(jì)工程師或者是測試工程師的，就能夠快速發(fā)現(xiàn)這個(gè)頻率點(diǎn)的輻射可能不是從機(jī)箱內(nèi)部的PC版直接輻射出來的，因?yàn)檫@個(gè)案例中的交換機(jī)采用的是是屏蔽外殼，不是非金屬的外殼。
為何說不太可能是從系統(tǒng)內(nèi)部直接輻射出來呢？
因?yàn)閳D中1G頻率點(diǎn)對應(yīng)的波長，是30公分，那125M對應(yīng)的是多少呢？那就2.4米。考慮到1/4波長，那就有60公分。60公分的縫隙，在這款交換機(jī)上來說，是幾乎沒有的。所以呢，要想直接從機(jī)箱輻射出來了，是比較困難的。
一般而言，30MHz到300MHz，大多數(shù)屬于電纜帶出來的，例如電源線、VGA線纜，USB線等等，當(dāng)然也不是說高頻就沒有電纜的問題。電纜如果帶了低頻，那么高頻有些也會帶啊，因此需要具體產(chǎn)品具體分析。這是可以作為一個(gè)業(yè)界經(jīng)驗(yàn)分享給大家的，希望大家在后續(xù)定位的時(shí)候能夠輕松想到。
問題定位：接下來繼續(xù)講一下這個(gè)案例定位的過程。
圖二
第一步將所有端口的網(wǎng)線去掉，測試的結(jié)果是符合要求的。
第二步我們就再回去審查一下原理圖，從原理圖設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)以及測試PHY芯片的輸入時(shí)鐘信號，并通過采用近場探頭進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，PHY芯片的驅(qū)動(dòng)輸入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力夠強(qiáng)且輻射很大。
因此考慮在滿足PHY輸入時(shí)鐘信號質(zhì)量的情況下，找開發(fā)人員進(jìn)行溝通與確定，對輸入時(shí)鐘串阻進(jìn)行調(diào)整，從而降低驅(qū)動(dòng)能力。串阻由33歐姆調(diào)到51歐姆，抑制輻射獲得更好的效果。
圖三
在調(diào)整串阻的過程中發(fā)現(xiàn)并需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是：在圖三中，串阻值大小的不同，影響了信號的邊沿上升時(shí)間，串阻越大邊緣越緩。同時(shí)，串阻變大，電流也會隨之而減小，從而實(shí)現(xiàn)輻射能量的降低。
解決措施與結(jié)論：
最后，本案例的結(jié)論是什么呢？是怎么解決問題的？讓我們繼續(xù)往下看。
圖四
根據(jù)前面的圖三中我們可以看到，調(diào)整這個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)串阻可以達(dá)到降低驅(qū)動(dòng)能力。
由于時(shí)鐘信號驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)上升沿陡，會產(chǎn)生高次諧波的輻射。在滿足信號質(zhì)量的情況下，可以考慮適當(dāng)增大時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的輸出電阻來抑制輻射。
說到這里大家可能也會有疑問，為什么偏偏選擇51歐姆。原則上來講，47歐姆也是可以滿足要求的，大家可以在自己遇到這個(gè)問題的時(shí)候，可以嘗試用47歐姆的電阻來試試。
由此我們得出結(jié)論是，如果我們選擇時(shí)鐘速率過快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了系統(tǒng)所需要的，那么電磁兼容的裕量就有可能會因過快的邊沿速率而被吃掉，即引發(fā)輻射超標(biāo)。所以呢，在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，需要關(guān)注的是在滿足信號質(zhì)量需求的同時(shí)還需要關(guān)注EMC設(shè)計(jì)要求，即綜合平衡才是最重要的。
或許有些人想要選擇不調(diào)串阻、采用屏蔽電纜進(jìn)行測試，這也不失為一種解決方式，但是在一定程度上會使產(chǎn)品在商用的可應(yīng)用性受到約束，因?yàn)槟阍趯?shí)際應(yīng)用中只能使用屏蔽線而放棄使用非屏蔽線。在這種只能選擇屏蔽的情況下，就會降低客戶體驗(yàn)。
3、案例延伸理念與理論
從這個(gè)案例延伸中，我們還可以延伸一個(gè)問題。
圖五
圖六
如圖五所示，125MHz二次諧波為250MHz，四次諧波為500MHz。而理想方波原理上只有只有基波和奇次諧波， 那么為什么這里會出現(xiàn)偶次諧波呢？
首先，我們一起看看理想的標(biāo)準(zhǔn)方波是怎么構(gòu)成的？
理想的方波是由正弦波的基波和所有的奇次諧波組合而成，如下圖七所示。三次諧波疊加之后的邊緣會慢慢變陡，從圖七左下方公式也發(fā)現(xiàn)結(jié)果也一定是奇數(shù)。
圖七
而它們對應(yīng)的頻域又是什么樣子的呢？
眾所周知，正弦波就是一個(gè)頻率，在頻譜上也只有一根基頻。而理想的方波呢？占空比為50%，而且同時(shí)上升沿和下降沿也要求相等，我們從下圖八的頻譜、公式來看，都沒有偶次諧波。
圖八
那么為什么會出現(xiàn)偶次諧波呢？因?yàn)槭褂昧朔菢?biāo)準(zhǔn)的方波信號，脈沖信號。
圖九
在上圖九中可以發(fā)現(xiàn)，無論是頻譜或者公式都可以計(jì)算出偶次諧波，占空比不為50%的脈沖信號就含有偶次諧波。在這里就不再詳細(xì)展開敘述，只是作為大家在實(shí)踐過程中的基礎(chǔ)知識儲備，僅供了解。
來源：電巢EMC
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