提高嵌入式设备电磁兼容性的设计参考
[lablebox]前言
英创工控主板，主要应用于嵌入式工控机系统，以实现过程控制、通讯管理、数据采集、人机交互等应用。工控主板运行的可靠性，完全依赖于嵌入式设备的可靠性。
一台嵌入式设备的可靠运行，需要依靠设备硬件电路具有较好的电磁兼容特性，以保证在一定强度的电磁干扰环境下，使硬件电路/元件可靠地工作，从而才能保证设备的正常工作。电磁兼容特性差，直接反应出来的的情况，就是设备容易出故障损坏，反复维修，直接增加维护成本。常见的电磁兼容内容，包括但不限于抗静电能力、抗浪涌能力、抗脉冲群能力等。在实际的应用中，抗静电能力与抗浪涌能力不合格，最常见的表现，就是电路中有元器件损坏。
提高设备的电磁兼容特性，最常用的方法是：合理电路原理设计与电路布局、合适的保护器件选择、设备组装、设备现场安装与走线等因素。
为了验证合理的电路设计对电磁兼容特性的重要性，同时方便给客户提供设计参考，英创公司基于SBC880工控机进行了静电抗扰度与浪涌抗扰度的试验，并通过了GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008静电抗扰度4级和GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 浪涌抗扰度测试4级，这说明英创的工控主板在配合设计合理的应用底板时，其电磁兼容特性是合格的。
受试设备信息
以下相关信息，是基于SBC880工控机进行浪涌抗扰度与静电放电抗扰度试验对象：
● 使用工控主板：ESM6800、ESM3352、ESM7000、EM9281
● 使用底板：SBC880 V3.0
● 使用DM5028模块：(1) DM5028-ETA104 V4.1， 模拟采集、通讯驱动模块 (2) DM5028-ETA702 V4.0，RS485、RS232、CAN驱动模块
受试设备：SBC880工控机整机
受试设备：SBC880工控机内部展示
浪涌抗扰度试验及结果
在浪涌抗扰度试验中，线-线，表示差模；线-地，表示共模。其中，“线-地”中的‘地’，表示设备的保护接地（PE），即我们通常所理解的设备外壳，在实际应用中，应该连接到可靠的安全接地点。根据GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014，浪涌抗扰度实验等级如下表：
| 等级 | 开路试验电压 | |
| 线-线 | 线-地 | |
| 1级 | -- | 0.5 kV |
| 2级 | 0.5 kV | 1.0 kV |
| 3级 | 1.0 kV | 2.0 kV |
| 4级 | 2.0 kV | 4.0 kV |
该试验是按照4类环境要求进行，即：互连线按户外电缆沿电源电缆敷设并且这些电缆被作为电子和电气线路的电气环境。实验等级依据GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 附录表B.1和表B.2，因此最高须通过4级浪涌抗扰度试验。
根据GB/T 17626.5-2019 / IEC 61000-4-5:2014 附录表B.2，网络通讯线、RS485通讯线、CAN通讯线属非屏蔽对称互连线，对浪涌抗扰度 线-线（差模）试验不要求。下面设备为浪涌抗扰度试验相关设备：
● 浪涌组合波发生器：苏州泰思特电子科技有限公司 SG5010H
● 浪涌试验信号耦合器：苏州泰思特电子科技有限公司 CDN 405AF8
● 试验浪涌波形：1.2 / 50 us
浪涌抗扰度试验的结果如下表所示：
| 浪涌抗扰度试验 | NET1 | NET2 | DM5028输出端口 | RS232 | 电源 | ||
| RS485 | CAN | ||||||
| 3级 | 线-线(1kV) | 无要求 | 无要求 | 无要求 | 无要求 | 通过 | 无要求 |
| 线-地(2kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | |
| 4级 | 线-线(2kV) | 无要求 | 无要求 | 无要求 | 无要求 | 通过 | 无要求 |
| 线-地(4kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | |
静电抗扰度试验及结果
根据GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008，静电抗扰度试验等级如下表所示：
| 接触放电 | 空气放电 | ||
| 等级 | 实验电压 | 等级 | 实验电压 |
| 1级 | 2kV | 1级 | 2kV |
| 2级 | 4kV | 2级 | 4kV |
| 3级 | 6kV | 3级 | 8kV |
| 4级 | 8kV | 4级 | 15kV |
由于嵌入式工控机可能应用于各类环境，因此对于静电抗扰度能力要求相对比较高。依据GB/T 17626.2-2018/IEC 61000-4-2:2008附录A相关信息，静电抗扰度试验应通过4级试验。
静电抗扰度试验设备：
苏州泰思特电子科技有限公司 EDS-20H
瑞士特测 NSG 438A
静电抗扰度试验试验的结果如下表所示：
| 静电抗扰度试验 | 网络1 | 网络2 | USB | VGA | RS232 | DM5028输出端口 | 电源 | ||
| RS485 | CAN | ||||||||
| 3级 | 空气放电(8kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 |
| 接触放电(6kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | |
| 4级 | 空气放电(15kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 |
| 接触放电(8kV) | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | 通过 | |
说明：在静电抗扰度试验时，由于SBC880工控机使用了SBC880-ME金属机壳且可靠地连接到PE点，相对来说更加容易通过静电实验。
实验用相关电路
下面的图例，是通过静电抗扰度与浪涌抗扰度试验的常用端口的电路图与浪涌抗扰度试验中信号耦合示意图。
电源端口：
图1：电源输入端口电路原理
图2：电源端口浪涌抗扰度试验 线-线 耦合示意图 图3：电源端口浪涌抗扰度试验 线-地 耦合示意图
说明：PPTC器件（F1）要根据整机功率进行选择，最小通流值，建议选用整机工作时最大电流的2倍，如：SBC880工控机最大功率时电流可达2A/DC5V，因此F1需要使用额定4A电流的PPTC器件，否则在浪涌冲击时，PPTC可能出现断路保护的情况，导致设备断电重启或间歇性断电。
网络端口：
图4：1000Mbps网络端口电路原理 图5：HR851178内部电路图
图6：100Mbps网络端口电路原理 图7：HR871181A内部电路图
图8：网络端口浪涌抗扰度试验 线-地 耦合示意图
说明：由于CDN设备受限，网络端口进行浪涌试验时，将其8条通讯线并在一起后，接入CDN设备的EUT PORT端口上。
RS485端口：
图9：RS485端口电路原理
图10：RS485端口浪涌抗扰度试验 线-地 耦合示意图
说明：由于CDN设备受限，RS485端口进行浪涌测试时，将A/B 两条通讯线并在一起后，接入CDN设备的EUT PORT端口上面。UTP(Unshielded Twisted pair)表示非屏蔽双绞线，下同。
CAN端口：
图11：CAN端口电路原理
图12：CAN端口浪涌抗扰度试验 线-地 耦合示意图
说明：由于CDN设备受限，CAN端口进行浪涌测试时，将H/L 两条通讯线并在一起后，接入CDN设备的EUT PORT端口上面。
RS232端口：
图13：RS232端口电路
图14：RS232端口浪涌抗扰度试验 线-线 耦合逻辑图
图15：RS232端口浪涌抗扰度试验 线-地 耦合示意图
说明：对RS232端口进行浪涌 线-线、线-地 试验时，分别对TX信号线和RX信号线进行测试。
USB端口：
图16：USB端口电路原理
说明：依据GB/T 17626.5-2019/IEC 61000-4-5:2014附录B，于USB端口可不要求进行浪涌抗扰度试验。但其需要进行静电抗扰度试验。
为了使嵌入式工控机达到更好的电磁兼容特性，提高可靠性，除了在电路上尽可能完善相应的保护电路外，对PCB的布局，设备的组装和现场安装、布线都有紧密的关系。因此遇到设备损坏的情况时，根据这些事项逐一排查。
为了协助客户查找电路损坏原因，英创公司特意进行了一系列破坏性的静电抗扰度与浪涌抗扰度试验以分析电路损坏情况及相关的因素，详情请参考：《破坏性电磁兼容性试验案例分析》。