淺談電磁兼容性設(shè)計(jì)的三規(guī)律三要素五層次

EMC是產(chǎn)品認(rèn)證的重要內(nèi)容，無論是走向國(guó)際大市場(chǎng)的中國(guó)產(chǎn)品，還是涌向中國(guó)市場(chǎng)的外國(guó)產(chǎn)品,幾乎都要進(jìn)行各種各樣的產(chǎn)品認(rèn)證。產(chǎn)品認(rèn)證，從國(guó)際貿(mào)易角度看，實(shí)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(chǎng)，促進(jìn)外貿(mào)發(fā)展。 “CCC”是我國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)志—— China Compulsory Certification的英文縮寫，只有取得3C 認(rèn)證的產(chǎn)品才能進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。3C認(rèn)證對(duì)機(jī)電、電器產(chǎn)品的安全性能、EMC等方面作了詳細(xì)規(guī)定。

EMC問題是當(dāng)前多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)！從事機(jī)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(duì)品牌競(jìng)爭(zhēng)和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，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(jī)電產(chǎn)品3C認(rèn)證的指標(biāo)涉及產(chǎn)品的安全、EMC兩個(gè)方面。從認(rèn)證檢測(cè)來看，產(chǎn)品達(dá)不到“3C”認(rèn)證要求的主要原因是EMC方面過不了關(guān)。事實(shí)上，無論 日常檢驗(yàn)還是各種產(chǎn)品認(rèn)證中，EMC測(cè)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(jì)之初就開始重視EMC是企業(yè)級(jí)工程師亟待重視的問題。

EMC三大規(guī)律

1） 規(guī)律一、EMC費(fèi)效比關(guān)系規(guī)律：EMC問題越早考慮、越早解決，費(fèi)用越小、效果越好。

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

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在功能設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行EMC 設(shè)計(jì)，到樣板、樣機(jī)完成則通過EMC測(cè)試，是最省時(shí)間和最有經(jīng)濟(jì)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(jìn)行改進(jìn)，非但技術(shù)上帶來很大難度、而且返工必然帶來費(fèi)用和時(shí)間的大大浪費(fèi)，甚至由于涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)的缺陷，無法實(shí)施改進(jìn)措施，導(dǎo)致產(chǎn)品不能上市。

2） 規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴(yán)重。

高頻信號(hào)電流流經(jīng)電感最小路徑。當(dāng)頻率較高時(shí)，一般走線電抗大于電阻，連線對(duì)高頻信號(hào)就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測(cè)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(duì)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(zhǎng)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。

3） 規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴(yán)重，電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)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(gè)規(guī)律，倡導(dǎo)趁早考慮EMC問題，介紹EMC 設(shè)計(jì)和EMC問題改進(jìn)。

改進(jìn)EMC 問題，如同診治疾病。如果產(chǎn)品沒有通過EMC 測(cè)試，我們從測(cè)量結(jié)果中，只能知道哪些頻率點(diǎn)“超標(biāo)”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(jìn)EMC問題，首先，根據(jù)EMI產(chǎn)生的途徑和機(jī)理，也就是EMC問題產(chǎn)生的要素，針對(duì)EUT（被測(cè)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(jìn)行推斷，再結(jié)合測(cè)試 項(xiàng)目測(cè)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(chǎng)探頭驗(yàn)證分析結(jié)果，從頻域到時(shí)域，再?gòu)念l域到時(shí)域，分析、尋找產(chǎn)生EMC問題的對(duì)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(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(gè)途徑:一個(gè)是空間電磁波干擾的形式;另一個(gè)是通過傳導(dǎo)的形式，換句話說，產(chǎn)生EMC問題的三個(gè)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(chǎng)耦合IT、AV 設(shè)備可能的騷擾源

a） FM接收機(jī)、TV接收機(jī)本機(jī)振蕩，基波及諧波由高頻頭、本機(jī)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(hào)方波及高頻諧波，行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場(chǎng)信號(hào)及高頻諧波；

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

d） 數(shù)字信號(hào)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(hào)、雜散信號(hào)；

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

f ） 對(duì)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(chǎng)。

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(shí)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(diǎn)；

④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時(shí)，EMI輻射和接受最嚴(yán)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(gè)規(guī)律和EMC問題三要素，會(huì)使得EMC問題變的有規(guī)可循，堅(jiān)持EMC的規(guī)律使得解決EMC問題省時(shí)省力，事半功倍。

EMC設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地說，就是仔細(xì)預(yù)測(cè)可能發(fā)生的各種EMC問題，進(jìn)行方案和電路的優(yōu)化選型，尋找一種優(yōu)化電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)和PCB的設(shè)計(jì)解決方案，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保達(dá)到功能和性能指標(biāo)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(hào)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(jī)箱、屏蔽電纜和I/O濾波器都是常用的措施。

EMC設(shè)計(jì)五層次

一般來說，EMC設(shè)計(jì)可分五個(gè)層次。以下為五個(gè)層次EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

A ) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；對(duì)于產(chǎn)品的成功與否，第一層次設(shè)計(jì)是最基本、最重要的，任何錯(cuò)誤都意味著該產(chǎn)品項(xiàng)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(shí)間長(zhǎng)、工作速率低的器件，多地線腳的芯片（芯片實(shí)質(zhì)就是集成度較高的電路模塊，封裝時(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)或方案應(yīng)不使數(shù)字信號(hào)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(qiáng)烈的電磁干擾；

5）對(duì)集總參數(shù)電路，增加阻尼、減小Q值，防止振蕩；

B ) PCB的EMC設(shè)計(jì)；對(duì)于產(chǎn)品的成功與否， PCB的EMC設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。

PCB設(shè)計(jì)不合理，會(huì)產(chǎn)生無法補(bǔ)救的后果；PCB良好的EMC設(shè)計(jì)，有事半功倍的效果。PCB 的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下內(nèi)容：

1） 盡量減小所有的高速信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)線構(gòu)成的環(huán)路面積，連接線要盡可能短，并使信號(hào)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(shí)現(xiàn)EMC；

3） 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號(hào)的屏蔽和隔離要求，先確定所需信號(hào)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(jì)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(duì)應(yīng)的地平面相鄰，相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不跨區(qū)，所有的信號(hào)層特別是高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)與地平面相鄰，盡量避免兩信號(hào)層相鄰；

5） 個(gè)別電源層、地層不能作為一個(gè)連續(xù)的平面時(shí)，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(hào)與地層分布電容；

6） 線路板布線設(shè)計(jì)時(shí)順序考慮：電源和地/時(shí)鐘線/信號(hào)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(yuǎn)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 ) 電與接地、高速信號(hào)線路及內(nèi)部線纜的EMC設(shè)計(jì)；PCB的EMC設(shè)計(jì)中也提到供電與接地、高速信號(hào)線路的EMC設(shè)計(jì)，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(duì)應(yīng)的地線相鄰，所有的信號(hào)層特別是高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)線與地線相鄰，盡量避免兩信號(hào)線相鄰；

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

4) 減小電纜的天線效應(yīng)及減小偶極子天線效應(yīng)，跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜，內(nèi)導(dǎo)線采用多股雙絞線，使空間場(chǎng)互抵，屏蔽層可作為回線；

5) 機(jī)內(nèi)采用屏蔽線防止感應(yīng)噪聲；

6) 波器的輸入輸出線應(yīng)拉開距離，忌并行走線，以免影響濾波效果;

7) I/O接口注意高速電路阻抗匹配，減小、消除反射；

D ) 屏蔽設(shè)計(jì)；屏蔽好的要求有三：完整的電連續(xù)體；濾波措施；良好的接地。

對(duì)于信息技術(shù)IT類設(shè)備,當(dāng)主板及配置選定的情況下, 提高整機(jī)的屏蔽效果和各個(gè)部分的隔離效果非常重要，尤其個(gè)人計(jì)算機(jī)和液晶顯示器。這里只說屏蔽設(shè)計(jì):

1) 計(jì)算機(jī)機(jī)殼內(nèi)騷擾場(chǎng)強(qiáng)較大，機(jī)殼塑料部分未涂導(dǎo) 電材料或所涂導(dǎo)電材料不佳，機(jī)箱有孔洞、縫隙，不是一個(gè)完整電連續(xù)體，進(jìn)出線濾波不好，最終都可導(dǎo)致輻射騷擾超出限值。機(jī)箱為了更好屏蔽電磁輻射，既能照顧到機(jī)箱的散熱需求，又能有效地防止 磁波的衍射，開孔尺寸一般不超過4mm；

2) 根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，端口、通風(fēng)孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考慮的因素;

3) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導(dǎo)電材料的外殼（接縫處要噴涂導(dǎo)電材料）；

4) 為了將輻射減到最小，盡量使用通過了CQC（EMC方面）自愿認(rèn)證的機(jī)箱；

5) 為保證機(jī)箱的密封性，要使用精密模具沖壓成型，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膹楛c(diǎn)和卷邊；

6) 變壓器加靜電屏蔽及接地等；

E ) 輸入/輸出的濾波設(shè)計(jì)電源線濾波和信號(hào)線濾波的重要性并不亞于機(jī)箱屏蔽，濾波關(guān)鍵是針對(duì)EMC 要求，兼顧達(dá)標(biāo)和經(jīng)濟(jì)的原則。

在I/O接口部位，一般采用高頻濾波效果好、安裝簡(jiǎn)單的濾波連接器。在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸波作用。設(shè)計(jì)或使用信號(hào)線濾波器時(shí)，濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男盘?hào)頻率。

1） 傳導(dǎo)騷擾問題處理的方法主要是低通濾波。在１ＭＨｚ以上時(shí)，傳導(dǎo)發(fā)射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的，須綜合運(yùn)用抑制傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施，如屏蔽、去耦和濾波。

2） 濾波電路的衰減性能與源和負(fù)載的阻抗關(guān)系很大，失配越大，濾波器衰減電磁干擾的效果越好。大多數(shù)情況下，電源線表現(xiàn)為低阻抗，則濾波器的輸入端應(yīng)為高阻抗。另一方面，設(shè)備既可能為高阻抗，也可能為低阻抗。對(duì)于線性電源高阻抗，為獲得阻抗失配，負(fù)載端應(yīng)設(shè)計(jì)為低阻抗。對(duì)于開關(guān)電源和同步電機(jī)這樣的低阻抗設(shè)備，負(fù)載端設(shè)計(jì)為高阻抗。

3） 減共模和差模電容，加減共模和差模線圈，調(diào)整電容參數(shù)和線圈匝數(shù)，共模和差模插入損耗對(duì)頻率的曲線都可改變。濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流。它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容。共模電容的容量越大，共模阻抗越小，共模騷擾抑制效果越好，但安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定泄漏電流不能過大。

4） 電源濾波器安裝位置應(yīng)靠近電源線入口處，如能 做成與接口一體化更好。對(duì)于金屬屏蔽機(jī)箱，選用獨(dú)立電源屏蔽濾波器，安裝在電源線入口處，并確保濾波器外殼與設(shè)備機(jī)箱（地）良好電接觸，這樣的效果是最好的。濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構(gòu)件上。

建議

一、了解EMC問題三要素、電磁干擾的特性、電磁干擾源和傳播途徑，掌握五個(gè)層次EMC設(shè)計(jì)法則，堅(jiān)持利用EMC規(guī)律，趁早考慮和解決EMC問題，否則遇到PCB必須重新設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)必須重新設(shè)計(jì)時(shí)，大家只有后悔EMC考慮得遲了。

二、當(dāng)產(chǎn)品的EMC不符合要求需要整改時(shí)，首先要診斷出電磁干擾源、耦合途徑，然后利用EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)中提到的方法，綜合運(yùn)用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實(shí)施改進(jìn)。改進(jìn)途中，測(cè)試再不通過，先檢討問題判斷是否正確？對(duì)策是否失誤？使用器件參數(shù)是否需要調(diào)整？不要一下子就改變初衷，應(yīng)不慌不忙。整改時(shí)要特別注意，正確診斷出電磁干擾源、耦合途徑后，采用EMC抑制器件時(shí)，不但要選擇合適，而且所用器件要貨真價(jià)實(shí)，才會(huì)把問題徹底解決。

三、工廠應(yīng)對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)工序進(jìn)行識(shí)別，關(guān)鍵工序操作人員應(yīng)加以培訓(xùn)，制定相應(yīng)的工藝作業(yè)指導(dǎo)書或標(biāo)準(zhǔn)樣件（可以采取拍照給出圖片的方式），使生產(chǎn)過程受控。取最簡(jiǎn)化而且EMC又有一定裕量的樣機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)件，核對(duì)生產(chǎn)、裝配工藝，檢驗(yàn)時(shí)，著重進(jìn)行EMC關(guān)鍵元器件和材料的檢驗(yàn)/驗(yàn)證，以及裝配工藝一致性檢查。

四、為驗(yàn)證產(chǎn)品持續(xù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，工廠應(yīng)在適當(dāng)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行確認(rèn)檢驗(yàn)（本身不具備檢測(cè)條件時(shí)，抽樣送有能力的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)），以確保產(chǎn)品持續(xù)符合EMC要求，萬一變化亦能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

五、當(dāng)產(chǎn)品EMC關(guān)鍵件要改變、調(diào)整時(shí)，應(yīng)用新的器件替換原器件重新制造幾臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)EMC關(guān)鍵件改變和調(diào)整對(duì)整機(jī)EMC的影響。