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提升格局,看清EMC

来源: 时间:2022-04-15 08:28:18 浏览次数:

“格局”,本意指的是一个人对于自己所处小环境、大环境的“局势、态势”的认知“视野”,本意指的是,一个人所能观察或认识到的的范围或者说程度。提升格局,就能让你看到更大的世界,这种感觉就像是“XX,为什么之前我就没想到?”,这说明你接收到了来自更高段位的信息,而在这信息出现之前,你几乎是想破脑袋也冲不过去那个关卡的。格局之所以提升不了,是因为视野受限,看不到或根本不想看到更高层次的认知。

  提升格局就是要把“难以接受”这种情感舍弃掉,事物的核心是客观的与你认知无关不,它就在那里,你能否看清它,取决于你的视野与格局。你不能说因为你从小到大都被一种舆论洗脑,所以现在“难以接受”就是正确的,那你就永远找不到它。

提升格局第一条:扩大视野

  当我们的视野限制在一定有限的范围时,作出看似最适合自己的决定,给出了认为最正确的评价,然而,当把聚焦的范围扩大,刚才正确的决定和主观评价可能就不再正确,而影响这些的,都是由于空间发生改变,空间内的对象发生改变,因此规则就随之改变。

  做人如此,做技术如此,做EMC技术也是如此。举个例子,分析辐射发射问题时,也许都会一致认为,布置在印制板中的高速印制线(如时钟信号线、PWM信号线等)会产生辐射,如图1所示:

1 印制线产生辐射示意图

 

  于是,把处理的措施全聚焦在这根印制线上。给它加滤波,辐射变低了,进一步坚定的认为就是这根时钟线在产生辐射,思路和视野停留在了这根信号线上。可是,一根印制线不应该是信号的全部,电信号的传递都是闭环的。信号线从左传递至右侧,再从右侧的信号地返回,组合成一个完整的信号回路,这才是这个完整的信号传递。于是分析发现,辐射并不是这根印制线产生的,而是这根印制线所在的环路产生的,原理如图2所示。


2 环路产生辐射原理图

 

  信号环路产生辐射的概念告诉我们,当信号线的地回流地线无限的接近这根信号线时,信号环路产的辐射会变零。于是,控制PCB中的信号环路面积是产品EMC设计的基本要求。你的视野范围变大了,不再只关注那根信号线。然而,在高速电路板设计时,信号的环路面积是非常容易被控制的,最简单有效的措施就是铺设地平面。当地平面存在于高速信号线下方时,信号线的环路面积是信号线长度与层间距的乘积,信号频率低于GHz时,其产生的辐射基本不会超过标准的限值。

  那是不是等于产品的辐射就控制住了?远远不是,我们需要再进一步扩大自己的视野。看一下图3,图中PCB上的高频信号在“0V”地上回流时,由于地上的阻抗也会产生压降ΔV,这个电压再驱动图中右侧与之相连的电缆,就产生的流向外部的共模电流,当此共模电流流过电缆时,由于电缆的长度较长,具备等效发射天线的条件,就产生了辐射,这种辐射叫共模辐射,它是产品辐射超标的典型原理。相比于只看到信号环路辐射的人,看到共模辐射的人的视野更大。


3 典型共模辐射原理图

 

  按工程常见的EMC思路:“出现EMC测试不能通过,马上想着去定位问题、去找问题的根源”,那么图3所示的辐射到底是谁造成的?”有人会回答是电缆;有人回答是地阻抗;有人回答还是那个信号线。遗憾的是正确答案即不是电缆、不是地阻抗、也不是信号,而是电缆+地阻抗+信号,是三者共同组合在一起形成的“系统”导致内部的高频信号源通过地阻抗传递至等效发射天线。所谓解决EMC问题,不是努力寻找所谓的“源头”(因为根本没有“源头”),而是把“系统”破坏。图3所示的案例中,降低信号频率、降低地阻抗、取消电缆等效发射天线等都是可以的。这里提到的“系统”可以理解为 是一个过程。过程中的各点不是EMC问题的全部,只是组成部分。解决emc问题的本质是破坏这个过程。只要过程能破坏,问题就能解决。

   为什么我们老想着要去定位问题,那是因为受视野的局限性,看到的都是局部,同时也混淆了“问题产生的原因”与“解决问题的入手点”是两回事就像吃药可以治好病,但生病的原因不一定是因为没吃药。看来只有当视野大到能看到全局时,才能看到真正的问题,因为问题就在全局中。

 

提升格局第二条:善于观察与分析

  每一种事物都有自己的核心,这就是它的运行行原理,当你想去观察、分析、评价的时候,要记得把它的内核给挖出来。有些事在有些人眼里,非常显而易见,但在另一些人眼里,好像难以接受。正确的面对这种难以接受,然后用更长的时间跨度和更大的空间跨度去看待问题、分析问题、解决问题,无论你得到的结论看起来有多荒谬,都比之前的思考要好。

    具备以上分析视野的工程人员,已经非常不错了,但是EMC问题错综复杂,光有这些视野是不够的。假设图3所示的EMC问题被低阻抗的地平面设计解决,那么电缆的辐射就不会再有了吗?显然不是,举个例子就是图4所示原理产生的问题。图中的时钟信号线通过串扰的方式将时钟信号串扰到I/O信号线上,而I/O信号线传递至电缆时就产生了辐射。这个案例中,光有较低的地阻抗是没有用的。相比于图3所示的问题,图4所示辐射问题的产生过程显然更为复杂。工程人员只有善于观察与分析,才能逐步深入其中,洞悉其奥秘。


4  串扰引起的EMI辐射原理图

 

提升格局第三条:直击事物的核心

  对于图3原理所示的EMC问题,有个措施可以降低辐射,那就是图5所示的接地,即将电缆端口的工作地接至机壳。当工作地在电缆端口接壳体时,共模电流被旁路在产品内部,电缆中的共模电流大大降低,辐射也大大降低。此方法是产品EMC设计中常用的措施,是产品EMC设计的核心之一,也是EMC风险评估的风险要素之一。


5 电缆端口接地降低辐射

 

可是,就是这样的一种设计,会碰到以下一种案例:

  如图6所示表达了一种系统中部件之间的互连电缆产生的辐射。图6中部件2中的高速信号线S2回流时,在地平面上产生的地噪声电压ΔV2驱动左侧的电缆使互连电缆上产生共模电流产生辐射。若部件1的PCB板工作地不接机壳,图6所示的共模电流需要通过部件1中PCB与壳体之间的分布电容CP返回到壳体再回到部件1。这样的设计虽然部件1的PCB的地没有与壳体互连,但是测试也许是能通过的。


6 系统中部件之间的互连电缆产生的辐射

 

   但是,当图6所示的部件1被图7所示的部件1所取代时,由于图7所示的部件1的PCB的工作地与机壳在电缆端口是互连的,就导致系统中应ΔV2驱动而流过互连电缆的共模电流变大,于是辐射发射也变大了。


7 系统中部件1中PCB接壳体后互连电缆产生的辐射

 

  对比图6所示的部件1的EMC设计和图7所示的部件1的EMC设计,按图5所描述的结论,明显图7所示部件1的EMC设计要比图6所示部件1的EMC设计要更好。但是,就是这样一个更好的EMC设计放在系统中,效果反而变差了。

  实际应用中,假设这个系统原先按图6所示设计,并且EMC测试已经通过,图6中的部件1由A供应商提供。某一天,供应商B设计了一个图7所示的部件1,按图5所示原理分析,供应商B提供的部件1在单独的EMC性能上要比供应商A提供的要更好。但是当它放入系统中时,系统就出现的EMC问题,表现为辐射发射超标。工程中经常出现的案例表现通常是,当系统中某个部件被代替后,原来没有EMC问题的系统变得有EMC问题,系统设计者通常会把问题都会归罪于替代品,而不愿意相信是其它问题导致这种思路的原因是试图去单一的拆解原本是系统的EMC问题。正确的分析思路不应该仅聚焦在部件1,也不应该仅聚焦在部件2,而是要直击事物核心,聚焦在整个系统,用全局视野去看EMC问题你会发现图7的部件1设计并没有缺陷,缺陷在于图7所示的部件2,即部件2设计时没有实现工作地与壳体之间在电缆端口连接。

 当部件1设计也有缺陷时,部件2的缺陷也被掩盖了,但是,当部件1设计良好时,部件2的设计缺陷就被暴露。简单的说,部件1良好的EMC设计暴露了部件2EMC设计的缺陷。这就是人过分的优秀会暴露别人的缺陷的道理,但是我们要有慧眼直击事物的核心来判别什么是优秀。

 可见:

EMC问题的产生是一个“过程”,而不是个别“点”;

产品有多复杂,EMC就有多复杂,要善于分析,只有产品设计时全方面的考虑各种因素(风险评估给出了19个因素),并保证一定数量的因素得到控制,才能最终获得较高的EMC性能,通过EMC测试;

产品设计者一定要用系统的眼光分析任何一个EMC现象,随着分析对象的范围扩大,看到的EMC问题也越趋完整;

扩大视野才会收获更多信息,提升格局方能看透EMC本质。


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