一 องค์ประกอบสามประการและเส้นทางการแพร่กระจายของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
การก่อตัวของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ต้องใช้องค์ประกอบสามประการพร้อมกัน: แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน เส้นทางเชื่อมต่อ และอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม แหล่งที่มาของการรบกวนโดยทั่วไป ได้แก่:
อินเวอร์เตอร์: กระแสไฟฟ้าฮาร์มอนิก (2-50kHz) ที่สร้างขึ้นโดยการมอดูเลต PWM จะดำเนินการผ่านสายไฟ ในขณะที่สายเคเบิลเอาต์พุตจะสร้างเสาอากาศเพื่อแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง (100kHz-30MHz)
ระบบมอเตอร์: การแผ่รังสีประกายไฟฟ้าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปรงถ่าน (1-100MHz) รวมถึงความผันผวนของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสขดลวด (50Hz และฮาร์โมนิกของมัน)
เครื่องเชื่อม: พัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มสูง- (0.1-10MHz) ที่สร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อมอาร์กสามารถแผ่รังสีได้ไกลถึงสิบเมตร
อุปกรณ์สื่อสารไร้สาย: คลื่นความถี่ Wi Fi/บลูทูธ (2.4GHz/5GHz) ซ้อนทับกับคลื่นความถี่ที่ละเอียดอ่อนของวงจรควบคุม LCD
สัญญาณรบกวนบุกรุกระบบ LCD ผ่านเส้นทางต่อไปนี้:
การมีเพศสัมพันธ์แบบนำไฟฟ้า: การใช้สายไฟและสายสัญญาณเป็นตัวพา สัญญาณรบกวนจะถูกฉีดเข้าไปในวงจรโดยตรง
การควบคู่การแผ่รังสี: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอวกาศทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ารบกวนบนสายไฟ PCB หรือตัวเชื่อมต่อผ่านเอฟเฟกต์เสาอากาศ
การต่อพ่วงอิมพีแดนซ์ทั่วไป: มีอิมพีแดนซ์ร่วมในวงจรกราวด์ ซึ่งทำให้กระแสสัญญาณรบกวนไหลระหว่างอุปกรณ์
2 การก่อสร้างระบบเทคโนโลยีการป้องกัน
1. การออกแบบป้องกัน: บล็อกการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การป้องกันเปลือกโลหะ: ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมหรือเปลือกแผ่นเหล็กชุบสังกะสีที่มีความหนามากกว่าหรือเท่ากับ 1.5 มม. เพื่อให้ได้การลดทอนที่มีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตเครื่องมือเคมีได้รับประสิทธิภาพการป้องกันมากกว่า 40dB ในย่านความถี่ 30MHz-1GHz โดยการปรับโครงสร้างเปลือกให้เหมาะสม ประเด็นการออกแบบที่สำคัญ ได้แก่ :
ความต่อเนื่องของตัวป้องกัน: ควรควบคุมความกว้างของช่องว่างของเปลือกภายใน 0.1 มม. และควรใช้แผ่นนำไฟฟ้าหรือแผ่นสปริงสำหรับการเชื่อมต่อไฟฟ้า
การควบคุมรูรับแสง: รูกระจายความร้อนใช้การออกแบบแบบรวงผึ้ง โดยมีรูรับแสงน้อยกว่าหรือเท่ากับ แลมบ์ดา/20 (โดยที่ แลมคือความยาวคลื่นความถี่รบกวนสูงสุด)
การประมวลผลหน้าต่างแสดงผล: ใช้กระจกนำไฟฟ้า ITO (ความต้านทานพื้นผิวน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 Ω/□) หรือแผ่นป้องกันตาข่ายโลหะ โดยมีการส่งผ่านแสงมากกว่าหรือเท่ากับ 85%
การแยกการป้องกันภายใน: ใช้การป้องกันเฉพาะที่สำหรับโมดูลวงจรที่มีความละเอียดอ่อน:
ชิปควบคุมหลัก: ใช้ฝาครอบป้องกันฟอยล์ทองแดง ความต้านทานต่อสายดินน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10m Ω
โมดูลจ่ายไฟ: ติดตั้งวงแหวนแม่เหล็กรอบๆ ตัวแปลง DC-DC เพื่อลดเสียงรบกวนของสวิตช์
อินเทอร์เฟซสัญญาณ: ใช้ขั้วต่อที่มีฉนวนหุ้ม (เช่น ชนิดย่อย D-) และบัดกรีชั้นฉนวน 360 องศากับระนาบกราวด์ PCB
2. เทคโนโลยีการกรอง: ปราบปรามการรบกวนที่เกิดขึ้น
การกรองปลายกำลัง: ติดตั้งตัวกรอง EMI ที่ปลายอินพุตกำลังไฟ LCD โดยมีข้อกำหนดพารามิเตอร์ทั่วไป:
การสูญเสียการแทรก: มากกว่าหรือเท่ากับ 40dB ในย่านความถี่ 150kHz-30MHz
พิกัดกระแส: เลือกตามความต้องการโหลด โดยเหลือไว้ 20%
กระแสไฟรั่ว: น้อยกว่าหรือเท่ากับ 1mA (ตามมาตรฐานความปลอดภัย IEC 60950)
กรณีศึกษาอุปกรณ์ในรถยนต์แสดงให้เห็นว่าหลังจากใช้ตัวกรอง LC สอง-ขั้น การรบกวนที่เกิดขึ้นบนสายไฟลดลงจาก 45dB μ V เป็น 20dB μ V
การกรองสายสัญญาณ: สำหรับสายสัญญาณวิดีโอ เช่น RGB/LVDS จะใช้การผสมผสานระหว่างโช้คคอยล์โหมดทั่วไป (CMCC) และตัวเก็บประจุโหมดดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับการกรอง:
ตัวเหนี่ยวนำ CMCC: 100-1000 μH (เลือกตามความถี่ของสัญญาณ)
ความจุที่แตกต่างกัน: 0.1-1 μF (ตัวเก็บประจุความปลอดภัยชนิด X2)
3. การเพิ่มประสิทธิภาพของระบบสายดิน
วิธีการต่อสายดินแบบจุดเดียว: ในวงจรความถี่ต่ำ- (f<1MHz), all grounding wires are converged to a common grounding point to avoid the formation of a ground loop. A certain power monitoring instrument reduced the common mode interference voltage from 5V to 0.5V by reconstructing the grounding system.
Multi point grounding strategy: In high-frequency circuits (f>10MHz) มีการนำการออกแบบบอร์ด PCB หลายชั้น-มาใช้เพื่อสร้างระนาบกราวด์ที่สมบูรณ์:
การแบ่งส่วนระนาบกราวด์: กราวด์ดิจิทัลและกราวด์อะนาล็อกเชื่อมต่ออยู่ที่จุดเดียวผ่านตัวต้านทาน 0 Ω หรือเม็ดแม่เหล็ก
การต่อสายดิน: ต้องมีการต่อสายดินอย่างน้อยหนึ่งครั้งโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าหรือเท่ากับ 0.5 มม. ต่อตารางนิ้วของ PCB
การควบคุมความต้านทานกราวด์: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความต้านทานกราวด์น้อยกว่าหรือเท่ากับ 4 Ω โดยใช้มาตรการต่อไปนี้:
เพิ่มจำนวนอิเล็กโทรดกราวด์ (อย่างน้อย 3)
ใช้ตัวลดความต้านทาน (ความต้านทานน้อยกว่าหรือเท่ากับ 5 Ω· m)
ตรวจสอบความต้านทานกราวด์อย่างสม่ำเสมอ (แนะนำทุกไตรมาส)
4. การออกแบบป้องกันการรบกวน PCB-
การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครง:
การกำหนดเส้นทางสัญญาณหลัก: ความยาวของสายนาฬิกาและสายสัญญาณวิดีโอควรได้รับการควบคุมภายใน แลมบ์ดา/20 (โดยที่ แลมคือความยาวคลื่นของสัญญาณ)
ระนาบกำลัง/กราวด์: การใช้โครงสร้างบอร์ด 4 ชั้น (สัญญาณสัญญาณไฟกราวด์) ระนาบกำลังถูกเชื่อมต่ออย่างแน่นหนากับระนาบกราวด์
เค้าโครงอุปกรณ์: วงจรแอนะล็อกและวงจรดิจิทัลถูกจัดเรียงในโซนแยกกันโดยมีระยะห่างมากกว่าหรือเท่ากับ 5 มม.
ข้อกำหนดสายไฟ:
การกำหนดเส้นทางแบบดิฟเฟอเรนเชียล: รักษาความยาวให้เท่ากัน (ข้อผิดพลาดน้อยกว่าหรือเท่ากับ 50mil) โดยมีระยะห่างสองเท่าของความกว้างของบรรทัด
การกำหนดเส้นทางคดเคี้ยว: ใช้สำหรับการจับคู่การหน่วงเวลาสัญญาณนาฬิกา โดยมีแอมพลิจูดมากกว่าหรือเท่ากับ 3 เท่าของความกว้างของเส้นและระยะห่างมากกว่าหรือเท่ากับ 5 เท่าของความกว้างของเส้น
การจัดเรียงตัวเก็บประจุตัวกรอง: ตัวเก็บประจุเซรามิก 0.1 μ F ตั้งอยู่ใกล้กับพินกำลังของชิป (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 3 มม.) และตัวเก็บประจุแทนทาลัม 10 μ F ถูกจัดเรียงที่ช่องจ่ายไฟ
3 การวิเคราะห์กรณีการใช้งานทั่วไป
กรณีที่ 1: การออกแบบการป้องกันการรบกวนของเครื่องมือปิโตรเคมี
หน้าจอ LCD ของระบบตรวจสอบบ่อน้ำมันบางระบบแสดงการแสดงผลที่ผิดปกติระหว่างการเชื่อม หลังจากวิเคราะห์พบว่า:
แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน: ชีพจรแม่เหล็กไฟฟ้า 1-10MHz ที่สร้างโดยเครื่องเชื่อม
เส้นทางการแพร่กระจาย: การแผ่รังสีอวกาศควบคู่กับสายสัญญาณวิดีโอ LCD
สารละลาย:
เพิ่มวงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ (μ r=1000) ที่ชั้นนอกของสายสัญญาณ
อินเทอร์เฟซวิดีโอเปลี่ยนเป็นอินเทอร์เฟซดิจิทัล DVI-D (พร้อมความสามารถในการป้องกัน-สัญญาณรบกวนที่แข็งแกร่งสำหรับการส่งผ่านส่วนต่าง)
วางยางนำไฟฟ้า (ความต้านทานปริมาตรน้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.01 Ω· cm) ที่ช่องว่างของเปลือก
หลังการใช้งาน ระบบยังคงแสดงผลได้อย่างเสถียรระหว่างการเชื่อม และอัตราข้อผิดพลาดลดลงจาก 10 ⁻³ เป็น 10 ⁻⁶
กรณีที่ 2: การเพิ่มประสิทธิภาพหน้าจอสัมผัสสำหรับอุปกรณ์การผลิตอัจฉริยะ
หน้าจอสัมผัสของเครื่องมือเครื่อง CNC สัมผัสกันโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างสตาร์ทมอเตอร์ และผลการวินิจฉัยคือ:
แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน: ความผันผวนของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงกะทันหันของกระแสเซอร์โวมอเตอร์ (50Hz และฮาร์โมนิกของมัน)
เส้นทางการขยายพันธุ์: รูปแบบการรบกวนโหมดทั่วไปผ่านโครงสร้างโลหะของตู้
สารละลาย:
เพิ่มตัวกรองประเภท π - ให้กับแหล่งจ่ายไฟของชิปสัมผัส (L=100 μ H, C=0.1 μ F)
ตัวตู้ทำจากวัสดุสแตนเลสที่ไม่ใช่แม่เหล็ก- (μ r µ 1)
เพิ่มแผ่นฉนวนระหว่างหน้าจอสัมผัสและตู้ (แรงดันพังทลายมากกว่าหรือเท่ากับ 10kV)
หลังจากการปรับปรุงใหม่ ความไวในการสัมผัสเพิ่มขึ้นสามเท่า และอัตราการสัมผัสที่ผิดพลาดลดลงจาก 15% เป็น 0.5%
