分析電磁兼容性設計的三規律三要素五層次

EMC是產品認證的重要組成部分。無論是走向國際市場的中國產品，還是涌向中國市場的外國產品，幾乎都需要進行各種產品認證。從國際貿易的角度來看，產品認證本質上是一個技術貿易壁壘。只有不斷提高產品質量，突破技術壁壘，才能開拓海外市場，促進外貿發展。CCC是中國強制性產品認證標志——ChinaCompulsoryCertion的英文縮寫。只有獲得3C認證的產品才能進入國內市場。3C認證詳細規定了機電和電氣產品的安全性能。

EMC問題是目前大多數企業的技術難題！從事機電產品制造的企業也有同感。特別是面對品牌競爭和價格競爭，一些企業傾向于降低成本，犧牲EMC的要求，這使得這個問題更加突出。

機電產品3C認證指標涉及產品安全和EMC。從認證和測試的角度來看，產品不能滿足3C認證要求的主要原因是EMC無法通過。事實上，EMC測試在日常檢驗和各種產品認證中普遍失敗，一些企業對EMC問題感到擔憂。因此，從設計之初就關注EMC是企業工程師迫切需要關注的問題。

EMC三大規律

1)規律一，EMC費用比關系規律：越早考慮EMC問題，越早解決，成本越低，效果越好。

在新產品研發階段，EMC設計比產品EMC測試不合格要好。成本可以大大節約，效率可以大大提高；相反，效率會大大降低，成本也會大大提高。

經驗告訴我們，EMC設計是在功能設計的同時進行的，而EMC測試是在樣品完成后通過EMC測試的，這是最省時、最經濟的。相反，在產品研發階段，不考慮EMC，只有在投入生產后發現EMC不合格時才進行改進，這不僅給技術帶來了很大的困難，而且不可避免地會造成成本和時間的巨大浪費。即使由于結構設計和PCB設計的缺陷，也無法實施改進措施，導致產品無法上市。

2)規律二，高頻電流環路面積S越大，EMI輻射越嚴重。

高頻信號電流通過最小的電感路徑。當頻率較高時，一般接線電阻大于電阻，連接到高頻信號為電感，串聯電感引起輻射。大多數電磁輻射是由EUT測試設備上的高頻電流回路產生的，最壞的情況是開路的天線形式。相應的處理方法是減少、減少連接，減少高頻電流電路的面積，并盡量消除任何異常工作所需的天線，如連續接線或具有天線效應的部件太長。

減少輻射騷擾或增加輻射抗干擾能力的最重要任務之一是盡量減少高頻電流回路面積S。

3)規律三：環路電流F頻率越高，導致EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強度隨電流F的平方成正比增加。

減少輻射騷擾或提高輻射抗干擾能力的第二個最重要途徑是嘗試降低騷擾源的高頻電流頻率F，即降低騷擾電磁波的頻率F。

以下內容，就是利用以上三條規則，提倡早期考慮EMC問題，介紹EMC設計和EMC問題改進。

改善EMC問題就像診斷和治療疾病一樣。如果產品沒有通過EMC測試，我們只能從測量結果中知道哪些頻率點超標，而這些頻率的電磁干擾往往是工程師最難發現和解決的問題。產品EMC問題，說起來難，說起來容易，說起來容易。要改善EMC問題，首先要根據EMC問題產生的途徑和機制，即EMC問題產生的元素，對EUT(測試樣本，下同)的電路原理做出一些判斷，比如IT設備和AV音視頻設備引起EMC問題的原因或內部騷擾源是什么。首先推斷，然后結合測試項目的測試圖，通過現象看到本質，分析超差的原因——找出騷擾源，徹底了解騷擾途徑，這樣才能有針對性。要分析超差的原因，可以使用高頻示波器或頻譜分析儀加上場探頭來驗證結果，從頻域到時域，分析電路和電路，分析電路，分析電路和電路。

EMC問題三要素

開關電源和數字設備由于脈沖電流和電壓具有非常豐富的高頻諧波，因此會產生非常強的輻射。電磁干擾包括輻射（高頻）電磁干擾、傳導（低頻）電磁干擾，即電磁干擾問題主要通過兩種方式：一種是空間電磁干擾的形式；另一種是通過傳導的形式，換句話說，電磁干擾問題的三個元素是：電磁干擾源、耦合路徑、敏感設備。輻射干擾主要通過外殼和連接線以電磁波的形式污染空間電磁環境；傳導干擾是通過電源線或其他端子（如射頻端子、輸入端子）影響連接的設備。

傳導、輻射、騷擾源-(途徑)-敏感受體近場耦合IT，AV設備可能的騷擾源。

a)FM接收機，TV接收機本機振蕩，基波和諧波由高頻頭、本機振蕩電路產生；

b)開關電源的開關脈沖和高次諧波，同步信號方波和高頻諧波，行掃描圖像電路產生的行、場信號和高頻諧波；

c)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)由數字信號方波和高頻諧波引起的無用信號和雜散信號，晶體振動引起的高次諧波和非線性電路現象(非線性失真、相互調節、飽和失真、截止失真)；

E)非正弦波形、波形毛刺、過沖、振鈴、電路設計中存在的寄生頻點。

F)通過耦合途徑對敏感受體的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓下降、電壓變化和各種電磁場。

電磁干擾的特點。

①單位脈沖的頻譜最寬；

②低頻含量取決于脈沖的面積，高頻分量取決于脈沖前后邊緣的陡度；

③晶體振蕩電平必須達到一定范圍，數字電路可以按一定時間工作，使晶體振蕩產生的騷擾具有覆蓋帶寬、騷擾電平高的特點；

④當收發天線極化，方向特征相同時，EMI輻射和接嚴重；收發天線面積越大，EMI危害越大；

(5)騷擾途徑:輻射、傳導、耦合、傳導、耦合。

⑥共模電流主要產生電源線傳導騷擾；

⑦差模電流形成的環路主要產生輻射騷擾。

了解EMC的三個規律和EMC問題的三個要素，會讓EMC問題變得有規律可循。堅持EMC規律，解決EMC問題省時省力，事半功倍。

EMC設計五層

一般來說，EMC設計可分為五個層次。以下是EMC設計的五個要點：

1)方案選擇、主要部件、集成電路選擇、電路和機械結構設計；對于產品的成功，第一級設計是最基本、最重要的，任何錯誤都意味著產品項目完全失敗。

這一層主要體現在：

1）方案選擇、主要部件和集成電路的選擇主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射的抗干擾能力。盡量選擇自己發射的小芯片，如翻轉時間長、工作速度低的設備和多地腳的芯片（芯片本質上是集成度高的電路模塊）。封裝時多安裝地腳，可降低高速差模電流環面積S，相應減少芯片發射）；避免使用高功率和高損耗設備。它們通常是大輻射源；

2)確保所選裝置不在非線性區域工作，以免產生諧波分量成為干擾源。

3)電路和機械結構射騷擾或提高射頻輻射的抗干擾能力外，電路和機械結構設計主要考慮電源電路，以防止外部騷擾，包括浪涌、快速脈沖組、靜電、電壓下降、電壓變化等；

4)電路設計或方案不得過度沖擊數字信號波形，使無用的諧波振蕩范圍最小，使無用的高諧波成分最小，避免強電磁干擾；

5)增加阻尼，降低Q值，防止對集總參數電路的振蕩；PCBEMC設計；PCBEMC設計是產品成功的重要組成部分。

PCB設計不合理，會產生無法補救的后果；PCB設計良好，事半功倍。PCBEMC設計應遵循以下規定：

1)盡量減少由高速信號和時鐘信號線組成的所有環路區域，盡可能縮短連接線，使信號線接近電路；

2)采用小型化裝置和多層電路板，多層印刷板可以收緊布線空間，具有良好的高頻特性，易于實現EMC；

3)根據關鍵信號的屏蔽和隔離要求，選擇印刷板層數。首先確定所需的信號層數，然后考慮成本，增加地面和電源層是PCBEMC設計的最佳措施之一；

4）印刷板的分層原理與布置印刷電路和布置電線的原理相同。組件表面下方為地面平面。關鍵電源平面與相應的地面平面相鄰，相鄰層的關鍵信號不跨區域。所有信號層，特別是高速信號，都與地面平面相鄰。盡量避免兩個信號層相鄰；

5)當個別電源層和地層不能用作連續平面時，有效降低電流環路面積，減少公共阻抗R，增加信號和地層分布電容；

6)線路板接線設計順序考慮:電源和源和接地/時鐘線/信號線的接線順序。接線應短、直、粗、均勻，無直角和突變。應具有i形狀。應使用圓角代替尖銳接線，以盡可能加寬電源和接地的接線。電源與地層的分割應盡可能滿足微帶線和帶線的要求；

7)考慮使用鐵氧體材料，并預留磁珠和貼片濾波器的位置，盡量遠離騷擾源。

C)電氣和接地，高速信號線和內部電纜的EMC設計；PCB的EMC設計也提到了電源和接地。此外，還應遵循以下內容：

1）芯片之間采用低阻抗連接（地平面）。不同芯片的電源腳之間的阻抗應盡可能小。芯片電源腳（意味著靠近芯片電源腳的電源線）與地面間接高頻旁路電容。電源布線應保留磁珠和貼片濾波器的位置，以便按需增減；

2)接線時，I/O接線的核心原理是減小電流環面積S。接線布置原理與印刷板分層原理相同。關鍵電源線與相應的接地線相鄰，所有信號層，特別是高速信號，時鐘信號線與接地線相鄰，盡量避免兩條信號線相鄰；

3)為了避免接地線長度過長(接近λ/4)，可以使用多點就近接地，接地線的高頻阻抗要??；

4）減少電纜的天線效應，減少偶極子天線效應?？缇€和I/O電纜采用屏蔽性能良好的電纜，內線采用多股雙絞線，使空間場相互抵消，屏蔽層可用作回線；

5)防止感應噪止感應噪聲的屏蔽線；

6)波器的輸入輸出線應拉開距離，避免并行走線，以免影響濾波效果；

7)注意高速電路阻抗匹配，減/O接口，減少并消除反射；

D)屏蔽設計；良好的屏蔽要求有三種：完整的電連續體；濾波措施；良好的接地。

對于信息技術IT設備來說，在選擇主板和配置時，特別是個人計算機和液晶顯示器時，提高整機的屏蔽效果和各部分的隔離效果是非常重要的。以下是屏蔽設計：

1）計算機外殼中的騷擾場大，外殼中的塑料部分沒有涂上導電材料，或者所涂的導電材料不好。機箱有孔洞和縫隙。它不是一個完整的電氣連續體，進出管路濾波器不好，最終會導致輻射干擾超過極限。為了更好地屏蔽電磁輻射，機箱不僅可以滿足機箱的散熱需求，還可以有效地防止磁波的衍射。開口尺寸一般不超過4mm；

2)屏蔽設計、端口、通風孔、孔洞、連接縫隙等方面都是值得考慮的因素；

3)液晶顯示器可使用噴涂導電材料(接縫處噴涂導電材料)，以更好地屏蔽電磁輻射；

4)通過CQC(EMC)自愿認證的機箱，以最大限度地減少輻射；

5)使用精密模具沖壓成型，設計適當的彈點和卷邊，以保證機箱的密封性；

6)變壓器加靜電屏蔽和接地等；

7)源線濾波器和信號線濾波器在輸入/輸出濾波器設計中的重要性不亞于底盤屏蔽。濾波器的關鍵是考慮到滿足EMC要求和經濟標準的原則。

在I/O接口位置，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也可以起到一定的濾波和吸波作用。在設計或使用信號線濾波器時，濾波器的截止頻率必須高于電纜上要傳輸的信號頻率。

1）處理傳導騷擾問題的主要方法是低通濾波。當1Mhz以上時，傳導和發射問題通常是由輻射耦合引起的。必須采取綜合技術措施抑制傳導和輻射，如屏蔽、去耦和濾波。

2）濾波器電路的衰減性能與源和負荷之間的阻抗有很大關系。失配量越大，濾波器衰減電磁干擾的效果越好。在大多數情況下，如果電源線顯示為低阻抗，濾波器的輸入端應為高阻抗。另一方面，該設備可以是高阻抗或低阻抗。對于線性電源的高阻抗，為了獲得阻抗不匹配，負載端應設計為低阻抗。對于低阻抗設備，如開關電源和同步電機，負載端設計為高阻抗。

3)減少共模和差模電容，減少共模和差模線圈，調整電容參數和線圈匝數，可以改變共模和差模插入損耗的頻率曲線。濾波器的泄漏電流是指相線與中線與外殼之間的電流。它主要取決于連接在相線和中線之間的共模電容。共模電容器容量越大，共模阻抗越小，共模騷擾抑制效果越好，但安全標準規定的泄漏電流不宜過大。

4)電源濾波器的安裝位置應靠近電源線的入口，如果可以制成一個更好的集成接口。對于金屬屏蔽底盤，選擇一個獨立的電源屏蔽濾波器，安裝在電源線的入口處，并確保濾波器外殼與設備底盤（地面）有良好的電接觸。濾波器接地通常固定在電纜出口的公共金屬部件上。

建議

1、了解EMC問題的三個要素，電磁干擾的特性，電磁干擾源和傳播途徑，掌握EMC設計規則的五個層次，堅持使用EMC規則，盡早考慮和解決EMC問題，否則當必須重新設計或結構必須重新設計時，我們只會后悔EMC考慮得太晚。

2、當產品的EMC不符合要求并需要整改時，首先診斷電磁干擾源和耦合方式，然后采用EMC設計要點中提到的方法，綜合應用屏蔽、濾波、吸波、接地等措施進行改進。在改進的過程中，如果測試沒有再次通過，首先檢查問題并判斷它是否正確？對策錯誤了嗎？需要調整使用設備參數嗎？不要一下子改變你的初衷。你應該保持冷靜。在整改過程中，應特別注意正確診斷電磁干擾源。當使用EMC抑制用EMC抑制裝置時，不僅要選擇正確的裝置，而且在問題完全解決之前，還要選擇正確的裝置。

3、工廠應識別關鍵生產流程，對關鍵流程操作人員進行培訓，并制定相應的流程操作指導書或標準樣品（可通過拍照和拍照來控制生產流程），以便控制生產流程。采用最簡單、EMC裕量的原型作為標準零件，檢查生產、裝配工藝。檢查時，重點檢查/驗證EMC關鍵部件和材料，檢查裝配工藝的一致性。

4、為了驗證產品能否繼續滿足標準要求，工廠應在適當階段對產品進行確認和檢驗（當其本身不符合檢驗條件時，應將其抽樣送至有能力的機構進行檢驗），以確保產品能夠繼續滿足EMC的要求，并能及時發現變化。

第五，當產品的EMC關鍵部件需要更改和調整時，應使用新的設備更換原始設備，并重新制造幾個樣本進行測試，以確EMC關鍵部件的變化和調整對整機EMC的影響。