EMI和安全性：危害、風(fēng)險(xiǎn)以及避免的PCB設(shè)計(jì)方法

在每個(gè)示例中，對(duì)“可靠性”的需求和對(duì)“風(fēng)險(xiǎn)”的機(jī)會(huì)似乎與“安全”同義。當(dāng)我們討論電磁干擾（EMI）對(duì)電子系統(tǒng)的影響時(shí)，可靠性，風(fēng)險(xiǎn)和安全性問題也息息相關(guān)。當(dāng)我們與用于運(yùn)輸，醫(yī)療保健，能源生產(chǎn)和其他關(guān)鍵領(lǐng)域的關(guān)鍵系統(tǒng)一起使用時(shí)，這些問題會(huì)進(jìn)一步放大。

EMI，EMS和EMC

當(dāng)我們使用PCB設(shè)計(jì)和電子系統(tǒng)時(shí)，我們似乎不斷嘗試尋找消除電磁干擾（EMI）的方法。EMI由破壞性的電磁能組成，電磁能從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_(tái)設(shè)備，或從一件設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_(tái)設(shè)備。在與電子系統(tǒng)一起工作時(shí)，我們應(yīng)用電磁兼容性原理并尋找似乎容易受到EMI影響的區(qū)域。

手機(jī)，焊機(jī)，電動(dòng)機(jī)和其他設(shè)備會(huì)產(chǎn)生EMI。在設(shè)備級(jí)別，EMI源包括微控制器，微處理器，發(fā)射器，機(jī)電繼電器和開關(guān)電源。以微控制器為例，控制器內(nèi)的時(shí)鐘電路會(huì)產(chǎn)生寬帶噪聲，其中包含范圍高達(dá)300兆赫茲的諧波干擾。EMI通過導(dǎo)體，輻射電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合到電路中。

相反，電磁敏感性（EMS）表示針對(duì)電子放電（ESD），電干擾，雷電，電磁波和電快速瞬變（EFT）引起的電涌的性能抗擾性。

“電氣和電子系統(tǒng)，設(shè)備和裝置在規(guī)定的安全范圍內(nèi)在預(yù)期的電磁環(huán)境中運(yùn)行而不會(huì)因電磁干擾而遭受或?qū)е虏豢山邮艿耐嘶哪芰Α！?（ANSI C64.14-1992）。

EMI和EMC標(biāo)準(zhǔn)

電磁干擾會(huì)阻止系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)鍵功能。醫(yī)療設(shè)備中由EMI引起的問題可能會(huì)中斷生物醫(yī)學(xué)信息的交換或向工作人員提供有關(guān)患者狀況的錯(cuò)誤報(bào)告。醫(yī)療設(shè)備對(duì)EMI的敏感性范圍從RFID對(duì)醫(yī)療設(shè)備的影響到助聽器，電動(dòng)輪椅和電動(dòng)踏板車的電磁兼容性。

通過廣泛的EMI和EMC標(biāo)準(zhǔn)，可以明顯看出EMI問題的嚴(yán)重性及其對(duì)消費(fèi)者，工業(yè)和軍事應(yīng)用的影響。機(jī)構(gòu)包括聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO），國(guó)際電工委員會(huì)（IEC），美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI），設(shè)備與放射衛(wèi)生中心（CDRH）以及許多其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了有關(guān)EMI和EMC要求的標(biāo)準(zhǔn)。

這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋設(shè)計(jì)要求，排放測(cè)試和抗擾度測(cè)試。例如，IEC 61508表明設(shè)計(jì)要求必須包含有關(guān)所需EMI級(jí)別的信息。該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步說明了控制系統(tǒng)故障的技術(shù)和措施。在另一個(gè)示例中，IEC 60601-1-2涵蓋了醫(yī)療設(shè)備安全性和電磁兼容性的一般要求。

排放測(cè)試測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的噪聲的數(shù)量和類型?？箶_度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC 1000-4-4和IEC 1000-4-3中列出的受干擾設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)）具有不同的噪聲頻率，并測(cè)量設(shè)備承受快速瞬變和輻射電磁場(chǎng)發(fā)出的噪聲的能力。下表描述了幾種發(fā)射和抗擾度測(cè)試。

識(shí)別EMI危害和風(fēng)險(xiǎn)

自1990年代初以來，組件和系統(tǒng)的日益復(fù)雜性以及為節(jié)省成本的嘗試已使電子設(shè)備的噪聲容限增加了3 dB。模擬電路的安全裕度對(duì)應(yīng)于設(shè)備的信噪比。盡管數(shù)字電路具有較大的安全裕度，但由于低壓邏輯和故障對(duì)數(shù)字應(yīng)用的影響，該裕度會(huì)縮小。如果EMI中斷了數(shù)字電路中的精確開關(guān)，則系統(tǒng)可能會(huì)失速或出現(xiàn)故障。隨著設(shè)備在更高的帶寬下工作，噪聲發(fā)射和電路敏感性都將增加。

標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐的結(jié)合旨在降低復(fù)雜性增加的風(fēng)險(xiǎn)。由于EMI可能會(huì)損害關(guān)鍵應(yīng)用，因此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還包括危害評(píng)估和危害概率評(píng)估。我們將危害定義為可能造成危害的任何事物，然后考慮危害的程度和嚴(yán)重性。在考慮風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，我們認(rèn)識(shí)到并非所有危害都會(huì)產(chǎn)生相同程度的危害，然后確定危害發(fā)生的可能性。

危害和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估涵蓋系統(tǒng)的環(huán)境，設(shè)計(jì)和應(yīng)用。在電路設(shè)計(jì)和組件選擇方面，電磁干擾會(huì)影響發(fā)生傷害的可能性。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到如何消除或減輕EMI以降低風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電路及產(chǎn)品的過程中，要認(rèn)識(shí)到潛在的安全隱患和要求以及EMI的風(fēng)險(xiǎn)。

使用設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐來避免EMI

您的PCB設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)完整性為目標(biāo)。該目標(biāo)還有助于構(gòu)建一種抑制EMI并具有良好電磁兼容性的電路。要獲得EMC，需要研究整個(gè)產(chǎn)品，從PCB和電源到電纜和外殼。您的設(shè)計(jì)應(yīng)確保數(shù)字電路和模擬電路之間的兼容性，仔細(xì)設(shè)計(jì)布局，并認(rèn)識(shí)到良好接地和屏蔽做法的必要性。針對(duì)EMC的設(shè)計(jì)涉及通過具有連續(xù)接地計(jì)劃的極低阻抗返回路徑來減少輻射發(fā)射并提高輻射抗擾度，并增加用于輸入/輸出和功率信號(hào)的保護(hù)電路。

通過將噪聲水平保持在信號(hào)水平以下，可以獲得信號(hào)完整性。對(duì)于數(shù)字電路，噪聲容限應(yīng)保持在毫伏范圍內(nèi)。要更進(jìn)一步，您必須將EMI輻射水平保持在微伏和微安范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這些EMC目標(biāo)，高速信號(hào)必須具有適當(dāng)?shù)亩私印Ｄ梢允褂貌罘中盘?hào)來減少發(fā)射，并在電源引腳上去耦電容器以降低開關(guān)噪聲。

另外，您的電路設(shè)計(jì)必須控制阻抗。您可以通過源端接來保持較慢的信號(hào)阻抗阻抗，并通過從平面到平面的連續(xù)返回路徑來保持阻抗控制。當(dāng)信號(hào)穿過分流平面時(shí)，請(qǐng)使用去耦電容。在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，請(qǐng)確定可能容易受到EMI影響的關(guān)鍵走線。這些走線包括進(jìn)入或離開PCB的線，承載高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信息的線，模擬輸入線和數(shù)字線。