EMC光靠理論無法完全解決

EMC是業(yè)界的一個難點；文章介紹了EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設(shè)計法；給企業(yè)提供了對待EMC的建議；作者認為EMC改進要如診治疾病一樣對癥施治；作者倡導堅持EMC規(guī)律，趁早考慮和解決EMC 問題-進行EMC設(shè)計。

EMC是產(chǎn)品認證的重要內(nèi)容隨著我國加入WTO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。國內(nèi)新的3C 認證替代了原來的CCIB 和CCEE 認證，“CCC”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是多數(shù)企業(yè)的技術(shù)難點 大力發(fā)展電子、信息產(chǎn)業(yè)為主體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是我們的既定方針。當今是一個連科技也在追趕潮流的時代，機電產(chǎn)品日新月異，“輕薄短小和多功能化”成為時尚，數(shù)碼產(chǎn)品、機電一體化產(chǎn)品、信息家電、多媒體設(shè)備等技術(shù)含量較高的產(chǎn)品層出不窮,更新?lián)Q代速度日益加快，芯片集成度和產(chǎn)品工作速度不斷提高，伴隨的電磁騷擾問題日益復雜。目前,我國整體EMC研究起步較晚，許多企業(yè)對EMC認知度不夠，缺乏EMC方面的經(jīng)驗和測試設(shè)備,在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝和元器件的選擇上都有不同程度的困惑，產(chǎn)品生產(chǎn)出來后往往EMC不能符合標準要求。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，解決EMC問題，比之解決產(chǎn)品的安全問題要困難得多。這就更 加加劇了有些企業(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。

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。隨著3C認證順利開展，部分企業(yè)在EMC問題上愁眉不展，幫助企業(yè)是我們光榮職責。此稿沒有復雜的理論分析和推導，只是扼要地介紹EMC三個規(guī)律、EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、以及五層次EMC設(shè)計法；一方面力求實用，另一方面意圖拋磚引玉。認識和利用EMC領(lǐng)域三個重要規(guī)律作者認為：EMC不是光靠理論就能完全解決的，EMC是一項實踐工程。從事EMC行業(yè)，如能深刻領(lǐng)會以下三個EMC領(lǐng)域重要規(guī)律，實踐中堅持運用，必然收到事半功倍的效果。

1） 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，而這些頻率的電磁騷擾是從哪里出來的，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。就如給病人治病一樣，關(guān)鍵是看你這個病是可治愈的還是不治之癥，對可治之癥能否辨證施治。中醫(yī)看病，講究望聞切診問；現(xiàn)代醫(yī)學多講究量血壓、BT、CT、化驗等，目的都是為了查清病灶、病因，做到因病施治。

同樣，改進EMC問題，看成為診治疾病，就是科學性與趣味性的結(jié)合。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、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。

電磁騷擾的特性

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，耦合和輻射、傳導、耦合的組合。

⑥ 電源線傳導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。EMC設(shè)計前面已經(jīng)提過，EMC的根本問題，解決 EMC問題的根本辦法，無論從市場經(jīng)濟的原則出發(fā)，還是從其它方面考慮，都是趁早進行EMC設(shè)計。從設(shè)計立項的一開始，就把EMC要求納入設(shè)計任務書，作為設(shè)計的輸入之一。

EMC設(shè)計，簡單地說，就是仔細預測可能發(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。

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：

1)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；對于產(chǎn)品的成功與否，第一層次設(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：

a）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；

b）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。

c）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；

d）電路設(shè)計或方案應不使數(shù)字信號波形產(chǎn)生過沖，應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)強烈的電磁騷擾；

e）對集總參數(shù)電路，增加阻尼、減小Q值，防止振蕩；

2)PCB的EMC設(shè)計；

對于產(chǎn)品的成功與否， PCB的EMC設(shè)計是重要的一環(huán)。PCB設(shè)計不合理，會產(chǎn)生無法補救的后果；

PCB良好的EMC設(shè)計，有事半功倍的效果。PCB 的EMC設(shè)計應遵循以下內(nèi)容：

a） 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；

b） 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；

c） 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；

d） 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；

e） 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；

f） 線路板布線設(shè)計時順序考慮：電源和地/時鐘線/信號線，布線應該短、直、粗、勻，不要直角和突變， 應有“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；

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

3)電與接地、高速信號線路及內(nèi)部線纜的EMC設(shè)計；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，還應遵循以下內(nèi)容：

a）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，供電布線預留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減；

b) 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；

c) 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??；

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

e) 機內(nèi)采用屏蔽線防止感應噪聲；

f) 波器的輸入輸出線應拉開距離，忌并行走線，以免影響濾波效果;

h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配，減小、消除反射；

4) 屏蔽設(shè)計；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。

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

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

b) 根據(jù)產(chǎn)品實際進行屏蔽設(shè)計，端口、通風孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考慮的因素;

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

d) 為了將輻射減到最小，盡量使用通過了CQC（EMC方面）自愿認證的機箱；

e) 為保證機箱的密封性，要使用精密模具沖壓成型，設(shè)計適當?shù)膹楛c和卷邊；

f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等

5)輸入/輸出的濾波設(shè)計電源線濾波和信號線濾波的重要性并不亞于機箱屏蔽，濾波關(guān)鍵是針對EMC 要求，兼顧達標和經(jīng)濟的原則。在I/O接口部位，一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器。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)計或使用信號線濾波器時，濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男盘栴l率。

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

b） 濾波電路的衰減性能與源和負載的阻抗關(guān)系很大，失配越大，濾波器衰減電磁騷擾的效果越好。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。對于線性電源高阻抗，為獲得阻抗失配，負載端應設(shè)計為低阻抗。對于開關(guān)電源和同步電機這樣的低阻抗設(shè)備，負載端設(shè)計為高阻抗。

c） 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，但安全標準規(guī)定泄漏電流不能過大。

d） 電源濾波器安裝位置應靠近電源線入口處，如能 做成與接口一體化更好。對于金屬屏蔽機箱，選用獨立電源屏蔽濾波器，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。

給企業(yè)的建議

一、了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑，掌握五個層次EMC設(shè)計法則，堅持利用EMC規(guī)律，趁早考慮和解決EMC問題；遇到PCB必須重新設(shè)計或結(jié)構(gòu)必須重新設(shè)計時，大家只有后悔EMC考慮得遲了。治病不如防病，治病必須對癥下手，宜早不宜遲，解決EMC問題是一樣的道理。

二、當產(chǎn)品的EMC不符合要求需要整改時，首先要如同治病一樣，診斷出電磁騷擾源、耦合途徑，然后利用EMC設(shè)計要點中提到的方法，對癥下手，綜合運用屏蔽、濾波吸波、接地等措施實施改進。改進途中，測試再不通過，先檢討問題判斷是否正確？對策是否失誤？使用器件參數(shù)是否需要調(diào)整？不要一下子就改變初衷，應不慌不忙。整改時要特別注意，正確診斷出電磁騷擾源、耦合途徑后，采用EMC抑制器件時，不但要選擇合適，而且所用器件要貨真價實，才不會久治不愈。

三、工廠應對關(guān)鍵生產(chǎn)工序進行識別，關(guān)鍵工序操作人員應加以培訓，制定相應的工藝作業(yè)指導書或標準樣件（可以采取拍照給出圖片的方式），使生產(chǎn)過程受控。取最簡化而且EMC又有一定裕量的樣機作為標準件，核對生產(chǎn)、裝配工藝，檢驗時，著重進行EMC關(guān)鍵元器件和材料的檢驗/驗證，以及裝配工藝一致性檢查。

四、為驗證產(chǎn)品持續(xù)符合標準要求，工廠應在適當階段對產(chǎn)品進行確認檢驗（本身不具備檢測條件時，抽樣送有能力的機構(gòu)進行檢驗），以確保產(chǎn)品持續(xù)符合EMC要求，萬一變化亦能及時發(fā)現(xiàn)。

五、當產(chǎn)品EMC關(guān)鍵件要改變、調(diào)整時，應用新的器件替換原器件重新制造幾臺樣機進行測試，確認EMC關(guān)鍵件改變和調(diào)整對整機EMC的影響。

小結(jié)

了解EMC問題三要素、電磁騷擾的特性、電磁騷擾源和傳播途徑，掌握五個層次EMC設(shè)計法，EMC會變得有規(guī)可循的，堅持EMC規(guī)律，趁早考慮和解決EMC問題，即可省時省力，事半功倍。在EMC工作方面，比照老中醫(yī)看病方式，據(jù)癥施治，有意識帶點人性化，能提高解決問題的興趣。

EMC90%是設(shè)計出來的，整改出來的極少、極少。治病不如防病，治病必須對癥下手，宜早不宜遲。道理簡單，更需重視。