介紹EMC三大規(guī)律以及五層次EMC設(shè)計法

EMC是產(chǎn)品認證的重要內(nèi)容，無論是走向國際大市場的中國產(chǎn)品，還是涌向中國市場的外國產(chǎn)品,幾乎都要進行各種各樣的產(chǎn)品認證。產(chǎn)品認證，從國際貿(mào)易角度看，實質(zhì)上是技術(shù)性貿(mào)易壁壘。我們只有不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量, 突破技術(shù)壁壘,才能開拓海外市場，促進外貿(mào)發(fā)展?！癈CC”是我國強制性產(chǎn)品認證標志—— China Compulsory Certification的英文縮寫，只有取得3C 認證的產(chǎn)品才能進入國內(nèi)市場。3C認證對機電、電器產(chǎn)品的安全性能、EMC等方面作了詳細規(guī)定。

EMC問題是當前多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點！從事機電產(chǎn)品制造的廣大企業(yè)皆有同感。尤其是有些企業(yè)面對品牌競爭和價格競爭，偏向于降低成本、犧牲EMC 要求的現(xiàn)象，使得這一問題更顯突出。

機電產(chǎn)品3C認證的指標涉及產(chǎn)品的安全、EMC兩個方面。從認證檢測來看，產(chǎn)品達不到“3C”認證要求的主要原因是EMC方面過不了關(guān)。事實上，無論 日常檢驗還是各種產(chǎn)品認證中，EMC測試通不過的情況比較普遍，部分企業(yè)在EMC問題上愁眉不展，因此，從設(shè)計之初就開始重視EMC是企業(yè)級工程師亟待重視的問題。

EMC三大規(guī)律

規(guī)律一

EMC費效比關(guān)系規(guī)律： EMC問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。

在新產(chǎn)品研發(fā)階段就進行EMC設(shè)計，比等到產(chǎn)品EMC測試不合格才進行改進，費用可以大大節(jié)省，效率可以大大提高；反之，效率就會大大降低，費用就會大大增加。

經(jīng)驗告訴我們，在功能設(shè)計的同時進行EMC 設(shè)計，到樣板、樣機完成則通過EMC測試，是最省時間和最有經(jīng)濟效益的。相反，產(chǎn)品研發(fā)階段不考慮EMC，投產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)EMC不合格才進行改進，非但技術(shù)上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費，甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、PCB設(shè)計的缺陷，無法實施改進措施，導(dǎo)致產(chǎn)品不能上市。

規(guī)律二

高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴重。

高頻信號電流流經(jīng)電感最小路徑。當頻率較高時，一般走線電抗大于電阻，連線對高頻信號就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設(shè)備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的，最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應(yīng)處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應(yīng)之元器件過長的插腳。

減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務(wù)之一，就是想方設(shè)法減小高頻電流環(huán)路面積S。

規(guī)律三

環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。

減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二，就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

本文以下內(nèi)容，就是利用以上三個規(guī)律，倡導(dǎo)趁早考慮EMC問題，介紹EMC 設(shè)計和EMC問題改進。

改進EMC 問題，如同診治疾病。如果產(chǎn)品沒有通過EMC 測試，我們從測量結(jié)果中，只能知道哪些頻率點“超標”了，而這些頻率的電磁干擾是從哪里出來的，往往是工程師門最不容易發(fā)現(xiàn)、最難解決的問題。

產(chǎn)品EMC 問題，說難亦難，說易亦易。改進EMC問題，首先，根據(jù)EMI產(chǎn)生的途徑和機理，也就是EMC問題產(chǎn)生的要素，針對EUT（被測試樣品,下同）的電路原理，先作一些判斷，比如IT類設(shè)備和AV音視頻類設(shè)備引起EMC問題的原因或者內(nèi)部騷擾源是什么，先進行推斷，再結(jié)合測試 項目測試圖透過現(xiàn)象看本質(zhì)，分析超差原因--把騷擾源搞清楚，把騷擾途徑摸透徹，以便有的放矢。

分析超差原因，可使用高頻示波器或頻譜分析儀加上 場探頭驗證分析結(jié)果，從頻域到時域，再從頻域到時域，分析、尋找產(chǎn)生EMC問題的對應(yīng)電路和器件。

EMC 問題三要素

開關(guān)電源及數(shù)字設(shè)備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波，因此會產(chǎn)生很強的輻射。電磁干擾包括輻射型(高頻)EMI、傳導(dǎo)型(低頻)EMI，即產(chǎn)生EMC問題主要通過兩個途徑:一個是空間電磁波干擾的形式;另一個是通過傳導(dǎo)的形式，換句話說，產(chǎn)生EMC問題的三個要素是：電磁干擾源、耦合 途徑、敏感設(shè)備。輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環(huán)境；傳導(dǎo)干擾是通過電源線騷擾公共電網(wǎng)或通過其他端子（如：射頻端子，輸入端子）影響相連接的設(shè)備。

傳導(dǎo)、輻射、騷擾源------（途徑）----- 敏感受體近場耦合IT、AV 設(shè)備可能的騷擾源

a） FM接收機、TV接收機本機振蕩，基波及諧波由高頻頭、本機振蕩電路產(chǎn)生；

b） 開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及高次諧波，同步信號方波及高頻諧波，行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場信號及高頻諧波；

c） 數(shù)字電路工作需要的各種時鐘信號及高頻諧波、以及它們的組合，各種時鐘如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘（27MHz，16.9344MHz ，40.5MHz）等；

d） 數(shù)字信號方波及高頻諧波，晶振產(chǎn)生的高次諧波，非線性電路現(xiàn)象（非線性失真、互調(diào)、飽和失真、截止失真）等引起的無用信號、雜散信號；

e） 非正弦波波形，波形毛剌、過沖、振鈴，電路設(shè)計存在的寄生頻率點。

f ） 對于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場。

電磁干擾的特性

① 單位脈沖的頻譜最寬；

② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積，高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度；

③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數(shù)字電路才能按一定的時序工作，使晶振產(chǎn)生的騷擾呈現(xiàn)覆蓋帶寬、騷擾電平高的特點；

④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時，EMI輻射和接受最嚴重；收發(fā)天線面積越大, EMI危害逾大；

⑤ 騷擾途徑：輻射，傳導(dǎo)，耦合和輻射、傳導(dǎo)、耦合的組合。

⑥ 電源線傳導(dǎo)騷擾主要由共模電流產(chǎn)生；

⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環(huán)路產(chǎn)生。

了解EMC三個規(guī)律和EMC問題三要素，會使得EMC問題變的有規(guī)可循，堅持EMC的規(guī)律使得解決EMC問題省時省力，事半功倍。

EMC設(shè)計，簡單地說，就是仔細預(yù)測可能發(fā)生的各種EMC問題，進行方案和電路的優(yōu)化選型，尋找一種優(yōu)化電路、機械結(jié)構(gòu)和PCB的設(shè)計解決方案，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，確保達到功能和性能指標的情況下，兼顧成本效益，避免EMC問題。為抑制和消除騷擾源，減小高頻信號頻率、減小高頻電流回路面積、減小共阻抗耦合或感應(yīng)耦合，選用低速、低輻射器件，選用屏蔽機箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施。

EMC設(shè)計五層次

一般來說，EMC設(shè)計可分五個層次。以下為五個層次EMC設(shè)計要點：

A ) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于第一層次的設(shè)計，是最基本、最重要的，任何錯誤都意味著該產(chǎn)品項目徹底失敗。**這一層主要EMC考慮體現(xiàn)在：

1）方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力，盡量選用本身發(fā)射小的芯片，如翻轉(zhuǎn)時間長、工作速率低的器件，多地線腳的芯片（芯片實質(zhì)就是集成度較高的電路模塊，封裝時多裝地線腳，可以減小高速差模電流環(huán)面積S，相應(yīng)地減小芯片的發(fā)射）；避免使用大功率、高損耗器件，它們往往是大的輻射源；

2）保證所選器件不工作在非線性區(qū)，以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源。

3）電路和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外，主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等；

4）電路設(shè)計或方案應(yīng)不使數(shù)字信號波形產(chǎn)生過沖，應(yīng)使無用的諧波振蕩幅度最小，使無用的高次諧波成分最少，避免引發(fā)強烈的電磁干擾；

5）對集總參數(shù)電路，增加阻尼、減小Q值，防止振蕩；

B )PCB設(shè)計不合理，會產(chǎn)生無法補救的后果，而良好的EMC設(shè)計，有事半功倍的效果。PCB 的EMC設(shè)計應(yīng)遵循以下內(nèi)容：

1） 盡量減小所有的高速信號及時鐘信號線構(gòu)成的環(huán)路面積，連接線要盡可能短，并使信號線緊鄰地回路；

2） 使用小型化器件和多層線路板，多層印制板可緊縮布線空間，高頻特性好，容易實現(xiàn)EMC；

3） 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號的屏蔽和隔離要求，先確定所需信號層數(shù)，然后考慮成本的前提下，增加地平面和電源層是PCB EMC設(shè)計最好的措施之一；

4） 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣，元件面下面為地平面，關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰，相鄰層的關(guān)鍵信號不跨區(qū)，所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號與地平面相鄰，盡量避免兩信號層相鄰；

5） 個別電源層、地層不能作為一個連續(xù)的平面時，采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng)，有效減小電流環(huán)路面積，減小公共阻抗R，加大信號與地層分布電容；

6） 線路板布線設(shè)計時順序考慮：電源和地/時鐘線/信號線，布線應(yīng)該短、直、粗、勻，不要直角和突變， 應(yīng)有“之”字形，用圓角代替尖銳走線，盡可能加寬電源和地的布線，電源和地層的分割，盡量符合微帶線和帶狀線要求；

7） 走線盡可能遠離騷擾源，布線考慮鐵氧體材料的使用，預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減；

C ) PCB的EMC設(shè)計中也提到供電與接地、高速信號線路的EMC設(shè)計，此外，還應(yīng)遵循以下內(nèi)容：

1）芯片間使用低阻抗地連接（地平面），不同芯片供電腳間阻抗盡量小，芯片供電腳（意思是離芯片供電 腳很近的供電線上）與地間接高頻旁路電容，供電布線預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減；

2) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環(huán)面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣，關(guān)鍵電源線與其對應(yīng)的地線相鄰，所有的信號層特別是高速信號、時鐘信號線與地線相鄰，盡量避免兩信號線相鄰；

3) 為避免接地線長度過長（接近λ/4），可采用多點就近接地，接地線高頻阻抗要?。?/strong>