EMC设计浪涌静电EFT防护.docx

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EMC设计浪涌静电EFT防护

EMC设计

----浪涌、静电、EFT防护

倪松华

北京和利时系统工程

轨道交通事业部

1电路（系统）设计概述

以下分类要紧介绍了电路（系统）设计进程中要面临的几大进程，较清楚的反映了设计进程要碰到的几个环节。

1.1电路设计

1.1.1电路设计之1：

功能设计

1.1.2电路设计之2：

性能设计

1.1.3电路设计之3：

靠得住性设计

1.1.3.1靠得住性设计之1：

降额设计

1.1.3.2靠得住性设计之2：

热设计

1.1.3.3靠得住性设计之3：

信号完整性设计

1.1.3.3.1信号完整性设计之1：

EMC设计

1.1.3.3.2信号完整性设计之2：

信号传输线效应

1.1.3.3.3信号完整性设计之3：

信号串扰

1.1.3.3.4信号完整性设计之4：

电源完整性

1.1.3.4靠得住性设计之4：

软件靠得住性

1.1.3.5靠得住性设计之5：

生产工艺靠得住性

2EMC设计--浪涌、静电、EFT防护

2.1EMC概念

EMC（ElectroMagneticCompatibility）：

设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物组成不能经受的电磁骚扰的能力。

以下是与电磁兼容有关的常见术语：

EMC：

（Electromagneticcompatibility）电磁兼容性

EMI：

（Electromagneticinterference）电磁干扰

EMS：

（ElectromagneticSusceptibility）电磁灵敏度

RE：

（Radiatedemission）辐射骚扰

CE：

（Conductedemission）传导骚扰

CS：

（ConductedSusceptibility）传导骚扰抗扰度

RS：

（RadiatedSusceptibility）射频电磁场辐射抗扰度

ESD：

（Electrostaticdischarge）静电放电

EFT/B：

（Electricalfasttransientburst）电快速瞬变脉冲群

Surge：

浪涌

2.2EMC分类

EMC可分为电磁干扰EMI、电磁灵敏度EMS两部份。

EMI：

电磁干扰，即处在必然环境中设备或系统，在正常运行时，不该产生超过相应标准所要求的电磁能量。

EMS：

电磁灵敏度，即处在必然环境中的设备或系统，在正常运行时，设备或系统能经受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或说设备或系统关于必然范围内的电磁能量不灵敏，能依照设计的性能维持正常的运行。

图1

2.3EMC三要素

大体的EMC模型包括以下三个要素：

1、干扰源；

2、耦合途径；

3、灵敏装置；

图2

在单板的范围内，咱们能够找到如下几个与辐射相关的项：

干扰源：

时钟电路（包括晶振、时钟驱动电路）；开关电源；高速总线（一样为低位地址总线如A0、A1、A2）；感性器件，如继电器等；

耦合途径：

传播RF能量的各类媒质，例如自由空间或互连电缆。

按耦合途径（传播的方式），电磁干扰分成两种类型：

1、传导型干扰

传导型干扰是系统产生并返回到直流输入线或信号线的噪声，那个噪声的频率范围为

10KHz-30MHz，它既有共模方式，又有差模方式。

LC网络常常是抑制传导干扰的要紧方式。

2、辐射型干扰

辐射型干扰以电磁波的方式直接发射，线路中一个一般的例子是电源线扮演发射天线的作用，频率覆盖范围30MHz-1GHz，那个范围的EMI可通过金属屏蔽的方式抑制。

灵敏装置：

PCB上的各类灵敏器件，它们易于接收来自I/O线缆的辐射干扰并把这些有害能量传播到其他灵敏电路或器件上。

单板中的灵敏器件或信号要紧有：

锁相环；

光模块；

模拟信号；

复位信号；

小弱信号；

关于EMC的产生，这三个要素缺一不可。

若是任一要素不存在，EMI也就不存在了。

那么工程师所要做的情形确实是找到最容易解决的那一项。

2.4EMC计谋

任何EMC问题的处置都是围绕三要素进行的：

一、降低干扰源；

二、切断或减弱传播途径；

二、提高设备的抗扰能力；

通常来讲，合理的PCB设计是排除多数RF干扰的最经济有效的途径。

有源器件是所有辐射的源头。

PCB设计所要做的是将电磁场能量限制在需要它们的地址。

能够利历时钟扩频技术或适当的减缓信号的上升沿来降低时钟信号的干扰强度，也能够在器件选型方面和减少天线效应方面（如严格操纵线头长度、操纵信号回路面积）来操纵EMI的强度；

通过必要的布局、布线和采取屏蔽、接地方法来提高设备的抗扰能力；

从产品EMC设计的计谋、手腕来分，通常采纳的不外乎接地、屏蔽、滤波三种。

在三要素的计谋中切断干扰的传播途径是最重要的一环。

在单板上可采取以下方法来切断耦合途径或减少耦合：

对应传导耦合：

加滤波电容、滤波器、共模线圈、利用隔离变压器等；

对应辐射耦合：

相邻层垂直走线、加屏蔽地线、磁性器件合理布局、3W规那么、正确层散布、辐射能力强或灵敏信号布内层、利用I/O双绞线、辐射能力强的信号远离拉手条、板边裂缝等。

2.5EMC测试设备参数

2.5.1浪涌发生器

图8浪涌组合波发生器电路原理图（50us-8/20us）

图9浪涌组合波发生器产生的电压波形（50us）

图10实验配置例如，线地耦合，输出阻抗10Ω

依照《GB/电磁兼容实验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度实验》中描述，浪涌组合波发生器的输出阻抗有2Ω、10Ω、40Ω等3种，咱们一样利用2Ω的输出阻抗方式。

注：

关于铁路应用来讲，在《TB/T3073-2003铁道信号电气设备电磁兼容性实验及其限值》中规定，浪涌实验推荐利用40Ω输出阻抗和耦合电容，详见《TB/T3073-2003》中表4、表5。

关于浪涌实验的实验品级、实验进程、实验结果的评估请详见《GB/》。

2.5.2静电放电发生器

图11静电放电发生器原理图

图12静电放电发生器输出电流的典型波形

依照《GB/电磁兼容实验和测量技术静电放电抗扰度实验》中的描述，静电放电发生器的输出阻抗是330Ω。

输出波形如图9。

静电放电实验要紧分接触放电、空气放电，具体的实验品级、实验进程、实验结果的评估请详见《GB/》。

2.5.3EFT脉冲群发生器

图13脉冲群发生器电路原理图

图14快速瞬变脉冲群概略图

依照《GB/电磁兼容实验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度实验》中的描述，脉冲群发生器的有效输出阻抗是50Ω。

其输出波形如图11。

2.6EMC器件常识

2.6.1ESD器件、TVS器件

符号

中文名称

解释

VRWM

反向关断电压

应大于或等于被保护线路的操作电压。

VBR

击穿电压

ESD器件在此时阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。

箝位电压

脉冲电压通过ESD器件后，所达到的最大电压值。

IR@VRWM

反向漏电流

应小于电路允许的最大漏电流。

Ipp

最大电流

防护器件能承受的最大电流。

PPP

峰值脉冲功率

保护器件能吸收瞬时脉冲的能量，典型值取自300W8/20μs脉冲。

结电容

是保护器件的寄生电容，数据率或操作频率越高的线路上使用的ESD保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。

图3TVS特性曲线

图4TVS特性及参数

若是用图示仪观看TVS的特性，就可取得图3中左图所示的波形。

若是单就那个曲线来看，TVS管和一般稳压管的击穿特性没有什么区别，为典型的PN结雪崩器件。

但这条曲线只反映了TVS特性的一个部份，还必需补充右图所示的特性曲线，才能反映TVS的全数特性。

这是在双踪示波器上观看到的TVS管经受大电流冲击时的电流及电压波形。

图中曲线1是TVS管中的电流波形，它表示流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值，然后按指数规律下降，造成这种电流冲击的缘故可能是雷击、过压等。

曲线2是TVS管两头电压的波形，它表示TVS中的电流突然上升时，TVS两头电压也随之上升，但最大只上升到VC值，那个值比击穿电压VBR略大，从而对后面的电路元件起到爱惜作用。

一、VRWM反向关断电压

ESD爱惜器件的反向关断电压应大于被爱惜线路工作电压，如以下图所示。

图5ESD爱惜器件的反向关断电压

二、VC箝位电压

VC箝位电压指脉冲电压通过ESD爱惜器件后，所被箝位的电压。

如12V的脉冲信号，通过PESD5V0L2BT箝位后，电压降为5V。

图6VC箝位电压示用意

3、PPP峰值脉冲功率

PPP峰值脉冲功率为ESD器件上刹时通过的功率值，如300W@8/20us，在此功率范围内，ESD爱惜器件能够正常工作。

图7PPP峰值脉冲功率

选用TVS步骤如下：

1．确信待爱惜电路的直流电压或持续工作电压。

2．TVS的反向变位电压即工作电压（VRWM）--选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。

这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计，若是步骤1所

规定的电压高于TVS的VRWM，TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，从而阻碍

电路的工作。

3．最大峰值脉冲功率：

确信电路的干扰脉冲情形，依照干扰脉冲的波形、脉冲持续时刻，确信能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。

4．所选TVS的最大箝位电压（VC）应低于被爱惜电路所许诺的最大经受电压。

5．单极性仍是双极性—常常会显现如此的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲，其实并非如此。

双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。

TVS有时也用于减少电容。

若是电路只有正向电平信号，那麽单向TVS就足够了。

TVS操作方式如下：

正向浪涌时，TVS处于反向雪崩击穿状态；反向浪涌时，TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。

在低电容电路里情形就不是如此了。

应选用双向TVS以爱惜电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。

6．若是明白比较准确的浪涌电流IPP，那么能够利用VC来确信其功率，若是无法确信功率的可能范围，一样来讲，选择功率大一些比较好。

2.6.2压敏电阻

符号

中文名称

解释

VRWM

工作电压

应大于或等于被保护线路的操作电压。

V1mA（V）

[DC1mA]

压敏电压

（击穿电压）

在此时阻抗骤然降低，处于雪崩击穿状态。

箝位电压

脉冲电压通过器件后，所达到的最大电压值。

IR@VRWM

反向漏电流

应小于电路允许的最大漏电流。

Ip（A）

通流容量

通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。

PPP

峰值脉冲功率

保护器件能吸收瞬时脉冲的能量，典型值取自300W8/20μs脉冲。

结电容

是保护器件的寄生电容，数据率或操作频率越高的线路上使用的保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。

压敏电阻的响应时刻为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一样情形下用于电子电路的过电压爱惜其响应速度能够知足要求。

压敏电阻的结电容一样在几百到几千pF的数量级范围，很多情形下不宜直接应用在高频信号线路的爱惜中，应用在交流电路的爱惜中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。

压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。

1.压敏电压的选取

压敏电压（min（U1mA））、通流容量是电路设计时应重点考虑的。

在直流回路中，应当有：

min（U1mA）≥～2）Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。

在交流回路中，应当有：

min（U1mA）≥～Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。

上述取值原那么主若是为了保证压敏电阻在电源电路中应历时，有适当的平安裕度。

在信号回路中时，应当有：

min（U1mA）≥～Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。

压敏电阻的通流容量应依照防雷电路的设计指标来定。

一样而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。

一样地说，压敏电阻器常常与被爱惜器件或装置并联利用，在正常情形下，压敏电阻器两头的直流或交流电压应低于标称电压，即便在电源波动情形最坏时，也不该高于额定值当选择的最大持续工作电压，该最大持续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。

关于过压爱惜方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一样应利用下式进行选择：

VmA＝av／bc

式中：

a为电路电压波动系数，一样取1．2；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一样取0．85；c为元件的老化系数，一样取0．9；如此计算取得的VmA实际数值是直流工作电压的1．5倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1．414倍。

另外，选历时还必需注意：

（1）必需保证在电压波动最大时，持续工作电压也可不能超过最大许诺值，不然将缩短压敏电阻的利用寿命；

（2）在电源线与大地间利用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，因此通常采纳比线与线间利用处合更高标称电压的压敏电阻器。

2．通流量的选取

通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时刻进行脉冲实验时产品所能经受的最大电流值。

而产品所能经受的冲击数是波形、幅值和间隙时刻的函数，当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍，因此在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。

瞬态抑制器件的比较

器件名称

气体放电管

压敏电阻

TVS管

TVS晶闸管

泄露电流

无

小

续流

有

无

箝位电压

点火电压高

中等

低

通流容量

大（103~105A）

大（102~105A）

小（101~102A）

大（102~105A）

极间电容

小

大

小

响应时间

慢（10-6s）

中等（10-9s）

快（10-12s）

失效形式

开路

短路

价格

低

高

中等

老化现象

有

无

产品范围

中等

大

电压可选范围大

电压可选范围小

使用场合

电源线和通信线的初级保护

多级保护组件中的第一级保护

电源和汽车电气系统的保护

多级保护组件中的第一或第二级保护

PCB级保护的有限应用

PCB级保护的广泛应用

次级保护的有限应用

静电放电等快速过电压波的防护

多级保护中的最后以及保护

通信线路中的初次级保护

2.7EMC设计中的防护器件选择

设计必然要从需求考虑，需要防护多大的电压、多大的电流？

2.7.1假设

由于关于EMC干扰的具体实验方式已经制定成相关标准，标准中产生具体干扰波形的设备就能够够当做实际的干扰发生源。

因此咱们在做EMC方面的防护时能够依如实验设备的具体参数，来设计、选择防护器件的参数指标。

2.7.2浪涌防护

由于浪涌的波形持续时刻较长（us级别），携带的能量专门大（乃至能够达到10、20KA），因此咱们在做具体防护是必需利用防护器件，例如：

气体放电管、压敏电阻、TVS管。

浪涌防护也能够利用变压器+压敏电阻的方式。

变压器来防共模，压敏电阻来防差模。

在那个地址不赘述。

已知：

设备线线工作电压Vwork1，设备线地工作电压Vwork二、Vwork3设备线线最大经受电压Vmax1，设备线地最大经受电压Vmax二、Vmax3.，线线浪涌电压Vsurge1，线地浪涌电压Vsurge二、Vsurge3，输出电阻Zout。

未知：

防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；

防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；

防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。

求防护器件参数：

Vwm1≥Vwork1；

Vwm2≥Vwork2；

Vwm3≥Vwork3；

Vc1≤Vmax1；

Vc2≤Vmax2；

Vc3≤Vmax3；

Ipp1≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω）

Ipp2≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω）

Ipp3≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=1KV、2KV、4KV，Z=2Ω、40Ω）

Vbr1约=Vwork1*~.；

Vbr2约=Vwork2*~.；

Vbr3约=Vwork3*~.；

2.7.3静电防护

静电放电波形持续时刻较短（ns级别），携带的能量小，因此咱们在做具体防护能够利用TVS管、ESD器件。

静电防护也能够利用变压器+ESD器件（TVS器件）的方式。

变压器来防共模，ESD器件来防差模。

在那个地址不赘述。

已知：

未知：

防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；

防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；

防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。

求防护器件参数：

Vwm1≥Vwork1；

Vwm2≥Vwork2；

Vwm3≥Vwork3；

Vc1≤Vmax1；

Vc2≤Vmax2；

Vc3≤Vmax3；

Ipp1≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω）

Ipp2≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω）

Ipp3≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=2KV、4KV、6KV、8KV、15KV，Z=330Ω）

Vbr1约=Vwork1*~.；

Vbr2约=Vwork2*~.；

Vbr3约=Vwork3*~.；

2.7.4EFT防护

EFT波形持续时刻较短（ns级别），携带的能量小，因此咱们在做具体防护能够利用TVS管、ESD器件。

已知：

未知：

防护器件U1工作电压Vwm1，防护器件U1击穿电压Vbr1，防护器件钳位电压Vc1，防护器件最大电流Ipp1；

防护器件U2工作电压Vwm2，防护器件U2击穿电压Vbr2，防护器件钳位电压Vc2，防护器件最大电流Ipp2；

防护器件U3工作电压Vwm3，防护器件U1击穿电压Vbr3，防护器件钳位电压Vc3，防护器件最大电流Ipp3。

求防护器件参数：

Vwm1≥Vwork1；

Vwm2≥Vwork2；

Vwm3≥Vwork3；

Vc1≤Vmax1；

Vc2≤Vmax2；

Vc3≤Vmax3；

Ipp1≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=、、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω）

Ipp2≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=、、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω）

Ipp3≥（Vsurge-Vc）/Zout；（Vsurge=、、1KV、2KV、4KV，Z=50Ω）

Vbr1约=Vwork1*~.；

Vbr2约=Vwork2*~.；

Vbr3约=Vwork3*~.；

2.7.5综合防护

综合防护时，最好在前级加上压敏电阻、在后级增加TVS或ESD器件。

当进行综合防护时，若是浪涌电压的能量专门大，能够考虑通过在线路上的两种防护器件之间串接一个电阻来完成。

2.8EMC防护电路PCB设计

快速ESD脉冲可能在电路板上相邻（平行）导线间产生感应电压。

若是上述情形发生，由于将可不能取得爱惜，因此感应电压途径将成为另一条让浪涌抵达IC的途径。

因此，被爱惜的输入线不该该被放置在其它单独、未受爱惜的走线隔壁。

推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是：

应尽可能的滤除所有的I/O口的干扰信号，靠近连接器/触点PCB侧。

布线时，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的散布参数和彼其间的电磁干扰；输入输出端用的导线应尽可能幸免相邻平行。

最好加线间地线，以避免发生反馈藕合。

在利用TVS二极管爱惜ESD损害的同时，必需配合合理的PCB布局。

第一是要幸免自感。

关于ESD如此剧变突发的脉冲，极可能会在回路中引发寄生自感，进而对回路形成壮大的电压冲击，并可能超出IC的经受极限而造成损伤。

负载产生的自感电压与电源转变强度成正比，ESD冲击的瞬变特点易于诱发高强自感。

减小寄生自感的大体原那么是尽可能缩短分流回路，必需考虑到包括接地回路、TVS和被爱惜线路之间的回路和由接口到TVS的通路等所有因素。

因此TVS器件应与接口尽可能接近，与被爱惜线路尽可能接近，如此才会减少自感耦合到其它临近线路上的机遇。

综上所述，在布线时，应遵循以下原那么：

1.差分信号线要尽可能的短以减小PCB走线上的散布电容，并一直维持平行、等长、线间距为一倍线宽，并尽可能采取包地方法；

2.连接到TVS两头的PCB走线要保证大于10mil以避免浪涌产生的过电流烧坏印制线；

3.幸免在爱惜线路周围走比较关键的信号线；

4.尽可能将接口安排在同一个边上；

5.幸免被爱惜回路和未实施爱惜的回路并联；

6.各类信号线及其馈线所形成的回路所围绕面积要尽可能小，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；

7.将接口信号线路和接地线路直接接到爱惜器件上，然后再进入回路的其它部份；

8.将复位、中断、操纵信号远离输入/输出口，远离PCB的边缘；

9.在可能的地址都加入接地址；

3参考文件

SI96-01WhatAreTVS公司

SI96-02TVSDiode公司

SI96-05Unidirectional&Bidirectional公司

SI96-12ESD公司

SI97-02CalculatingTransient公司

----周建功公司

公司

LittelfuseVaristorDesignExamples----Littelfuse公司

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