工业4.0:听不到的噪声可能是最大的问题 (后篇)

2019-06-14来源: 电子创新网关键字:工业4  EMI  EMC

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。

 

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Ric7NYAOlvUnFTow0mLLZshCOZVyPRMXve7en170ZFq6edicYq0KnY8nYMR89ovghrcokWo3yhHfwWXo4ArwnGDA/640?wx_fmt=png

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。

 

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Ric7NYAOlvUnFTow0mLLZshCOZVyPRMXvicQM7H3nUJYS89ib1HUzbcZxjEteQMpyvrq5FDC5cbhOEKpJTp9g3dFA/640?wx_fmt=png

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。

 

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Ric7NYAOlvUnFTow0mLLZshCOZVyPRMXv6T3JynbA2uQZGIbXtA1fpe0PwsdABTQ47YBs5mqH5wFf2LevUKCQJA/640?wx_fmt=png

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。

 


关键字:工业4  EMI  EMC

编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/IoT/ic464548.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:柳工三维辅助设计系统项目案例分享
下一篇:制造业混合云部署速度预计将超全球平均水平

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

比亚迪成伟创力的接盘侠,华为大单到手

赔了夫人又折兵!用这句话来形容伟创力是再合适不过,曾经身为华为的御用手机代工厂商,一跃成为仅次于富士康的全球第二大代工厂,却偏偏在关键时刻“捅刀”华为。如今,百亿大厂丢失,眼睁睁看着“自家孩子”给隔壁老王赚钱,请问他会是怎样的心情? 而要说这次最开心的,应该莫过于“接盘侠”比亚迪,他不仅拿下了原本属于伟创力的华为大单,对方还买一送一把工厂给“让了出来”。 要知道,这座工业园才刚建成不久,是按照德国工业4.0标准耗资数百亿而定制,能面向未来20年发展的超级大厂! 现在这座“比亚迪电子厂”,占地面积260亩,总建筑面积达26万平方米,是湖南省最大的电子类工厂。  接盘了别人家的“工厂
发表于 2019-09-18
比亚迪成伟创力的接盘侠,华为大单到手

工业4.0席卷全球 传感器为产业智能化升级赋能

小小的传感器,成为新一代信息技术的基础与支撑。当前,工业4.0浪潮已经席卷全球,很多企业都在大力进行产业智能化升级改造,以适应新时代的新变化,传感器则是这次产业升级浪潮中的重要一环。 传感器是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储功能的多元件集成电路,是集成传感芯片、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品,是关系制造业发展全局和国家经济安全的基础性、先导性和战略性产业。 奥松自主研发的湿度传感器芯片晶圆随着工业互联网、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的快速发展,传感器应用市场正呈现爆发式增长态势。据市场研究机构预测,2019年我国传感器市场规模将达到1660亿元,未来五年
发表于 2019-09-09
工业4.0席卷全球 传感器为产业智能化升级赋能

谁在“驱动”工业4.0?硬创沙龙将全面解读功率驱动技术

在工业生产的智能化过程中,真正“驱动”工业设备运转的半导体元器件,核心是功率器件,新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件已进入应用领域。记者从硬创服务平台——世强元件电商获悉,自9月17日开始将会举办一场巡回硬创沙龙,会全面解读最新的半导体功率驱动技术。 在智能工业与制造分论坛,罗姆、力特将会带来最新的SiC产品,核心解决功率密度,提高功率管开关频率,大电流输出的驱动方案,以满足工业应用需求。UMS、宜普电源(EPC)会带来最新的GaN产品,重点关注最新的生产工艺, DC/DC转换能力,以优化电压电流的调节和控制能力。议题剧透如下:• 力特(Littelfuse)全新发布驱动电流高达30A的SiC驱动方案• 罗姆
发表于 2019-08-30
谁在“驱动”工业4.0?硬创沙龙将全面解读功率驱动技术

工业4.0优势明显,未来如何实现?

工业 4.0 借助边缘到云计算、分析、软件可配置系统等方面的重大技术进步,有望极大地提高生产力水平、灵活性、效率与质量并减少实现的成本也是全世界的对工业未来的一致性期待。这些优势如此明显,如何来实现呢?如今应该在哪些领域投资?又如何面向未来做好准备?  你可能不知道,其实ADI 早已为设备制造商规划好了加速迈向工业4.0 的“快车道”~5大领域01、安全沉稳应对不断变化的工厂面对强大的经济和技术力量,工厂的运作方式也正在快速变化。在这个瞬息万变的环境中,善于应变的工厂设备制造商将取得蓬勃发展,因为他们能开发出联网和智能化水平不断提高的系统,增进工厂的灵活性和安全性,并在扩大联网范围的同时,继续为整个
发表于 2019-08-29
工业4.0优势明显,未来如何实现?

如火如荼的工业互联网,能应用于哪些行业?

。 上述两个案例说明,小到一个企业的经营选址,选址佳,即使经营者能力一般,也相对容易获得成功;选址不佳,即使经营者再有能力,也往往难以弥补这一缺陷。大到一个国家的崛起,“放眼200年的现代化过程,19世纪的法国、德国和美国,19世纪末到20世纪初的日本,20世纪中期的台湾、香港和韩国、包括20世纪末的中国,无一例外,全是纺织业引爆的工业化过程。” 那么对工业互联网而言,哪一个是光明的赛道?毕竟,纺织行业引领了工业1.0时代、电力行业引领了工业2.0、电子行业引领了工业3.0,那么哪些行业能引领工业4.0或推动工业互联网的突破发展? 根据国家标准《GB/T 4754—2017国民经济行业分类》,在工业中
发表于 2019-08-29
如火如荼的工业互联网,能应用于哪些行业?

工业4.0的规划这么美好,为何难以落地应用到一线?

在聊到工业4.0、智慧工厂、智能制造、IIoT的时候,除了研讨会、论坛以及文字资料,实际真正重要的是“落地”,唯有落地才能真正解决生产问题。我们在听到很多有关工业4.0的美好规划时,又有多少内容是已经能够真正实现,应用到生产一线的? BISTel 中国区销售总监Stanley Shi在接受我们的采访时,举了一个具体的例子:在半导体制造CVD(化学气象沉积)流程中,根据HMP(Health Monitoring & Prediction)的追踪数据,发现某晶圆厂在生产的4月18日出现异常高的报警数,很多晶圆受到了影响。“TDS”设备某节气阀确定发生位置偏移。  而实际上,这个问题是有办法通过智能
发表于 2019-08-16
工业4.0的规划这么美好,为何难以落地应用到一线?

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved