提高嵌入式設(shè)備電磁兼容性的設(shè)計(jì)參考
前言
英創(chuàng)工控主板，主要應(yīng)用于嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、通訊管理、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互等應(yīng)用。工控主板運(yùn)行的可靠性，完全依賴于嵌入式設(shè)備的可靠性。
一臺(tái)嵌入式設(shè)備的可靠運(yùn)行，需要依靠設(shè)備硬件電路具有較好的電磁兼容特性，以保證在一定強(qiáng)度的電磁干擾環(huán)境下，使硬件電路/元件可靠地工作，從而才能保證設(shè)備的正常工作。電磁兼容特性差，直接反應(yīng)出來(lái)的的情況，就是設(shè)備容易出故障損壞，反復(fù)維修，直接增加維護(hù)成本。常見的電磁兼容內(nèi)容，包括但不限于抗靜電能力、抗浪涌能力、抗脈沖群能力等。在實(shí)際的應(yīng)用中，抗靜電能力與抗浪涌能力不合格，最常見的表現(xiàn)，就是電路中有元器件損壞。
提高設(shè)備的電磁兼容特性，最常用的方法是：合理電路原理設(shè)計(jì)與電路布局、合適的保護(hù)器件選擇、設(shè)備組裝、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝與走線等因素。
為了驗(yàn)證合理的電路設(shè)計(jì)對(duì)電磁兼容特性的重要性，同時(shí)方便給客戶提供設(shè)計(jì)參考，英創(chuàng)公司基于SBC880工控機(jī)進(jìn)行了靜電抗擾度與浪涌抗擾度的試驗(yàn)，并通過(guò)了GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008靜電抗擾度4級(jí)和GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 浪涌抗擾度測(cè)試4級(jí)，這說(shuō)明英創(chuàng)的工控主板在配合設(shè)計(jì)合理的應(yīng)用底板時(shí)，其電磁兼容特性是合格的。
受試設(shè)備信息
以下相關(guān)信息，是基于SBC880工控機(jī)進(jìn)行浪涌抗擾度與靜電放電抗擾度試驗(yàn)對(duì)象：
● 使用工控主板：ESM6800、ESM3352、ESM7000、EM9281
● 使用底板：SBC880 V3.0
● 使用DM5028模塊：(1) DM5028-ETA104 V4.1， 模擬采集、通訊驅(qū)動(dòng)模塊 (2) DM5028-ETA702 V4.0，RS485、RS232、CAN驅(qū)動(dòng)模塊
受試設(shè)備：SBC880工控機(jī)整機(jī)
受試設(shè)備：SBC880工控機(jī)內(nèi)部展示
浪涌抗擾度試驗(yàn)及結(jié)果
在浪涌抗擾度試驗(yàn)中，線-線，表示差模；線-地，表示共模。其中，“線-地”中的‘地’，表示設(shè)備的保護(hù)接地（PE），即我們通常所理解的設(shè)備外殼，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該連接到可靠的安全接地點(diǎn)。根據(jù)GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014，浪涌抗擾度實(shí)驗(yàn)等級(jí)如下表：
| 等級(jí) | 開路試驗(yàn)電壓 | |
| 線-線 | 線-地 | |
| 1級(jí) | -- | 0.5 kV |
| 2級(jí) | 0.5 kV | 1.0 kV |
| 3級(jí) | 1.0 kV | 2.0 kV |
| 4級(jí) | 2.0 kV | 4.0 kV |
該試驗(yàn)是按照4類環(huán)境要求進(jìn)行，即：互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設(shè)并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境。實(shí)驗(yàn)等級(jí)依據(jù)GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 附錄表B.1和表B.2，因此最高須通過(guò)4級(jí)浪涌抗擾度試驗(yàn)。
根據(jù)GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 附錄表B.2，網(wǎng)絡(luò)通訊線、RS485通訊線、CAN通訊線屬非屏蔽對(duì)稱互連線，對(duì)浪涌抗擾度 線-線（差模）試驗(yàn)不要求。下面設(shè)備為浪涌抗擾度試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備：
● 浪涌組合波發(fā)生器：蘇州泰思特電子科技有限公司 SG5010H
● 浪涌試驗(yàn)信號(hào)耦合器：蘇州泰思特電子科技有限公司 CDN 405AF8
● 試驗(yàn)浪涌波形：1.2 / 50 us
浪涌抗擾度試驗(yàn)的結(jié)果如下表所示：
| 浪涌抗擾度試驗(yàn) | NET1 | NET2 | DM5028輸出端口 | RS232 | 電源 | ||
| RS485 | CAN | ||||||
| 3級(jí) | 線-線(1kV) | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 通過(guò) | 無(wú)要求 |
| 線-地(2kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | |
| 4級(jí) | 線-線(2kV) | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 通過(guò) | 無(wú)要求 |
| 線-地(4kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | |
靜電抗擾度試驗(yàn)及結(jié)果
根據(jù)GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008，靜電抗擾度試驗(yàn)等級(jí)如下表所示：
| 接觸放電 | 空氣放電 | ||
| 等級(jí) | 實(shí)驗(yàn)電壓 | 等級(jí) | 實(shí)驗(yàn)電壓 |
| 1級(jí) | 2kV | 1級(jí) | 2kV |
| 2級(jí) | 4kV | 2級(jí) | 4kV |
| 3級(jí) | 6kV | 3級(jí) | 8kV |
| 4級(jí) | 8kV | 4級(jí) | 15kV |
由于嵌入式工控機(jī)可能應(yīng)用于各類環(huán)境，因此對(duì)于靜電抗擾度能力要求相對(duì)比較高。依據(jù)GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008附錄A相關(guān)信息，靜電抗擾度試驗(yàn)應(yīng)通過(guò)4級(jí)試驗(yàn)。
靜電抗擾度試驗(yàn)設(shè)備：
蘇州泰思特電子科技有限公司 EDS-20H
瑞士特測(cè) NSG 438A
靜電抗擾度試驗(yàn)試驗(yàn)的結(jié)果如下表所示：
| 靜電抗擾度試驗(yàn) | 網(wǎng)絡(luò)1 | 網(wǎng)絡(luò)2 | USB | VGA | RS232 | DM5028輸出端口 | 電源 | ||
| RS485 | CAN | ||||||||
| 3級(jí) | 空氣放電(8kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) |
| 接觸放電(6kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | |
| 4級(jí) | 空氣放電(15kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) |
| 接觸放電(8kV) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | 通過(guò) | |
說(shuō)明：在靜電抗擾度試驗(yàn)時(shí)，由于SBC880工控機(jī)使用了SBC880-ME金屬機(jī)殼且可靠地連接到PE點(diǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)更加容易通過(guò)靜電實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)用相關(guān)電路
下面的圖例，是通過(guò)靜電抗擾度與浪涌抗擾度試驗(yàn)的常用端口的電路圖與浪涌抗擾度試驗(yàn)中信號(hào)耦合示意圖。
電源端口：
圖1：電源輸入端口電路原理
圖2：電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-線 耦合示意圖 圖3：電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-地 耦合示意圖
說(shuō)明：PPTC器件（F1）要根據(jù)整機(jī)功率進(jìn)行選擇，最小通流值，建議選用整機(jī)工作時(shí)最大電流的2倍，如：SBC880工控機(jī)最大功率時(shí)電流可達(dá)2A/DC5V，因此F1需要使用額定4A電流的PPTC器件，否則在浪涌沖擊時(shí)，PPTC可能出現(xiàn)斷路保護(hù)的情況，導(dǎo)致設(shè)備斷電重啟或間歇性斷電。
網(wǎng)絡(luò)端口：
圖4：1000Mbps網(wǎng)絡(luò)端口電路原理 圖5：HR851178內(nèi)部電路圖
圖6：100Mbps網(wǎng)絡(luò)端口電路原理 圖7：HR871181A內(nèi)部電路圖
圖8：網(wǎng)絡(luò)端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-地 耦合示意圖
說(shuō)明：由于CDN設(shè)備受限，網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，將其8條通訊線并在一起后，接入CDN設(shè)備的EUT PORT端口上。
RS485端口：
圖9：RS485端口電路原理
圖10：RS485端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-地 耦合示意圖
說(shuō)明：由于CDN設(shè)備受限，RS485端口進(jìn)行浪涌測(cè)試時(shí)，將A/B 兩條通訊線并在一起后，接入CDN設(shè)備的EUT PORT端口上面。UTP(Unshielded Twisted pair)表示非屏蔽雙絞線，下同。
CAN端口：
圖11：CAN端口電路原理
圖12：CAN端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-地 耦合示意圖
說(shuō)明：由于CDN設(shè)備受限，CAN端口進(jìn)行浪涌測(cè)試時(shí)，將H/L 兩條通訊線并在一起后，接入CDN設(shè)備的EUT PORT端口上面。
RS232端口：
圖13：RS232端口電路
圖14：RS232端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-線 耦合邏輯圖
圖15：RS232端口浪涌抗擾度試驗(yàn) 線-地 耦合示意圖
說(shuō)明：對(duì)RS232端口進(jìn)行浪涌 線-線、線-地 試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)TX信號(hào)線和RX信號(hào)線進(jìn)行測(cè)試。
USB端口：
圖16：USB端口電路原理
說(shuō)明：依據(jù)GB/T 17626.5-2019/IEC 61000-4-5:2014附錄B，于USB端口可不要求進(jìn)行浪涌抗擾度試驗(yàn)。但其需要進(jìn)行靜電抗擾度試驗(yàn)。
為了使嵌入式工控機(jī)達(dá)到更好的電磁兼容特性，提高可靠性，除了在電路上盡可能完善相應(yīng)的保護(hù)電路外，對(duì)PCB的布局，設(shè)備的組裝和現(xiàn)場(chǎng)安裝、布線都有緊密的關(guān)系。因此遇到設(shè)備損壞的情況時(shí)，根據(jù)這些事項(xiàng)逐一排查。
為了協(xié)助客戶查找電路損壞原因，英創(chuàng)公司特意進(jìn)行了一系列破壞性的靜電抗擾度與浪涌抗擾度試驗(yàn)以分析電路損壞情況及相關(guān)的因素，詳情請(qǐng)參考：《破壞性電磁兼容性試驗(yàn)案例分析》。