原创深度 | 工业4.0:听不到的噪声可能是最大的问题(二)

贸泽电子设计圈 2019-06-13 08:00


在上一篇文章“工业4.0:听不到的噪声可能是最大的问题(一)”中,我们介绍了工业4.0中EMC的影响和EMC标准。在本文中,我们将对如何缓解EMC问题进行详细介绍。


缓解EMC问题的设计


要使设计拥有良好的抗EMC干扰性能,需要一个关注工厂级(如接地和配电)乃至各集成电路性能的多层次方法。实际上有很多IIoT设备需要改造,这就进一步加剧了工作难度,所以即便能够完成整体改造(例如为工厂基础设施重新布线),也是非常困难。


EMC设计:工厂层面


从工厂层面来说,配电系统的设计是获得良好EMC性能的基本保障。通常情况下,工厂都采用高压交流和直流系统,而这些系统往往会引起很多与EMC相关的事故,比如电网运行或功率因数电容开关引起的瞬态问题,或大功率接触器线圈的电弧接触和塌缩磁场引起的快速瞬变。直接或间接雷击等自然现象也可以引起工厂设备的电压瞬变。


在车间里,从数控机床到泵或工业机器人,几乎所有场合都会用到旋转式机器。不幸的是,它们也是引起EMI的一个主要原因,特别是带“电弧火花”刷的有刷直流电机。即便是无刷电机(BLDC),其PWM控制也会引起高速开关瞬变。现场调查可以帮助发现射频噪声源,并通过隔离和屏蔽措施来隔离主要噪声源。


图1:“我不清楚为什么会产生EMC问题“(图片来源:ThereIFixedIt.com)


现代化工厂还会有穿过管道、地板、内墙和天花板的布线。在较早的工厂中,这些线缆可能已安装了许多年,就像图1中那样杂乱无章。这些电缆负责传输从高电压、高电流电源信号到低级别传感器输入和输出的所有信号。从工厂层面来看,这些电缆就像一个大型天线,能够传送和接收来自内部和外部源的辐射电噪声。将长电缆形成的回路区域减至最小,有助于降低拾取噪声的可能。


电缆也能传播传导噪声。例如,同一束电缆中相邻的两根会产生电感耦合噪声。因此,通过屏蔽电缆保护噪声敏感信号对于降低此类噪声也非常重要。虽然最初的成本较高,但在安装后再隔离和解决EMC问题的花费会更高。例如,Belden的9536电缆包含六根24 AWG绞合镀锡铜导体、半硬质PVC绝缘和100%覆盖的屏蔽带引流线。Category 5e 100BaseTX网络通信中的电缆桥架可以使用Belden的796x电缆,它拥有四根导体和具有工业级耐日光耐油PVC外层的编织罩。


Glenair等其他供应商也提供了一系列灵活的编织软管、管道和配件来实现EMI保护。例如,Glenair的Armorlite为包镍不锈钢EMI/RFI编织罩,设计用于最高260°C的高温应用环境。


EMC设计:系统层面


图2显示了典型IIoT节点级器件的框图,其中包含各种会引起EMC问题的元件:传导噪声可通过电源或有线通信线路传入或导出,而无线接口可接收或发出辐射噪声。

图2:无论是从辐射干扰还是干扰敏感度来看,IIoT传感器节点都可能引起EMC问题


降低传导干扰或辐射干扰的最有效方法是,在噪声进入或导出电路板的地方(即连接器处)抑制噪声。


滤波连接器结合了标准连接器与EMI/RFI抑制元件,可帮助解决EMC问题。滤波元件位于连接器内部,与标准连接器和分立式滤波元件相比,不仅扩大了PCB可用面积,还更轻了。


例如,Harting提供一系列内置铁氧体滤波器的D-sub连接器,能够抑制高频噪声。D-sub这种外形尺寸已被广泛用于工业环境中,此系列Harting连接器拥有9、15、25和37触点这四种版本。


图3:密封滤波器能够有效滤除直流电源线噪声


通常情况下,需要为高压直流电源线路提供板外EMC滤波功能。图3所示的API 51F-726-002 EMC馈通滤波器设计用于螺纹贯穿孔或通孔插装。而其两端的树脂密封能在严苛的工业环境中提供保护。此系列滤波器具有C、L或Pi三种型号,它们都能有效地滤除直流电源线上的噪声,并能够处理最高达500V DC/220 V AC(400 Hz)的电压。


此外,集成电路解决方案也可用来降低EMC干扰。Texas Instruments的TPDxF003系列滤波器件设计用于降低EMI辐射以及提供系统级静电放电(ESD)保护。此系列的每个器件都能够消除超过IEC 61000-4-2国际标准规定的最大剂量的ESD冲击。这种滤波结构通过提供高频衰减来降低EM辐射:器件具有200MHz的-3dB带宽,并可在1GHz将信号衰减25dB以上。此系列现拥有4、6、8 通道三种型号。


为抑制传入的辐射EMI,很多设计人员都会借助于形成法拉第笼的接地外壳来屏蔽内部电路:这样还可以防止内部生成的辐射泄漏到外部环境中。


EMC设计:器件层面


现在我们进一步深入到电路板和器件层面,PCB某个区域的辐射或传导干扰可能会引起同一电路板上的其他区域出现问题。例如,数字时钟脉冲或开关电源中的高频开关瞬变可能会导致低级别的模拟测量出错。


对于电路块来说,确保其中一个电路不与其他电路发生容性或感性信号耦合是一种不错的布局和设计技巧。下面列出了一些设计技巧:


  • 缩短电压和电流的上升和下降时间,以尽可能地减少锐变和高频情况

  • 减小电路板上磁回路的表面积

  • 通过“星形地“布局隔离高电流地线与数字地线,尤其是模拟地线

  • 将电源线与地线直接相互叠加,以最小化回路面积并降低阻抗

  • 使用具有抖动功能的时钟来扩展频谱,降低辐射EMI

  • 在微控制器等噪声元件下面使用接地面或接地层


设计时,必须考虑元件放置和封装约束等诸多因素,所以可能需要经过多次设计迭代,才能设计出可行的解决方案。


结论


EMC是一个非常复杂的问题,本文只做了简单的概述。如需了解更多信息,可查看以下供应商的相关资源:


Texas Instrument提供了一篇面向PCB设计指南的应用笔记,其中提到了如何降低EMI

http://www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf


TDK提供的“EMC指南“讨论了铁氧体、电容器、共模滤波器和压敏电阻等无源元件在打造良好的EMC性能方面所起的作用

https://product.tdk.com/info/en/products/emc/guidebook/index.html


Analog Devices提供了一本关于EMI、RFI和屏蔽技术的教程,介绍了如何通过这些技术来保护敏感的模拟电路

https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-095.pdf


工业物联网(又称工业4.0)需要将低级别、低功耗的模数和无线功能集成到具有电磁干扰的环境中。要想获得良好的抗EMC干扰性能,设计时就要考虑从厂房到各个电路板布局所有层面的详细情况。


作者简介

作为一名自由技术撰稿人,Paul Pickering写过很多文章,涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网(IoT)、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验,对汽车电子、精密模拟器件、功率半导体、嵌入式系统、逻辑器件、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他还熟练掌握了数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术。Paul出生于英格兰东北部,曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院的物理与电子学士学位,并在塔尔萨大学攻读了研究生。


相关阅读:

工业4.0:听不到的噪声可能是最大的问题(一)


Belden的9536电缆:

https://www.mouser.cn/ProductDetail/9536-060100?R=0virtualkey0virtualkey9536-060100


HARTING D-Subminiature Connectors:

https://www.mouser.cn/new/harting/hartingdsub/


原文链接:

https://www.mouser.cn/applications/industry-4-0-noise/


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