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涨知识:EMC诊断常用知识与技巧(三)

本文导读:
      继之前分析了EMC整改的常用知识和EMI的诊断技巧与案例解析后,本篇文章重点讲讲EMS的诊断技巧与案例分析。

      EMS主要分为:静电(ESD)、脉冲群(EFT)、浪涌(SURGE),本文将详述其整改定位并以具体案例说明。


一、静电(ESD)整改定位



      针对静电,最重要的一点是路径。没有路径,静电无法泄放,即没有静电问题。所以分析静电时,主要分析路径,这是静电诊断分析的思路。

      首先判定是否有路径,如果有,则确定静电电流是否流入敏感电路,如果是则进行切断,可采取高阻抗阻挡或低阻抗泄放的措施。如果没有流入,看下周围是否有敏电感。有敏感电路的话,则对敏感电路进行处理,如加滤波、屏蔽等措施,如果没有敏感电路,有可能是整个放电回路阻抗过高,比如地阻抗。如果无路径,则人为制造低阻抗路径进行泄放。


案例一、塑料外壳静电防护

塑料外壳防静电效果好,但绝缘距离是关键,4mm可满足8KV空气放电


      静电防护有很多措施,比如元器件选择、电路设计、PCB设计、结构设计等等,从结构设计的角度考虑,塑料外壳是最好的静电防护措施,因为塑料外壳是绝缘材料,静电无法泄放。

      关键点:使用塑料外壳防护静电,绝缘距离如果不满足,同样会存在静电问题,特别是进行空气放电时容易与内部电路形成拉弧,从而导致静电问题。
      如图就是使用塑料外壳但内部器件与过孔离外壳过近导致绝缘距离不够,空气放电时与内部电路拉弧导致IC损坏。


案例二、敏感信号受干扰


关键信号需做滤波处理,如片选、复位、采样等


      静电防护除了塑料外壳,还有一种是金属外壳接地防护。针对金属外壳防静电问题,重点是关注接地良好性(大面积接地、不能有氧化漆等)。
      如图这个案例是某客户系统,采用金属外壳且接地良好,但做接触放电时,信号误触发,同时存在一个怪现象:采用间接耦合的方式也会导致信号误触发,由此可以排除是结构问题,而要转向电路设计问题,特别是敏感信号。经过排查发现,主要是芯片的片选信号受影响,查看电路设计,片选芯片未做任何滤波防护,后采取电容滤波即解决问题。通过这个案例主要是想分享,静电防护结构处理很重要,但内部的关键信号更需要做好防护,如复位、片选、采样等。


二、脉冲群(EFT)整改定位


      脉冲群、共模干扰,主要是对结电容充电导致系统失效,具有能量小,上升时间短、频率宽的特点。脉冲群测试一般情况下不会导致系统损坏,主要是以复位、死机、误触发、数据超标、液晶屏异常等现象为主,那针对EFT失效该如何分析呢?
      脉冲群以共模干扰方式影响系统,所以主要是要找到共模路径。路径包含显性路径(人为设计)和隐性路径(结电容形成)。脉冲群失效重点分析思路是透过现象看本质,根据失效现象分析出哪部分电路受影响而导致此现象的发生。然后再根据滤波、单板信号电路设计、PCB设计等去分析,最终可能会面临不管怎么整改都无法满足要求的情况,这就需要根据设计原则及整改过程重新设计产品再去测试。


案例三、监控设备EFT异

复位、液晶驱动、采样电路、自检电路均为敏感信号


      如图是一个火灾监控设备,进行脉冲群测试时出现复位、闪屏、数据超标及误报警多种现象,因此通过失效现象去分析可能造成的原因:

1)复位引脚或软件;

2)显示屏驱动电路受影响;

3)采样电路受影响;

4)蜂鸣器自检电路受影响。

然后查看这些电路的设计情况,进行相对应的整改处理:

1)按照推荐电路增加相应的EMC外围电路;

2)对复位脚进行滤波处理及布线改善;

3)显示屏驱动电路增加小电容(推荐1nF)到GND;

4)数据采集端口增加小电容(推荐1nF);

5)自检电路或按键处增加小电容(推荐1nF)。

通过以上措施整个测试基本满足要求了,所以针对这类问题,主要是分析失效的原因。


三、浪涌(SURGE)整改定
      浪涌(雷击),具有频率低、能量大的特点,测试时易损坏设备。通常浪涌测试时,经常会出现三种问题:死机、复位与拉弧,接下来对这三种失效情况的诊断进行简单的分析。
1、浪涌死机整改定


      关于浪涌测试死机问题,根据目前遇到的问题,保险丝断、系统锁死、系统损坏这三种情况出现的较多,针对不同的失效模式有其相应的诊断技巧。
      保险丝断:一般是通流量不足,这是针对不同浪涌等级推荐的保险丝参数;
      系统锁死:一般是控制电路受干扰,要分析系统哪些控制电路受影响会导致锁死的问题;

      系统损坏:包含防护器件与被防护器件失效,防护器件失效一般是设计不合量,如通量不够;被防护器件失效一般是前端残压过高,击穿流过大电流;仅PCB损坏,重点分析电流及耐压能力。


2、浪涌复位整改定位


      关于浪涌测试导致系统复位,最常见的肯定是开关电源输出没有电压了,针对这个设想可以使用示波器对开关电源输出进行采集,但建议使用高压探头监测,普通探头容易损坏。除了电源,像复位脚、控制电路等受到影响同样会造成复位问题,特别是一些逻辑控制电路受影响,这个可以去分析电路原理,确定是否存在这种可能,然后再进行处理。


3、浪涌拉弧整改定位


      针对拉弧,常见有线与线、线与地、器件拉弧,其三者的原因均是距离不足导致耐压不足,这种判断最好的方式是将拉弧处的距离增大再进行测试,处理方法是降低残压或增大耐压距离。


案例四、共模浪涌拉弧问题


      由于耐压的限制,共模浪涌通常没有防护。所以共模浪涌测试容易出现拉弧现象。那是因为距离不足引起的,通常是通过以下方式来解决该问题的:

● 减小残压:对地使用压敏或压敏串气体放电管,但要注意工频耐压;

 断开路径:断开共模路径;

 增大距离:1KV--2mm;2KV--3mm;4KV--4mm及以上。


案例五、开关电源共模炸机问


      这是典型的开关电源共模浪涌失效问题。电力行业、通信行业通常会将电源输出地或者信号地接至金属外壳,而且此应用场合浪涌等级要求4级及以上,此种应用通常导致共模浪涌测试容易失败,原因是什么呢?
      如图分析,上图是电源实际应用,将输出地接至PE,形成一条人为设计共模路径,如果无此条路径,共模浪涌没有问题,但有这条路径后,共模浪涌容易出问题。针对此案例,这里重点介绍的是共模电感导致共模浪涌抬升的问题。
      共模电感导致电压抬升的主要原因:进行共模浪涌试验时,共模电感LCM1会阻止共模电流流入CY1或CY3及电路中的杂散电容,在此期间,LCM1两端会形成一个很大的电压,在某种程度上,流过LCM1线圈的电流会在磁芯中形成一个很强的磁场导致共模磁芯饱和。由于磁芯饱和,磁芯的磁导率大量下降,进而导致电感量下降,从而流过LCM1的电流陡然上升。在响应电流增加时,后端Y电容或杂散电容的电压迅速上升。在共模电感饱和之后,共模电感的感量下降到一定值,但此时共模电感还储存着一定的能量,储存在共模电感的能量在1.2/50us峰值波形过后还会流入到后端的Y电容或杂散电容,这样后端Y电容或杂散电容两端的电压会超过1.2/50us开路电压峰值50%或者更大。


      图1是正常的浪涌电压波形,但由于共模电感的存在,实际波形可能变为图2,主要原因是共模电感反向电动势向后端杂散电容充电导致共模浪涌抬升。因此,针对这个方案可以在共模电感单个绕组的前后端增加电压钳位器件,如压敏电阻,使能量通过钳位器件泄放且将电压钳在一定值,这个方案在电力行业很常见。
      虽然此方案对共模浪涌有改善效果,但由于增加压敏电阻后,相当于人为增加共模电感的结电容,会降低共模电感的滤波效果,因此可根据实际情况进行调整,同时也可以推荐使用气体放电管代替压敏电阻,即可以防护浪涌,而且对EMI的影响也很小。


、EMC整改总


      电路设计、滤波设计、接地与屏蔽设计、PCB设计、系统设计,每个环节对EMC性能都起到很大影响,整改也同样,是设计的反过程,所以等客户系统成型之后,再遇到EMC问题,我们能给出的措施是有限的。整改是最原始的方法,也是最不经济的方法。要减少整改,只有多提高设计!

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