一, Ba yếu tố và con đường lan truyền của nhiễu điện từ
Sự hình thành nhiễu điện từ (EMI) đòi hỏi đồng thời ba yếu tố: nguồn nhiễu, đường ghép và thiết bị nhạy cảm. Trong môi trường công nghiệp, các nguồn gây nhiễu điển hình bao gồm:
Biến tần: Dòng điện hài (2-50kHz) được tạo ra bởi quá trình điều chếPWM của nó được truyền qua đường dây điện, trong khi cáp đầu ra tạo thành ăng-ten để phát ra sóng điện từ tần số cao (100kHz-30MHz).
Hệ thống động cơ: Bức xạ tia lửa điện được tạo ra bởi chuyển mạch chổi than (1-100 MHz), cũng như sự dao động từ trường gây ra bởi sự thay đổi dòng điện cuộn dây (50Hz và các sóng hài của nó).
Máy hàn: Xung điện từ cường độ cao-(0,1-10 MHz) được tạo ra trong quá trình hàn hồ quang có thể tỏa ra xa tới hàng chục mét.
Thiết bị liên lạc không dây: Dải tần Wi Fi/Bluetooth (2.4GHz/5GHz) trùng với dải tần nhạy cảm của mạch điều khiển LCD.
Sự can thiệp xâm nhập vào hệ thống LCD thông qua các con đường sau:
Khớp nối dẫn điện: Sử dụng đường dây điện và tín hiệu làm sóng mang, nhiễu sẽ được đưa trực tiếp vào mạch.
Khớp nối bức xạ: Sóng điện từ không gian gây ra điện áp nhiễu trên dây hoặc đầu nối PCB thông qua hiệu ứng ăng-ten.
Khớp nối trở kháng chung: Có một trở kháng chung trong mạch nối đất, gây ra dòng nhiễu chạy giữa các thiết bị.
2, Thi công hệ thống công nghệ bảo vệ
1. Thiết kế che chắn: Chặn sự lan truyền của sóng điện từ
Che chắn vỏ kim loại: sử dụng vỏ hợp kim nhôm hoặc thép tấm mạ kẽm, có độ dày Lớn hơn hoặc bằng 1,5mm để đạt được độ suy giảm hiệu quả. Ví dụ, một nhà sản xuất thiết bị hóa học đã đạt được hiệu suất che chắn trên 40dB ở dải tần 30 MHz-1GHz bằng cách tối ưu hóa cấu trúc vỏ. Các điểm thiết kế chính bao gồm:
Tính liên tục của thân che chắn: Chiều rộng của khe hở vỏ phải được kiểm soát trong vòng 0,1mm và nên sử dụng miếng dẫn điện hoặc tấm lò xo để kết nối điện.
Kiểm soát khẩu độ: Các lỗ tản nhiệt áp dụng thiết kế tổ ong, với khẩu độ Nhỏ hơn hoặc bằng λ/20 (trong đó λ là bước sóng tần số nhiễu cao nhất).
Xử lý cửa sổ hiển thị: Sử dụng kính dẫn điện ITO (điện trở bề mặt Nhỏ hơn hoặc bằng 10 Ω/□) hoặc tấm chắn bằng lưới kim loại, có độ truyền ánh sáng Lớn hơn hoặc bằng 85%.
Cách ly che chắn bên trong: Thực hiện che chắn cục bộ cho các mô-đun mạch nhạy cảm:
Chip điều khiển chính: sử dụng vỏ bọc lá đồng, điện trở nối đất Nhỏ hơn hoặc bằng 10m Ω.
Mô-đun nguồn: Lắp các vòng từ xung quanh bộ chuyển đổi DC{0}}DC để triệt tiêu tiếng ồn của công tắc.
Giao diện tín hiệu: Sử dụng các đầu nối được che chắn (chẳng hạn như loại phụ D{0}}) và hàn lớp che chắn 360 độ với mặt phẳng nối đất PCB.
2. Công nghệ lọc: Triệt tiêu nhiễu dẫn
Lọc đầu nguồn: Cài đặt bộ lọc EMI ở đầu đầu vào nguồn LCD, với các yêu cầu thông số điển hình:
Mất chèn: Lớn hơn hoặc bằng 40dB trong dải tần 150kHz-30 MHz
Dòng điện định mức: Chọn theo yêu cầu tải, để lại mức chênh lệch 20%
Dòng điện rò: Nhỏ hơn hoặc bằng 1mA (theo tiêu chuẩn an toàn IEC 60950)
Một nghiên cứu điển hình về thiết bị ô tô cho thấy rằng sau khi sử dụng bộ lọc LC hai{0}}giai đoạn, nhiễu dẫn trên đường dây điện đã giảm từ 45dB μ V xuống 20dB μ V.
Lọc đường tín hiệu: Đối với các đường tín hiệu video như RGB/LVDS, sự kết hợp giữa cuộn cảm chế độ chung (CMCC) và tụ điện chế độ vi sai được sử dụng để lọc:
Độ tự cảm CMCC: 100-1000 μ H (được chọn dựa trên tần số tín hiệu)
Điện dung vi sai: 0,1-1 μ F (tụ an toàn loại X2)
3. Tối ưu hóa hệ thống nối đất
Chiến lược nối đất một điểm: Trong các mạch-tần số thấp (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>10 MHz), thiết kế bo mạch nhiều lớp PCB-được áp dụng để thiết lập một mặt phẳng hoàn chỉnh:
Phân đoạn mặt phẳng mặt đất: Mặt đất kỹ thuật số và mặt đất tương tự được kết nối tại một điểm duy nhất thông qua điện trở 0 Ω hoặc hạt từ tính.
Nối đất qua: Phải bố trí ít nhất một dây nối đất có đường kính lớn hơn hoặc bằng 0,5mm trên mỗi inch vuông PCB.
Kiểm soát điện trở nối đất: Đảm bảo điện trở nối đất nhỏ hơn hoặc bằng 4 Ω thông qua các biện pháp sau:
Tăng số lượng điện cực nối đất (ít nhất là 3)
Sử dụng bộ giảm điện trở (điện trở suất nhỏ hơn hoặc bằng 5 Ω· m)
Thường xuyên kiểm tra điện trở nối đất (khuyến nghị mỗi quý một lần)
4. Thiết kế chống nhiễu PCB
Tối ưu hóa bố cục:
Định tuyến tín hiệu chính: Độ dài của đường tín hiệu đồng hồ và video phải được kiểm soát trong phạm vi λ/20 (trong đó λ là bước sóng tín hiệu).
Mặt phẳng nguồn/mặt đất: Thông qua cấu trúc bảng 4 lớp (tín hiệu nguồn mặt đất), mặt phẳng nguồn được liên kết chặt chẽ với mặt phẳng mặt đất.
Bố trí thiết bị: Các mạch analog và mạch số được bố trí thành các vùng riêng biệt với khoảng cách Lớn hơn hoặc bằng 5mm.
Thông số kỹ thuật dây:
Định tuyến vi sai: Duy trì độ dài bằng nhau (sai số nhỏ hơn hoặc bằng 50mil), với khoảng cách gấp đôi chiều rộng đường.
Định tuyến Serpentine: được sử dụng để khớp độ trễ tín hiệu đồng hồ, với biên độ Lớn hơn hoặc bằng 3 lần chiều rộng đường và khoảng cách Lớn hơn hoặc bằng 5 lần chiều rộng đường.
Bố trí tụ lọc: Tụ gốm 0,1 μF nằm gần chân nguồn chip (Nhỏ hơn hoặc bằng 3 mm) và tụ tantalum 10 μF được bố trí ở đầu vào nguồn.
3, Phân tích trường hợp ứng dụng điển hình
Trường hợp 1: Thiết kế chống nhiễu của dụng cụ hóa dầu
Màn hình LCD của một hệ thống giám sát mỏ dầu nào đó cho thấy màn hình hiển thị bất thường trong quá trình hàn. Sau khi phân tích, người ta thấy rằng:
Nguồn nhiễu: Xung điện từ 1-10 MHz do máy hàn tạo ra
Đường truyền: Bức xạ không gian kết hợp với đường tín hiệu video LCD
Giải pháp:
Thêm vòng từ ferit (μ r=1000) ở lớp ngoài của đường tín hiệu
Giao diện video chuyển sang giao diện kỹ thuật số DVI{0}}D (có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ cho truyền vi sai)
Dán cao su dẫn điện (điện trở suất nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 Ω· cm) vào khe hở của vỏ
Sau khi triển khai, hệ thống vẫn có thể hiển thị ổn định trong quá trình hàn và tỷ lệ lỗi đã giảm từ 10 ⁻³ xuống còn 10 ⁻⁶.
Trường hợp 2: Tối ưu hóa màn hình cảm ứng cho thiết bị sản xuất thông minh
Màn hình cảm ứng của một máy công cụ CNC nào đó vô tình chạm vào trong quá trình khởi động động cơ và kết quả chẩn đoán là:
Nguồn nhiễu: Dao động từ trường gây ra bởi sự thay đổi đột ngột của dòng điện động cơ servo (50Hz và các sóng hài của nó)
Đường truyền: Hình thành nhiễu mode chung thông qua kết cấu kim loại của tủ
Giải pháp:
Thêm bộ lọc loại π - vào nguồn điện của chip cảm ứng (L=100 μ H, C=0.1 μ F)
Tủ được làm bằng-vật liệu thép không gỉ có từ tính (μ r ≈ 1)
Thêm miếng đệm cách nhiệt giữa màn hình cảm ứng và vỏ máy (điện áp đánh thủng Lớn hơn hoặc bằng 10kV)
Sau khi cải tạo, độ nhạy cảm ứng đã tăng gấp ba lần và tỷ lệ cảm ứng sai giảm từ 15% xuống 0,5%.
