EMC在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試方法及故障排除技術(shù)

講述EMC的定義，EMC在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試方法，EMC新器件新材料的應(yīng)用以及故障排除技術(shù)。只要從事電子產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)或者供應(yīng)，就必須進(jìn)行EMC電磁兼容的檢測(cè)工作。

引言

所謂EMC就是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測(cè)試包括兩大方面內(nèi)容：對(duì)其向外界發(fā)送的電磁騷擾強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值要求；對(duì)其在規(guī)定電磁騷擾強(qiáng)度的電磁環(huán)境條件下進(jìn)行敏感度測(cè)試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度要求。

對(duì)于從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，掌握一定的EMC測(cè)試技術(shù)是十分必要的。EMC是電磁兼容（Electro-MagneTIc CompaTIbility）的縮寫(xiě)，它包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感性（EMS）兩部分。由于電器產(chǎn)品在使用時(shí)對(duì)其它電器有電磁干擾，或受到其它電器的電磁干擾，它不僅關(guān)系到產(chǎn)品工作的可靠性和安全性，還可能影響其它電器的正常工作，甚至導(dǎo)致安全危險(xiǎn)。

單片機(jī)系統(tǒng)EMC測(cè)試

（1）測(cè)試環(huán)境

為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠性，電磁兼容性測(cè)量對(duì)測(cè)試環(huán)境有較高的要求，測(cè)量場(chǎng)地有室外開(kāi)闊場(chǎng)地、屏蔽室或電波暗室等。

（2）測(cè)試設(shè)備

電磁兼容測(cè)量設(shè)備分為兩類：一類是電磁干擾測(cè)量設(shè)備，設(shè)備接上適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器，就可以進(jìn)行電磁干擾的測(cè)量；另一類是在電磁敏感度測(cè)量，設(shè)備模擬不同干擾源，通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)、傳感器或天線，施加于各類被測(cè)設(shè)備，用作敏感度或干擾度測(cè)量。

（3）測(cè)量方法

電磁兼容性測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，有許多種測(cè)量方法，但歸納起來(lái)可分為4類；傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、輻射發(fā)射測(cè)試、傳導(dǎo)敏感度（抗擾度）測(cè)試和輻射敏感度（抗擾度）測(cè)試。

（4）測(cè)試診斷步驟

圖1給出了一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾發(fā)射與故障分析步驟。按照這個(gè)步驟進(jìn)行，可以提高測(cè)試診斷的效率。

（5）測(cè)試準(zhǔn)備

①試驗(yàn)場(chǎng)地條件：EMC測(cè)試實(shí)驗(yàn)室為電波半暗室和屏蔽室。前者用于輻射發(fā)射和輻射敏感測(cè)試，后者用于傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度測(cè)試。

②環(huán)境電平要求：傳導(dǎo)和輻射的電磁環(huán)境電平最好遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，一般使環(huán)境電平至少低于極限值6dB。

③試驗(yàn)桌。

④測(cè)量設(shè)備和被測(cè)設(shè)備的隔離。

⑤敏感性判別準(zhǔn)則：一般由被測(cè)方提供，并實(shí)話監(jiān)視和判別，以測(cè)量和觀察的方式確定性能降低的程度。

⑥被測(cè)設(shè)備的放置：為保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，對(duì)被測(cè)設(shè)備的放置方式通常有具體的規(guī)定。

（6）測(cè)試種類

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、輻射發(fā)送測(cè)試、傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試、輻射抗擾度測(cè)試。

（7）常用測(cè)量?jī)x

電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）測(cè)試，需要用到許多電子儀器，如頻譜分析儀、電磁場(chǎng)干擾測(cè)量?jī)x、信號(hào)源、功能放大器、示波器等。由于EMC測(cè)試頻率很寬（20Hz～40GHz）、幅度很大（μV級(jí)至kW級(jí)）、模式很多（FM、AM等）、姿態(tài)很多（平放、斜放等），因此正確地使用電子儀器非常重要。測(cè)量電磁干擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規(guī)律顯示出來(lái)的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測(cè)量電磁干擾中的缺點(diǎn)，能夠精確測(cè)量各個(gè)頻率上的干擾強(qiáng)度，用頻譜分析儀可以直接顯示出信號(hào)的各個(gè)頻譜分量。

在解決電磁干擾問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)問(wèn)題是判斷干擾的來(lái)源。只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決干擾的措施。根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定干擾源泉是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樵谛盘?hào)的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計(jì)人員往往對(duì)電路中各個(gè)部位的信號(hào)頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號(hào)的頻率，就能夠推測(cè)出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。對(duì)于電磁干擾信號(hào)，由于其幅度往往遠(yuǎn)小于正常工作信號(hào)，用頻譜分析儀做這種測(cè)量是十分簡(jiǎn)單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號(hào)頻率不同的信號(hào)濾除掉，精確地測(cè)量出干擾信號(hào)頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號(hào)的電路。

電磁兼容故障排除技術(shù)

（1）傳導(dǎo)型問(wèn)題的解決

①通過(guò)串聯(lián)一個(gè)高阻抗來(lái)減少EMI電流。

②通過(guò)并聯(lián)一個(gè)低阻抗將EMI電流短路到地或引到其它回路導(dǎo)體。

③通過(guò)電流隔離裝置切斷EMI電流。

④通過(guò)其自身作用來(lái)抑制EMI電流。

（2）電磁兼容的容性解決方案

一種常見(jiàn)的現(xiàn)象是不把濾波電容的一側(cè)看成直接與一個(gè)分離的阻抗相連，而看成與傳輸線相連。典型的情況是，當(dāng)一條輸入輸出線的長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)1/4波長(zhǎng)時(shí)，該傳輸線變“長(zhǎng)”。實(shí)際可以用下式近似表示這種變化：

l≥55/f

式中：l單元為m，f單位為MHz。這個(gè)公式考慮了平均傳播速度，它是自由空間理論的0.75倍。

a. 電介質(zhì)材料及容差

電磁干擾濾波使用的大部分電容是無(wú)極性電容。

b. 差模（線到線）濾波電容性電容。

c. 共模（線到地/機(jī)殼）濾波電容

共模（CM）去耦通常使用小電容（10～100nF）。小電容可以將不期望的高頻電流在其進(jìn)入敏感電路之前或在其離噪聲電路較遠(yuǎn)時(shí)就將其短路到機(jī)殼上去。為了得到良好的高頻衰減電路，減小或消除寄生電感是關(guān)鍵之所在。因此有必要使用超短導(dǎo)線，尤其希望使用無(wú)引線元器件。

（3）感性、串聯(lián)損耗電磁兼容解決方案

就電容而言，Zs和Z1如果不是純電阻的話，在計(jì)算頻率時(shí)，要使用它們的實(shí)際值。電容器串聯(lián)在電源或信號(hào)電路時(shí)，必須滿足：

①流過(guò)的工作電流不應(yīng)該引起電感過(guò)熱或過(guò)大的有過(guò)之而無(wú)不及降；

②流過(guò)的電流不能引起電感磁飽和，尤其是對(duì)高導(dǎo)磁材料是毫無(wú)疑問(wèn)的。

解決方案有以下幾種：

*磁芯材料；

*鐵氧體和加載鐵氧體的電纜；

*電感、差模和共模；

*接地扼流圈；

*組合式電感電容元件。

（4）輻射型問(wèn)題的解決

在很多情況下，輻射電磁干擾問(wèn)題可能在傳導(dǎo)階段產(chǎn)生并被排除，還有些解決方案是可以抑制干擾裝置在輻射傳輸通道上，就像場(chǎng)屏蔽那樣工作。根據(jù)屏蔽理論，這種屏蔽的效果主要取決于電磁干擾源的頻率、與屏蔽裝置之間的距離以及電磁干擾場(chǎng)的特性——電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者平面波。

①導(dǎo)體帶。

使用銅或鋁帶要吧簡(jiǎn)單快速地建立一種直接的屏蔽和低阻連連接或總線。它們對(duì)于臨時(shí)的解決方案和相對(duì)永久的解決方案來(lái)說(shuō)是很方便的。厚度在0.035～0.1mm之間，并且背面帶有導(dǎo)電黏合劑以便安裝。如果使用銅導(dǎo)電帶，其通過(guò)電阻約20mΩ/cm2。應(yīng)用場(chǎng)合：電氣屏蔽罩；發(fā)生故障時(shí)泄露點(diǎn)定位；作為一個(gè)應(yīng)急的解決方案，將塑料連接器變成金屬的、屏蔽普通的扁平電纜等。

②網(wǎng)狀屏蔽帶和拉鏈?zhǔn)酵馓住?/p>

涂錫的鋼網(wǎng)帶：主要用來(lái)安裝在一個(gè)已經(jīng)裝配好的電費(fèi)護(hù)套上作為一種易安裝的繃帶型的屏蔽罩。為了降低電費(fèi)的磁場(chǎng)輻射或敏感問(wèn)題，鋼網(wǎng)帶是一種有效的解決方案。

拉鏈?zhǔn)狡帘瓮馓祝寒?dāng)有明顯跡象表明電費(fèi)是主要的引起EMI耦合的原因時(shí)使用。

③EMI密封墊。

應(yīng)用場(chǎng)合：當(dāng)下述條件存在，并且需要真正的SE時(shí)，EMI密封墊是最常用的解決輻射問(wèn)題、敏感問(wèn)題、ESD、電磁脈沖和TEMPEST問(wèn)題的方法。

*已經(jīng)把機(jī)箱泄漏確認(rèn)為主要的輻射路徑。

*嚙合面不夠光滑、平整或不夠硬、本身無(wú)法提供良好的連接接觸。

④窗口和通風(fēng)板的EMI屏蔽：

適合對(duì)孔徑的屏蔽。

平面波的大概模型是：

SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中，SE單位為dB；l為網(wǎng)格或網(wǎng)孔的尺寸，單位為mm；f單位為MHz。當(dāng)然，隨著頻率的下降，網(wǎng)孔的屏蔽效率SE的上限受限于金屬本身。在近區(qū)場(chǎng)，對(duì)H場(chǎng)的屏蔽，其屏蔽功率SHE不受頻率的影響，可由下式近似得出：

SEH≈10lg(πr/l)

其中，r為源到屏蔽罩之間的距離，l為網(wǎng)孔尺寸，兩者單位均為mm。

⑤導(dǎo)電涂料：

應(yīng)用于在系統(tǒng)的塑料外殼建立EMI屏蔽罩、發(fā)送現(xiàn)有普通的或惡化的導(dǎo)電表面的屏蔽效能SE、防止ESD或靜電積累現(xiàn)象、增大結(jié)合面或密封墊片的接觸面積。

⑥導(dǎo)電箔：

鋁是一種良導(dǎo)體，在10MHz以下沒(méi)有吸收損耗，但它對(duì)于電場(chǎng)的任何頻率都有較好的反射損耗。應(yīng)用場(chǎng)合請(qǐng)參閱有關(guān)資料。

⑦導(dǎo)電布：

可應(yīng)用于任何100kHz到GHz級(jí)頻率范圍需要達(dá)到30～30dB衰減的立體屏蔽場(chǎng)合中

結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際EMC測(cè)試應(yīng)用中，除了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)資格實(shí)驗(yàn)室的鑒定測(cè)試以外，還有兩種可行的方法也是被業(yè)界所認(rèn)可的：TCF（Technical ConstrucTIon File）和Self CeriTIfication(自檢證明)?？垢蓴_能力測(cè)試是十分實(shí)用的測(cè)試項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)電磁兼容的最好辦法是，將所有的數(shù)字及模擬電路均視為對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)的電路，用高頻設(shè)計(jì)方法來(lái)處理電費(fèi)屏蔽、PCB布線和共模濾波。采用整塊地平面和電源面也很重要，對(duì)模擬電路也該如此，這樣做有利于限制高頻共模環(huán)環(huán)。大多數(shù)瞬態(tài)干擾均屬高頻，并產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射能量。

審核編輯：郭婷