基于LED舞台灯光的电磁兼容PCB设计

基于LED舞台灯光的电磁兼容PCB设计

陈美梅张军波

广州市浩洋电子股份有限公司广东广州511400

摘要：随着经济的飞速发展，舞台演出对LED舞台灯光的需求越来越大，而舞台灯光的电磁兼容性问题越来越受到大家的关注和重视。PCB是实现舞台灯光效果不可或缺的部分，因此，就电磁兼容性对PCB进行多方面考虑及设计。

关键词：舞台灯光；电磁兼容性；PCB设计

引言

电磁干扰对信号的产生、传输和接收都会造成严重的影响，同时还降低电路或系统工作的可靠性及稳定性。为了让舞台灯光满足电磁兼容的测试要求，保证产品的可靠性和稳定性，对作为舞台灯光的重要组成部分PCB进行电磁兼容性设计，在整个系统设计尤为重要，本文主要讲述电磁干扰对舞台灯光的影响及PCB的电磁兼容性设计。

1、电磁兼容

1.1电磁兼容的定义

电磁兼容性（EMC，即ElectromagneticCompatibility）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

EMC包含EMS和EMI。EMS，ElectromagneticSusceptibility，即电磁敏感度，是指系统或设备在电磁骚扰的情况下不致其性能下降的能力。EMI，ElectromagneticInterference，即电磁干扰，是指电磁骚扰引起系统或设备性能降低。

电磁兼容要求在共同的电磁环境中，任何设备或系统都应不受干扰且不干扰其他设备。

1.2电磁干扰的危害

电磁干扰有三大危害：（1）电磁干扰会破坏或降低电子设备的工作性能；（2）电磁干扰能量可能引起易燃易爆物的起火和爆炸，造成武器系统的失灵、储油罐起火爆炸，带来巨大的经济损失和人身伤亡；（3）电磁干扰能量可对人体组织器官造成伤害，危及人类的身体健康。

1.3电磁兼容的重要性

随着电气电子技术的发展，电子产品的日益增长与普及，电磁环境日益复杂和恶化，使得电气电子产品的电磁兼容性(EMC电磁干扰EMI与电磁抗EMS)问题也受到各国政府和生产企业的日益重视。电子产品的电磁兼容性（EMC）是一项非常重要的质量指标，它不仅关系到产品本身的工作可靠性和使用安全性，而且还可能影响到其他设备和系统的正常工作，关系到电磁环境的保护问题。为了规范电子产品的电磁兼容性，很多国家和地区都制定了电磁兼容标准。电磁兼容标准是使产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求。

2、LED舞台灯光电子系统的主要构成

LED舞台灯光的电子系统构成框图见图1，从图中可以清楚地看到LED舞台灯光电子系统主要有4大部分构成：（1）LED驱动，其核心就是BUCK电路，占了大部分的功率输出，是舞台灯光EMC中最不能忽略的问题点；（2）电机驱动，由于电机自身就是一个线圈，在运行时，电场和产生的磁场相互影响，成为了舞台灯光EMC中的一个难点；（3）风扇驱动，因其功率小，容易成为EMC中被忽略的问题点，但实际上它相当于一个小型的电机驱动，在EMC问题中需要被纳入考量；（4）其他功能，多数都是传感器电路，一般不产生EMC影响。

图1

3、PCB兼容性设计的重要性

EMC三个重要规律之一的EMC费效比关系规律指出：EMC问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。在新产品研发初期就进行EMC设计，比等到产品完成做了EMC测试发现不合格后再进行改进，不仅能大大地提高效率，更能大大地节省费用。经验告诉我们，在功能设计的同时进行EMC设计，到样板、样机完成则通过EMC测试，是最省时间和最有经济效益的。相反，产品研发阶段不考虑EMC，投产后发现EMC不合格才进行改进，这不仅在技术上存在很大的难度，而且返工也将会耗损很多的时间和费用，甚至由于涉及到结构设计、PCB设计的缺陷，无法实施改进措施，导致产品不能上市。

PCB是LED舞台灯光电子系统里面实施各大功能的重要载体，舞台灯光的PCB根据功能的不同会放在灯体里不同的位置，但因为空间结构的原因，PCB的形状很多时候会是畸形的，尺寸很多时候也是要做到很小。受限于形状与大小，PCB很容易出现EMC问题，所以，对PCB进行兼容性设计至关重要。PCB设计是属于新产品的研发初期阶段，对PCB进行兼容性设计，符合了EMC费效比关系规律，可以让舞台灯光在产品后期避免很多EMC问题。

4、PCB兼容性设计

PCB兼容性设计主要从关键元器件选型、PCB布局和PCB布线三方面来考虑。

图2

4.1、关键元器件选型

作为PCB的基本单元构件，元器件的合理选择是PCB电磁兼容符合性的基石。元器件选用包含三大类：无源器件、有源器件和磁性器件。

4.1.1、无源器件的选用

有源器件产生的干扰一般会经由无源器件向外发射，也可经由无源器件来滤除。所有的无源器件都会包含寄生电阻、电容和电感。在电磁兼容问题容易发生的高频区域，这些寄生参数常占主要位置，且使器件功能发生巨大的变化。无源器件的选用主要是电阻选用、电容选用和二极管选用。

电阻选用：（1）贴片优于插件；（2）在RC滤波电路中，尽可能选择无感电阻和贴片电阻，从而获得更好的高频特性。

电容选用：（1）在低频终端最好选用铝电解电容和钽电容；（2）在中频范围内（从kHz到MHz），陶质电容比较适合，常用于去耦电路和高频滤波；（3）选用低ESR值的电容，否则会对信号造成大的衰减；（4）作旁路功能，选择铝电解电容和钽电容；（5）作去偶用途的，选择陶瓷电容，且ESR值要低，一般小于1Ω。

二极管选用：（1）在变压和整流的电路中，选择肖特基或齐纳二极管，用于抑制滤波后的尖峰瞬态噪声电压；（2）在电源输入电路中，可选用TVS或MOV进行噪声抑制；（3）在信号接口电路中，则可选用TVS管，来解决静电放电问题。

4.1.2、有源器件的选用

有源器件有两种电磁发射源：传导干扰和辐射干扰。传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输，随频率变高而增大；辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射，随频率的平方而增加。

有源器件的选用主要讲述模拟器件选用和逻辑器件选用。

模拟器件选用：选择具有过EMC的产品，该产品厂商提供电磁兼容或电路设计上的信噪处理技巧或PCB布局。

逻辑器件选用：选择抗ESD的芯片，最好选择已经有成熟EMC方案的产品和厂商。

4.1.3、磁性器件的选用

磁性元件是一种可以将磁场和电场联系起来的元件，与磁场互相作用的能力使其比其他元件更敏感。此元件既会产生不被期待的电磁干扰，但它又是抑止电磁干扰的重要器件。

电感是一种磁性器件。在低频场合，应选择铁磁芯的电感；在高频场合，应选择铁氧体磁芯的电感。铁氧体磁芯的电感更广泛用于电磁兼容，通常用在印制电路板、电源线和数据线上，用来滤除高频干扰，吸收瞬态脉冲。

4.2、PCB布局设计

布局要做到美观，元件排布要疏密得当，布线要合理规范,还要考虑电磁兼容性问题。布局可从4方面考虑：（1）数字电路、模拟电路及电源电路要分开排布，高频电路与低频电路要分开排布；（2）在元器件放置方面，同一功能的相关器件应尽量靠近放置，以功能模块核心的元件为中心，其他元件围绕它来进行紧凑、整齐地排列布局，可更好地抗噪声；（3）在功能模块相连方面，模块与模块之间的连线要尽量短，有助于抗干扰；（4）对于易受干扰的元器件，不能相互靠得太近。

4.3、PCB布线设计

PCB布线的原则是连线要尽量短，减少引入附加的干扰信号。对于LED驱动、电机驱动和风扇驱动功能的PCB，根据电流走向去步线，走向清晰，关键回路（高电流变化率的回路）面积要尽可能的小。对于多层板设计，中间层要有地层设计，地层应靠近功率器件那一层，而且要尽可能保证地层的完整性；合理使用过孔，表层走线过长，可利用过孔缩小回路面积，但也要考虑过孔的电感量。多路驱动多层板设计时，要分块铺地，最后通过一个噪声很低的点把地连在一起。

5、结语

PCB兼容性设计对于舞台灯光过EMC测试是很重要的，要根据电磁兼容性原理，综合考虑元件选型、PCB布局和布线等因素，采取相关方法和措施，使电磁干扰控制在合格的范围内，否则设计出来的电路板很可能会无法投入产品生产。

参考文献

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[2]金丽君，顾冬霞.电磁兼容技术在印制电路板设计中的应用[J].中国科技信息，2010，（20）：145～147.

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