Tìm hiểu các phương pháp cải thiện EMC khi thiết kế mạch

Đồng thời cũng để cácthiết bị có thể làm việc tương thích cùng nhau mà không gây tác hại, sai lệch cho nhauTrong phạm vi tiểu luận môn học với thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài sẽ đề c

TIỂU LUẬN MÔN HỌC TƯƠNG THÍCH TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Đề tài: Tìm hiểu các phương pháp cải thiện EMC

khi thiết kế mạch

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ 4

1.1 Tương thích điện từ là gì? 4

1.2 Các đại lượng điện từ 6

1.3 Các phương pháp nhận dạng nhiễu 7

1.4 Nguyên tắc đảm bảo tương thích điện từ trong các thiết bị viễn thông 7

1.5 Các vấn đề quản lý trong tương thích điện từ 9

CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ KHI THIẾT KẾ MẠCH 12

2.1 Các biện pháp cải thiện tương thích điện từ khi thiết kế mạch 12

2.2 Mô hình hóa hệ thống 12

2.3 các phương pháp cải thiện EMC 13

2.3.1 Giảm tốc độ hệ thống 14

2.3.2 Giảm tất cả các vòng từ tính của bản mạch in 15

2.3.3 Hủy bỏ vùng từ trường H 20

2.3.4 Giảm độ tự cảm của tất cả các linh kiện 22

2.3.5 Giảm điện trở nối tiếp tương đương 30

2.4 Kết luận 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

LỜI MỞ ĐẦU

Tương thích điện từ EMC ( Electromagnetic Compatibility) - khả năng thiết bịđiện – điện tử hoạt động tốt khi có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệunhiễu từ môi trường xung quanh tác động vào – đã và đang là sự quan tâm lớn trong lĩnhvực thiết kế và chế tạo thiết bị công nghệ cao Trước đây, vấn đề này chưa được quan tâmnhiều do độ phức tạp của các thiết kế chưa cao, nhưng giờ đây với tốc phát triển chóngmặt của công nghệ điện tử các thiết kế có độ tích hợp, độ phức tạp cũng như tốc độ làmviệc ngày càng cao đòi hỏi các thiết kế phải tuân thủ các qui định về tương thích điện từthì mới có thể vận hành tốt cũng như mang lại độ chính xác cao Đồng thời cũng để cácthiết bị có thể làm việc tương thích cùng nhau mà không gây tác hại, sai lệch cho nhauTrong phạm vi tiểu luận môn học với thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài sẽ đề cập đến haivấn đề chính: một là đề cập các nguyên tắc cơ bản trong việc đảm bảo khả năng tươngthích điện từ của các hệ thống, hai là tìm hiệu một số phương pháp để cải thiện khả năngtương thích tốt nhất khi thiết kế mạch

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

1.1 TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ LÀ GÌ?

EMC: Electromagnetic Compatibility

Tương thích điện từ là một khoa học chỉ rõ đặc tính mà những thiết bị điện, điện

tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong môi trường có sự hiện diện của các thiết

bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh chúng tác động vào Để thựchiện được điều này, ta phải dùng một kỹ thuật như là một phương tiện cho phép tránhnhững hiệu ứng không mong muốn mà nhiễu có thể gây ra

Khoa học về tương thích điện từ cũng chỉ rõ toàn bộ các kỹ thuật dùng để xử lý cácđặc tính trên

Theo quy định chung, tính tương thích điện từ EMC được hiểu là: Đối với bất kỳthiết bị vô tuyến điện tử nào đều phải:

1 Không được gây ra can nhiễu vượt quá mức độ cho phép đối với sự hoạt độngbình thường của thiết bị vô tuyến điện tử khác

2 Bản thân thiết bị đó phải làm việc bình thường khi các nguồn tín hiệu khác đãlàm việc

Có thể định nghĩa 3 kiểu cơ sở trong việc tác động qua lại giữa các hệ thống

 Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên thiết bị khác, hiện tượng giao thoabên trong cùng một hệ thống

 Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên thiết bị

 Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường

Lĩnh vực EMC bao gồm những vấn đề sau:

 Phân tích cơ học cho ra những hiệu ứng nhiễu

 Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc truyền dọc theo các đường dâykim loại nối với các thiết bị

 Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện, điện tử, tin học

 Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép

 Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành

 Dự đoán những tình huống xảy ra nhiễu, trong đó một số thiết bị sẽ không vậnhành đúng theo chuẩn

 Sự lọc nhiễu tần số hoặc thời gian

 Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng củanhiễu

 Tổng hợp những thiết bị dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

 Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận được đốivới máy phát và máy thu

Như vậy mục đích của EMC là mang lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thốngnhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó, các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh

ra từ hệ thống, một phần của hệ thống hoặc bởi từ các nguồn bên ngoài

PHÂN TÍCH CÁC NGUỒN NHIỄU

Trong lĩnh vực EMC, hai phần tử đóng vai trò chính là nguồn gây nhiễu và hệ thống bịnhiễu Phương tiện giao tiếp giữa chúng là đường ghép bởi hai kiểu ghép:

 Ghép bởi đường dẫn

Nhiễu sinh ra trong kiểu ghép này được gọi là nhiễu dẫn Đường ghép có thể làtiếp xúc trực tiếp, hoặc dung kháng bởi điện trường, hoặc cảm kháng bởi điệntrường

 Ghép bởi bức xạ

Nhiễu sinh ra trong kiểu ghép này được gọi là nhiễu bức xạ Nhiễu thâm nhập vào

hệ thống bởi hiệu ứng đồng thời của điện trường và từ trường dưới dạng sóng điện

từ truyền trong không gian

Can nhiễu có thể phân ra: can nhiễu thiên nhiên và can nhiễu công nghiệp

 Can nhiễu thiên nhiên là can nhiễu phóng điện khí quyển, tạp âm vũ trụ bức xạ mặttrời mặt trăng

 Can nhiễu công nghiệp có loại có phổ như tia lửa điện, phóng điện hồ quang Cannhiễu công nghiệp có phổ hẹp do các thiết bị vô tuyến điện bức xạ ra Sự bức xạ ranày còn chia ra bức xạ chính (còn gọi là bức xạ cơ sở) và bức xạ phụ

Bức xạ chính đảm bảo cho thiết bị này hoạt động bình thường và nằm trong dải tầncông tác Bức xạ phụ lại phân chia ra: bức xạ ngoài băng (phụ thuộc vào quá trình điềuchế sóng) và bức xạ phụ nằm rất xa băng tần công tác (là bức xạ của các sóng hài)Can nhiễu có dạng xung và dạng sóng liên tục Can nhiễu có thể là can nhiễungoài, tác động qua các anten từ các nguồn đặt ở xa Can nhiễu có thể là can nhiễu nội

từ các nguồn rất gần (như trên đường thông tin vô tuyến chuyển tiếp, can nhiễu nội docác luồng (trunk) siêu cao tần lân cận gây ra

Tiếp theo, ta còn cần phân biệt các can nhiễu do các phương tiện vô tuyến điện từcùng công tác trong dải tần chung với các can nhiễu giữa các phương tiện công táctrong các dải tần khác nhau Để chống lại các can nhiễu thứ nhất ta cải thiện các bộ lọchay che chắn tốt Muốn giảm bớt can nhiễu này, ta cũng cần giảm bớt độ nhạy củamáy thu hoặc dùng tín hiệu đặc biệt có tác dụng giảm nhiễu điều chế vào sóng bức xạ

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN TỪ

Cơ cấu ghép và bản chất của tín hiệu nhiễu xác định các đại lượng vật lý đo và đơn

Trong trường hợp một sóng phẳng, E thẳng góc với H và có quan hệ:

E =120πHHĐối với các tần số nhỏ hơn 30MHz, khi thực hành đo nhiễu bức xạ, cần phải đocác thành phần từ trường và điện trường vì chúng không kiểm tra các điều kiện củasóng phẳng

Tuy nhiên, tốt hơn là đặc trưng thành phần từ trường bởi vì việc đo nó là ổn địnhhơn và dễ thực hiện hơn là đo thành phần điện trường

Như vậy, để đo lường trong lĩnh vực vô tuyến điện, Ủy ban tư vấn quốc tế vềthông tin vô tuyến đã khuyến nghị đo thành phần từ trường nhưng biểu thị từ trường bằnggiá trị điện trường tương đương mà ta có bằng sóng phẳng.

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG NHIỄU

Để có thể nhận dạng nhiễu, cần có những biện pháp đánh giá sự lấn phổ của nhiễu.Trong thực tế, các tín hiệu nhiễu có thể tác động mạnh theo các cách khác nhau tùy theotín hiệu dải rộng hoặc dải hẹp Một thiết bị gây nhiễu hình sin có thể không ảnh hưởngđến hoạt động của một hệ thống truyền, nếu tần số của thiết bị này nằm ngoài dải có íchcủa hệ thống, nhưng nếu tín hiệu nhiễu là loại dải rộng và bao phủ luôn dải có ích thì chấtlượng truyền của hệ thống có thể bị thoái biến Để đặc tính hóa sự lấn lên phổ một cáchtốt nhất và bản chất của tín hiệu nhiễu phân tích, ta có thể dùng nhiều phương pháp khácnhau nhờ một máy thu đo lường hoặc một máy phân tích phổ

1.4 NGUYÊN TẮC ĐẢM BẢO TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ CỦA CÁC THIẾT

BỊ VIỄN THÔNG

Khi ta cần đồng thời triển khai nhiều phương tiện vô tuyến khác chủng loại nhưngchung một dải tần công tác thì ta phải đặt các thiết bị với khoảng cách không gian đủ xa.Trong không gian này, mỗi thiết bị chiếm một không gian bức xạ tương ứng với công suấtmáy phát xạ, dải tần suất và tính phương hướng của anten, điều kiện truyền sóng v.v

Hình 1.1 Không gian bức xạ

Trong không gian bức xạ (hình 1) hệ thống thông tin được đặc trưng bằng công suấtphát xạ Pph, băng tần Df, tần xuất fx, đồng thời có các nhiễu Pi, fi ảnh hưởng đến antenthu.

Về phía thu, không gian thu sóng phụ thuộc vào đặc tính của anten thu và độ nhạy thu.Giả thiết máy thu làm việc bình thường với mức can nhiễu cho phép là Pcp ta có thể tính

ra khoảng cách giữa 2 thiết bị dùng chung tần suất Nhưng thực tế xác định được khoảngcách này rất phức tạp với lý do sau:

1 Địa hình mặt đất rất phức tạp

2 Công suất nguồn gây can nhiễu có thể đến anten thu theo sóng trực tiếp, sóng phản

xạ, sóng nhiễu xạ, sóng siêu khúc xạ Nếu muốn xác định trường bị ảnh hưởngcan nhiễu, ta cần xét trường do nguồn nhiễu đó bức xạ trong thời gian truyền sóngtốt nhất (vào mùa hè)

3 Anten có tính phương hướng nên khi tính toán Pcp phải xét đến hệ số tăng ích G(q)của anten

Hình 2 là đường biểu diễn cường độ hướng cho phép Pcp trong toạ độ cực trên mặtđất Trên hình có 2 mức can nhiễu cho phép với Pcp2>>Pcp1 Rõ ràng trong đườngcong Pcp1, ta không thể đặt một máy thu nào cho phép làm việc với mức can nhiễulớn hơn hay bằng mức Pcp1

Cũng cần nói thêm, trên địa hình cụ thể đường cong hình 2 còn thay đổi do tác dụngche chắn của vật chướng ngại hoặc toà nhà cao tầng

Hình 1.2 Đường biểu diễn cường độ hướng cho phép Pcp trong toạ độ cực

1.5 VẤN ĐỀ QUẢN LÝ TÍNH TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ EMC

Trong Pháp lệnh Bưu chính Viễn thông của nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa ViệtNam ban hành ngày 07/06/2002, điều 69, mục 3 đã nói rõ về quản lý tương thích điện

từ Nhà nước Việt Nam rất coi trọng việc sử dụng và quản lý tài nguyên tần phổ sóngđiện từ trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá

Ở các nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ được quy định rõ ràng Cácnhà sản xuất thiết bị điện và điện từ phải đảm bảo các sản phẩm của họ thoả mãnnhững yêu cầu về tiêu chuẩn EMC của nước mà từ nước này các sản phẩm được xuất

đi Đây là biểu thị trách nhiệm của nhà sản xuất đối với thị trường Tại thị trườngchung châu Âu EEC và EFTA, nếu một loại sản phẩm nào bị chê trách về tiêu chí chấtlượng EMC thì sản phẩm đó bị loại khỏi thị trường Để có sự chấp thuận phù hợp vớitiêu chí EMC, sản phẩm được cơ quan có thẩm quyền kiểm nghiệm và cấp chứng chỉ

về đo thử kiểm nghiệm có 2 nội dung:

- Đo thử sự phát xạ (emissions)

- Đo thử sự vượt nhiễu (Immunity)

1 Thử sự phát xạ như sơ đồ hình 3a Sóng điện từ EM do bản thân thiết bị cần đothử qua dây cáp nối tín hiệu hoặc dây cấp nguồn bức xạ ra không gian Các nhiễunày thường là nhiễu liên tục

2 Thử sự vượt nhiễu: Sơ đồ đo như hình 3b Trong đó thiết bị cần đo, chịu tác động

có sóng chấn tử do một nguồn tạo sóng phát ra

Hình 1.3 Đo phát xạ và vượt nhiễu

Trước kia, các quy định EMC chỉ quan tâm đến sự phát xạ điện từ, vì nó là nguồngốc gây ra các vấn đề can nhiễu Tuy nhiên gần đây các nhà lập pháp về EMC chú ý tớihầu hết các vấn đề của tính vượt nhiễu dù do các hiện tượng quá độ dòng điện và điện áp,hiện tượng phóng điện tự nhiên (xung sét) Tuy nhiên, không có mức chính xác của “tínhvượt nhiễu” để cho biết là bị hỏng hoặc vẫn bình thường.

BIỆN PHÁP CHUNG CẢI THIỆN TÍNH TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Vấn đề tương thích điện từ đã được đặt ra từ đầu thế kỷ 20 Ngoài việc tiếp tụcchinh phục dải tần ngày càng cao như đã làm trong các thập kỷ của thế kỷ 20 vừa qua,hiện nay EMC vẫn đặt ra cho chúng ta các bài toán cần tiếp tục giải quyết Đó là:

1 Hoàn thiện phương pháp sử dụng một cách tiết kiệm các băng tần Người tathường áp dụng:

- Nâng cao độ ổn định tần số của nguồn phát xạ

- Giảm thiểu cường độ bức xạ ngoài băng và bức xạ phụ

2 Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu mà nguồn có thể bức xạ.Hoàn thiện phương pháp giảm nguồn nhiễu ngay tại nơi chúng xuất hiện Chúng tacần tiếp tục:

- Cải thiện đặc tính các bộ lọc dùng thạch anh và ống dẫn sóng

- Bọc chắn trường điện từ can nhiễu và nối đất tốt

Ngoài ra bằng máy tính điện tử thành lập “phương pháp mô hình hoá môi trườngđiện từ” có xét tới các thiết bị điện từ cụ thể Máy tính có thể đưa ra các tham số (có xéttới độ bất ổn định) của máy thu, máy phát và anten

Mô hình hoá có thể đưa ra các khuyến nghị giảm nhỏ các nguy hại của can nhiễutrên các thiết bị cụ thể

CHƯƠNG 2 CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN EMC KHI THIẾT KẾ MẠCH

2.1 Giới thiệu

Những mạch tổ hợp số tốc độ cao vận hành trong những dải tần số nơi mà cónhững thành phần bị động như (PCB, các tụ thoát, các đường kết nối…) không được xemnhư là lí tưởng, ngược lại nó còn chức những thành phần kí sinh như điện cảm, điệnkháng… Bởi vì trở kháng của chúng phụ thuộc vào tần số, những mức phát xạ sinh ra bởiđiện áp và dòng điện có thể không tương hợp với những tiêu chuẩn EMC khác nhau vàkhông thể nào dự đoán được sự tương hợp của một hệ thống Tuy nhiên có thể làm giảm

bớt sự rủi ro bằng cách thực hiện những quy tắc và thiết kế kĩ thuật trong đa số những ứngdụng Trong tiểu luận này ta sẽ tìm hiểu những phương pháp chính để cải thiện khả năngEMC và giải thích cách dùng một vài kỹ thuật cơ bản để giảm bớt những mức phát xạ vàgiúp hệ thống hoạt động tốt hơn.

2.2 Mô hình hóa hệ thống:

Một vài thuật ngữ được sử dụng trong phần này:

- EMI (Electromagnetic Interference) giao thoa điện từ: một quá trình phá

vỡ năng lượng điện từ được truyền từ thiết bị điện tử này sang thiết bịđiện tử khác theo đường bức xạ hay theo dây dẫn hoặc cả hai

- Đường bức xạ(Radiated): năng lượng được truyền qua đường không khí

- Đường dẫn(Conducted): năng lượng truyền qua các đường dây cáp hoặccác kết nối PCB

3 yếu tố của mô hình EMC dùng để phân tích:

- A Noise source (nguồn nhiễu): nguồn tạo ra nhiễu điện từ

- A victim (đối tượng bị tác dụng): thiết bị điện tử nhận sự nhiễu loạn gây

ra sai lệch về chức năng

Hình 2.1 Các yếu của một môi trường EMC

- A coupling path (đường ghép nối) môi trường trung gian truyền nănglượng từ nguồn nhiễu đến vật bị tác dụng.

Hình 2.1 cho thấy mô hình của một môi trường EMC Một nguồn nhiễu điều khiểnmột dòng i(t) Dòng này chạy qua đường ghép nối bên trái (như ghép nối PCB ) và gây ra

sự sụt áp Sự hổn loạn điện áp này được truyền tới vật bị tác dụng thông qua đường ghépnối bên phải và có thể gây ra loạn chức năng nếu mức đủ cao

Để cải thiện một cách đáng kể chất lượng EMC thông qua việc thiết kế môi trườngEMC phù hợp ta phân phân tích các phần tử này

2.3 Các phương pháp cải thiện EMC:

Các qui tắc cơ bản để giảm sự nhiễu xạ qua đường bức xạ và đường dẫn thông quanguồn cung cấp là:

- Giảm tốc độ hệ thống

o Chọn tần số của đồng hồ hệ thống nhỏ nhất có thể

o Lựa chọn công nghệ để ràng buộc hệ thống

- Giảm bớt tất cả các vòng từ tính của Board mạch

o Giảm bề mặt của vòng từ tính

o Giữ đường tín hiệu gần mass

o Rút ngắn các đường vòng xung quanh bộ dao động và thạch anh

- Hủy bỏ vùng từ trường H

o Thiết lập các vòng từ tính đối diện nhau

o Chọn một gói với các một Vcc và các chân Vss gần nhau

o Chọn một gói với vài Vss và các chân Vcc được nối đối diện nhau

- Giảm bớt điện cảm ký sinh của tất cả các thiết bị(các dây nối của PCB, các gói,các tụ điện…)

o Tăng độ rộng các đường kết nối của PCB

o Sử dụng mass và nguồn phẳng

o Chọn tụ nối phù hợp với tần số làm việc của IC

o Rút ngắn độ dài kết nối các tụ

o Chọn các gói linh kiện nhỏ hơn

- Giảm bớt điện trở nối tiếp tương đương (ESR)

o Đặt những tụ điện đồng nhất song song để giảm bớt ESR

o Chọn COG và NPO là những loại cách điện

2.3.1 Giảm tốc độ hệ thống:

a Giữ tần số dao động hệ thống thấp nhất có thể được

Một tham số chính để cải thiện EMC là giảm tần số làm việc của hệ thống.Tần số dao động hệ thống được xác định dựa vào những chỉ dẫn sau đây:

- Những sự kiện thời gian thực như các ngắt, kết nối tuần tự

- Thời gian CPU xử lý tất cả các nhiệm vụ gắn liền với những sự kiện này

- Cửa sổ giới hạn lớn nhất mà CPU xử lý một chuỗi các sự kiện thời gianthực

- Chọn tần số đồng hồ để đạt được cửa sổ thời gian này

 Sau đó tăng tần số của đồng hồ một khoảng 20  30% để đảm bảo độ dự trửtốt

b Lựa chọn các công nghệ phù hợp để giảm tốc độ hệ thống.

Một tham số khác để giảm EMI là chọn công nghệ chậm nhất của các thànhphần linh kiện được sử dụng trong hệ thống như: chốt địa chỉ, các bộ nhớ, bộđệm…Hình dạng của phổ có hai tần số cắt như hình 2 Phần đầu (FC1) phụthuộc vào độ rộng xung của tín hiệu, phần hai (FC2) phụ thuộc vào vungchuyển tiếp chính theo công nghệ Công nghệ càng chậm thì EMI càng thấp

2.3.2 Giảm tất cả các vòng từ tính của bản mạch in:

a Giảm bớt diện tích vòng từ tính:

Một dòng điện chạy thành vòng phát sinh một vùng từ trường (H) tỷ lệ với diệntích của vòng Công thức sau đây đưa ra biểu diễn toán học khi khoảng cách quan sáttrong những điều kiện vùng gần và xa

Vùng điều kiện gần và xa được mô tả bởi công thức sau:

Tỷ lệ này cho thấy vùng chuyển tiếp nơi sự phát xạ trong vùng xa hay trong vùngđiều kiện gần (xem hình 2.3) Vùng điều kiện xa là một khoảng cách xác định nơi mà điện

và từ trường được kết hợp vuông góc Trong đó qui định tỷ lệ E / H là trở kháng bêntrong của không gian trống bằng 300 Ω Trong vùng điều kiện gần bản chất của trườngphụ thuộc vào trở kháng kết nối Một trở kháng cao ( Z >> 300ohm ) vùng có bản chấtđiện và bản chất từ tính nếu trở kháng thấp(Z<300ohm)

Hình 2.3 Vùng điều kiện gần và xa