EMC、CE 標志、IEC801：到底是怎么回事

本文探討了電磁兼容性 （EMC），自 1996 年 232 月以來，電磁兼容性在形式上的重要性越來越大。我們在這里討論進入歐盟 （EU） 市場的所有設備必須具備的特殊要求和標準，并從 EMC 的角度考慮獲得“CE”（Communauté Européene）標志的要求。專為滿足這些要求而設計的新一代RS-15產(chǎn)品體現(xiàn)了ADI公司為在IC級別實現(xiàn)EMC而采取的措施。這些措施包括內(nèi)置保護電路，以提供遠遠超過以前可用的免疫水平;對超過<> kV的靜電放電（ESD）的抗擾度已通過新的和更嚴格的測試方法測量。我們還討論了過壓和電氣快速瞬變（EFT）保護。從發(fā)射的角度來看，我們研究了電磁輻射以及我們在IC中為消除昂貴的屏蔽程序而采取的措施。

歐盟電磁兼容指令：1989年89月，歐盟發(fā)布了一項理事會指令336/92/EEC，涉及成員國內(nèi)投放市場的產(chǎn)品的電磁兼容性。后來的修正案31/1/EEC將強制遵守推遲到1996年<>月<>日。該指令適用于容易造成電磁干擾或本身受這種干擾影響的設備，因此適用于所有電氣或電子產(chǎn)品。它超越了更熟悉的FCC B類排放控制要求，因為它還解決了抗擾度和排放問題。雖然該指令僅適用于在歐盟境內(nèi)銷售的產(chǎn)品，但該標準可能會在全球范圍內(nèi)采用。

符合歐盟電磁兼容性
指令要求產(chǎn)品

對其他來源的排放具有很高的內(nèi)在免疫力

將不良排放保持在非常嚴格的范圍內(nèi) 制造商有責任滿足法規(guī);從1年1996月<>日起，在歐盟銷售的所有電子產(chǎn)品必須通過顯示CE標志來顯示一致性。

定義：

電磁兼容性（EMC）：能夠在電磁輻射環(huán)境中運行，并且不會過度影響電磁輻射環(huán)境。當這個目標達到時，所有的電子設備在彼此面前都能正常工作。

電磁干擾 （°EMI）：一個設備發(fā)出的電磁能量導致另一個設備的性能下降。

電磁抗擾度或敏感性（EMS）：對電磁能量存在的耐受性。

電磁兼容測試：全面的EMC評估需要同時測試EMI和EMS。需要不同的測量方法和測試方法，它們在單獨的標準中指定。發(fā)射的能量可以通過電源線或I / O電纜傳導，也可以通過空間輻射。它可以從沿著電纜傳導開始，然后在屏蔽不足時進行輻射。同樣，電磁抗擾度或敏感性必須針對傳導和輻射干擾進行測試。傳導干擾包括靜電放電 （ESD） 和電快速瞬變 （EFT）。

排放測試并不新鮮，但直到現(xiàn)在，免疫測試才成為商業(yè)產(chǎn)品的強制性要求——這是歐盟法規(guī)的結果。商業(yè)免疫測試的標準，包括進行和輻射，已經(jīng)發(fā)展了幾年。

IEC1000-4-x 抗擾度規(guī)格：歐洲的基本EMC抗擾度標準來自國際電工委員會（IEC）。多年來，內(nèi)容和文檔編號不斷發(fā)展。在最新一輪中，IEC已將IEC1000-4-x分配給以前稱為IEC801-x系列的抗擾度標準系列。例如，處理ESD抗擾度的規(guī)范，以前稱為IEC801-2，現(xiàn)已成為IEC1000-4-2。

電磁兼容和 I-O 端口

據(jù)估計，高達75%的EMC問題與I-O端口有關。I-O端口是一個開放的網(wǎng)關，用于靜電放電或快速瞬態(tài)放電進入設備，以及通過I-O線路上的雜散信號傳導或I-O電纜輻射使干擾信號逸出。因此，連接到端口的I-O收發(fā)器器件的EMC性能對整個封裝的EMC性能至關重要。

I-O 端口的電磁敏感性：I-O端口特別容易受到EMI的損壞，因為它們在“正常”操作期間可能會受到各種形式的過電壓。簡單地插入或拔下帶有靜電荷的電纜可能會損壞收發(fā)器。RS-232串行端口特別容易受到攻擊 標準串行端口使用裸露的 9 路公頭 D 連接器。連接器上的引腳非常容易接近，使其成為意外放電的主要目標。ESD 損壞可能是由于在穿過鋪有地毯的房間后簡單地拿起筆記本電腦造成的。

確保I-O端口（包括RS-232）的ESD抗擾度的傳統(tǒng)方法是使用某種形式的電壓鉗位結構，例如Tranzorbs或限流電阻器。集成電路損壞是由電流過大引起的，通常是由高電壓引起的?？梢允褂秒娏鞣至骰螂娏飨拗苼韺崿F(xiàn)保護。

當前改道：可以通過將一些電流轉移到外部接地來保護集成電路，通常具有提供電壓鉗位的結構。電壓鉗必須快速接通，并能夠安全地處理從IC轉移的電流。Tranzorbs是一種受歡迎的選擇，但它們價格昂貴且占用空間。例如，RS-232端口有八條I-O線，每條線都需要單獨保護;保護元件通常比收發(fā)器本身占用更多的面積。在當今的筆記本電腦中，成本和電路板空間都必須最小化，這遠非理想。外部鉗位結構的另一個缺點是I-O線路上的容性負載較重。這限制了最大數(shù)據(jù)速率，并且數(shù)據(jù)邊緣的充電/放電會導致電池消耗，這是便攜式設備的另一個嚴重缺點。

電流限制：使用簡單串聯(lián)電阻的限流保護是一種常用選擇，因為可能遇到的過電壓相對較低。但對于電壓可能高達15 kV的ESD保護，這不是一個可行的選擇。將電流保持在安全限值（200 mA左右）所需的電阻值會很高，以至于無法正常工作。偶爾使用其他限流元件，如熱敏電阻;但同樣，保護是以輸出阻抗為代價實現(xiàn)的。電流限制通常與電壓箝位結合使用，以實現(xiàn)良好的折衷，提供高水平的保護，但不會降低正常工作規(guī)格。盡管如此，外部結構在便攜式低成本設備中是不可取的。

I-O 端口上的 EMC 輻射：人們可能不認為RS-232端口可能是違規(guī)者，因為數(shù)據(jù)速率相當適中。但排放確實是一個令人擔憂的問題，原因有很多。

近年來，傳輸速度比最初預期的RS-10速度提高了232倍?，F(xiàn)在常見的V.34調(diào)制解調(diào)器要求數(shù)據(jù)速率超過115 kbps?，F(xiàn)在出現(xiàn)了更高速的調(diào)制解調(diào)器，將速率推高到133 kbps。ISDN將其推高到230 kbps。更高的頻率，加上高電壓，轉化為更高的發(fā)射水平。向基于電荷泵的單電源收發(fā)器的轉變催生了片上高頻時鐘振蕩器。最新一代基于電荷泵的產(chǎn)品使用0.1μF電荷泵電容器以節(jié)省電路板空間，但代價是振蕩器頻率更高，導致更高的輻射水平。高壓開關 （20 V）、高頻以及驅動長且通常為非屏蔽電纜是 EMI 故障的秘訣，除非非常小心。RS-232電纜是一種非常有效的天線，即使是耦合到RS-232電纜上的低電平噪聲也會產(chǎn)生明顯的輻射。

“修復”與預防

很多時候，EMC問題是在產(chǎn)品設計周期的后期發(fā)現(xiàn)的，需要昂貴的重新設計，包括屏蔽、額外的接地、電壓鉗位結構等。這種“創(chuàng)可貼”修復可能既費時又費空間，價格昂貴，而且缺乏成功的保證。它有助于在設計周期中盡早了解和消除潛在的EMI問題，包括輻射和抗擾度。 在可能的情況下，包括已經(jīng)過合規(guī)性測試和特征描述的產(chǎn)品會很有幫助，這樣您就可以知道您正在運行的極限有多近。

ADM2xxE系列?RS-232接口收發(fā)器產(chǎn)品（模擬對話30-3，第19頁）是設計時將EMC合規(guī)性作為重要考慮因素的器件示例。高水平的固有抗EMI以及低水平的輻射發(fā)射減少了系統(tǒng)設計人員的麻煩。優(yōu)點包括低成本、節(jié)省空間、內(nèi)置堅固性和低排放。

片上抗擾度：片上 ESD、EFT 和 EMI 保護結構確保符合 IEC1000-4-2、IEC1000-4-3 和 IEC1000-4-4 的要求。所有輸入和輸出均可承受高達 ±15 kV 的靜電放電和高達 ±2 kV 的快速電瞬變。這非常適合在電氣惡劣環(huán)境中或經(jīng)常插入或拔出RS-232電纜的設備。它們還不受高 R-F 場強 （1000-4-3） 的影響，允許在非屏蔽外殼中運行。

所有這些固有保護意味著可以消除昂貴的外部電路，從而節(jié)省成本和電路板空間;更少的組件意味著更高的系統(tǒng)可靠性;并且保持數(shù)據(jù)傳輸速度，通常受到外部保護的影響。

保護結構：所用保護結構的簡化版本如下所示。它基本上采用兩個背靠背二極管。在正常工作條件下，這些二極管中的一個或另一個是反向偏置的。如果I-O引腳上的電壓超過±50 V，則會發(fā)生反向擊穿，電壓被箝位，從而轉移流經(jīng)二極管的電流。由于RS-232信號線是雙極性的，擺幅通常在?10 V至+10 V之間，因此需要兩個二極管。發(fā)射器輸出和接收器輸入使用相同的保護結構。接收器輸入端接的5毫歐姆電阻也有助于電流轉移。

二極管必須能夠耗散ESD脈沖中存在的能量。它們必須能夠高速開關，安全地耗散能量，并占用最小的芯片面積。下圖說明了如何實現(xiàn)這一點，是用于接收器輸入和發(fā)射器輸出的實際結構。每個焊盤周圍的環(huán)形結構體現(xiàn)了P-N結，以最小的芯片面積實現(xiàn)了最佳的電荷分布。

根據(jù) IEC1000-4-2 測試 ESD 保護：這種結構符合IEC1000-4-2的測試要求，比更常見的MIL-STD-883B或人體模型測試要嚴格得多。大多數(shù)半導體制造商使用的這種傳統(tǒng)的ESD測試方法旨在測試產(chǎn)品在處理和電路板制造過程中對ESD損壞的敏感性。他們沒有充分測試產(chǎn)品對真實世界放電的敏感性。每個引腳都相對于所有其他引腳進行測試，模擬在處理過程中或使用自動插入設備可能發(fā)生的放電類型。這些測試與IEC測試之間存在重要差異。

IEC1000-4-2 與 MIL-STD-883B：IEC測試在放電能量方面要嚴格得多。下面顯示的是ESD測試發(fā)生器的簡化原理圖。電容器C1通過R1充電至所需的測試電壓。然后，C1中的能量通過R2排放到被測器件中。峰值電流和放電能量由R2和C1決定。該表顯示，對于IEC測試，R2從1.5毫歐姆降低到330歐姆，導致峰值電流增加>4倍。此外，C1從50 pF增加到100 pF增加了150%。此外，應用于I-O引腳的IEC1000-4-2測試是在向器件通電時進行的，以檢查潛在的破壞性閂鎖，這可能是由ESD瞬變引起的。

因此，IEC測試更好地代表了真實世界的I-O放電，其中設備在通電的情況下正常運行。但為了讓您高枕無憂，應執(zhí)行這兩項測試，以確保在處理和制造期間以及以后的現(xiàn)場服務期間提供最大的保護。

IEC1000-4-4（以前稱為 IEC801-4）電氣快速瞬態(tài)抗擾度：電快速瞬變是由于開關和繼電器中的電弧觸點而發(fā)生的。IEC1000-4-4 中定義的測試模擬了例如功率繼電器斷開感性負載時產(chǎn)生的干擾。由于高反電動勢（Ldi/dt），產(chǎn)生電弧。由于開關打開時觸點反彈，電弧實際上是突發(fā);因此，線路上出現(xiàn)的電壓由極快的瞬態(tài)脈沖組成。IEC1000-4-4中定義的快速瞬態(tài)突發(fā)測試嘗試使用此處所示的波形模擬此類事件引起的干擾。

波形由 15 ms 突發(fā) 2.5 至 5kHz 瞬變組成，以 300 ms 的間隔重復。這些瞬變使用1米電容箝位耦合到I-O線路上。施加高達 2 kV 的電壓，具有所示的快速轉換時間。這可能會立即損壞連接到I-O線路的未受保護的IC，或者導致性能下降并導致延遲故障。上述保護方案用于ADM2xxE，可將過壓箝位至安全水平。

IEC1000-4-3（以前稱為 IEC801-3）輻射抗擾度：本規(guī)范描述了測量方法并定義了對輻射電磁（EM）場的抗擾度。它最初旨在模擬由便攜式無線電收發(fā)器等源產(chǎn)生的電磁場，這些源產(chǎn)生連續(xù)波輻射電磁能量。此后，其范圍已擴大到包括雜散電磁能量，可以從熒光燈、晶閘管驅動器、感性負載等輻射。

在抗干擾性測試中，設備以多種方式之一用電磁場照射。集成電路使用某種形式的帶狀線電池可以方便地進行測試，該帶狀線單元由兩個平行板組成，它們之間會產(chǎn)生電場。高功率RF放大器產(chǎn)生磁場，其頻率從80 MHz掃描到1 GHz。被測器件放置在電池內(nèi)并暴露在電場中。電池內(nèi)的場強監(jiān)測器提供反饋，以在頻率變化時保持恒定的場電平。定義了三個嚴重性級別，場強范圍為 1 至 10 V/m。結果的分類方式與IEC1000-4-2類似。

排放：EN55 022，CISPR22定義了信息技術（IT）設備的輻射和傳導干擾的允許限值。該標準的目標是最大限度地減少這兩種類型的輻射，例如由涉及高頻開關電流的開關電路產(chǎn)生的輻射。為了便于測量和分析，假設傳導發(fā)射在30 MHz以下占主導地位，輻射發(fā)射在30 MHz以上占主導地位。

減少排放的最佳和最簡單的方法是從源頭上減少排放;例如，ADM2xxE系列中使用的電荷泵設計的主要目標是最大限度地降低開關瞬變，而無需任何額外的濾波或屏蔽元件。這減輕了系統(tǒng)設計人員的任務，通過消除外部濾波器和其他高頻抑制或屏蔽元件來節(jié)省成本和空間，并完全避免濾波連接器，這通常是昂貴的最后手段。

審核編輯：郭婷