關(guān)于EMC電磁兼容的設(shè)計(jì)及測試技巧

針對當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境，從原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、元器件選型、系統(tǒng)布線、系統(tǒng)接地等方面逐步分析了電磁干擾的來源，總結(jié)了電磁兼容設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

目前，日益惡化的電磁環(huán)境使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境和電磁環(huán)境對電子設(shè)備的影響，從設(shè)計(jì)開始，整合電磁兼容設(shè)計(jì)，使電子設(shè)備工作更加可靠。

電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括浪涌(沖擊)抗擾性、振鈴波浪涌抗擾性、電快速瞬變脈沖群抗擾性、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾性、工頻電源諧波抗擾性、靜電抗擾性、射頻電磁場輻射抗擾性、工頻磁場抗擾性、脈沖磁場抗擾性、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾性等。

主要形式的電磁干擾：

電磁干擾主要通過傳導(dǎo)和輻射進(jìn)入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)工作，其他方法包括共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。

傳導(dǎo)：傳導(dǎo)耦合是指通過導(dǎo)電媒體將一個(gè)電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)上，這是一個(gè)較低部分（低于30mHz）。傳導(dǎo)耦合通常包括電源線、信號線、互連線、接地導(dǎo)體等。

輻射：通過空間將一個(gè)電網(wǎng)上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)上，這是一個(gè)更頻繁的部分（超過30MHz）。輻射通過空間傳輸，引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是由各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。

共阻抗耦合：當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流通過公共阻抗時(shí)，它們會相互干擾。通過這種方式在電源線和接地導(dǎo)體上的騷擾電流引入敏感電路。

感應(yīng)耦合：通過互感原理，將電信號傳輸?shù)揭粋€(gè)電路中，感應(yīng)到另一個(gè)電路對其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)。

對于這些方式的干擾，我們應(yīng)該采取相應(yīng)的對策：過濾器（如我們設(shè)計(jì)的每個(gè)IC的標(biāo)題電容器），減少天線效應(yīng)（如接近地線的信號）。屏蔽和接地等措施可以大大提高產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力，也可以有效地減少外部電磁干擾。

電磁兼容設(shè)計(jì)：

對于新項(xiàng)目的研發(fā)設(shè)計(jì)過程，電磁兼容設(shè)計(jì)需要貫穿整個(gè)過程。考慮到設(shè)計(jì)中的電磁兼容設(shè)計(jì)，不會返工，避免重復(fù)研發(fā)，可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間，提高企業(yè)的效率。

一個(gè)項(xiàng)目需要通過需求分析，從研發(fā)到投放市場。項(xiàng)目審批。項(xiàng)目總結(jié)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)。樣品試驗(yàn)。功能測試。電磁兼容性測試。項(xiàng)目生產(chǎn)。投放市場等階段。

在需求分析階段，應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品市場分析?，F(xiàn)場研究，挖掘項(xiàng)目有用信息，整合項(xiàng)目發(fā)展前景，詳細(xì)整理項(xiàng)目產(chǎn)品工作環(huán)境，現(xiàn)場調(diào)查安裝位置，安裝空間是否有限，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕。濕度。高溫等，周圍設(shè)備的工作，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否有限等設(shè)備，產(chǎn)品開發(fā)的成功是否能大大提高生產(chǎn)效率，或者是否能給人們的生活或工作環(huán)境帶來極大的便利，操作和使用是否容易被人們接受，這就要求項(xiàng)目產(chǎn)品滿足現(xiàn)場功能的需要。操作方便，最后整理詳細(xì)的需求分析報(bào)告，供需求評估。

經(jīng)企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人審核后，完善需求分析報(bào)告，然后進(jìn)行項(xiàng)目審批。項(xiàng)目審批需要成立項(xiàng)目組，將軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測試等人員安排到項(xiàng)目組，分配各自的職責(zé)。項(xiàng)目開發(fā)的下一階段是項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)，將項(xiàng)目分解成多個(gè)功能模塊，利用WBS分解結(jié)構(gòu)細(xì)化項(xiàng)目功能分解，根據(jù)工作量安排時(shí)間，安排具體人員。整理項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)報(bào)告，對項(xiàng)目進(jìn)行總體評價(jià)，確定電源類型、電源分布、電源隔離濾波模式、系統(tǒng)接地模式、產(chǎn)品屏蔽、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)、屏蔽底盤外殼、信號類型分析、雷電、靜電、群脈沖等干擾。

產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)報(bào)告出來后，應(yīng)由相關(guān)人員進(jìn)行評審，分析實(shí)施方法是否合理，實(shí)施方案是否可行。評審人員應(yīng)提供評審報(bào)告。項(xiàng)目組結(jié)合評審報(bào)告修改概要設(shè)計(jì)后，進(jìn)入產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。本階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計(jì)。PCB設(shè)計(jì)。PCB采購和焊接。軟件編寫。功能調(diào)試，原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電磁兼容性的影響，增加板電源的濾波電容，增加信號接口部分的濾波電路，根據(jù)信號類型選擇合適的濾波電路。如果信號為低頻型號，應(yīng)選擇低通濾波電路，計(jì)算適當(dāng)?shù)慕刂诡l率，并選擇相應(yīng)的電阻。電容器等。此外，接口部分設(shè)計(jì)了大電流泄漏電路和防雷裝置，以實(shí)現(xiàn)第三級防雷。

一、組件選型：

我們常用的電子設(shè)備主要包括有源設(shè)備和無源設(shè)備。有源設(shè)備主要指IC和模塊電路，無源設(shè)備主要指電阻、電容、電感等元件。以下是這兩種組件的選擇。介紹電磁兼容性中應(yīng)考慮的問題。

EMC選型有源器件。

工作電壓寬的EMC具有良好的特性，工作電壓低的EMC具有良好的特性，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)延遲較大（通常速度較慢），靜態(tài)電流較小，功耗較小，貼片包裝設(shè)備的EMC性能優(yōu)于插件設(shè)備。

無源設(shè)備選型。

在我們的應(yīng)用中，無源設(shè)備通常包括電阻、電容、電感等，對于無源設(shè)備的選擇，要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。

無源設(shè)備在某些頻率下會表現(xiàn)出不同的特性。有些電阻在高頻時(shí)具有電感特性，如線繞電阻、電解電容低頻特性好、高頻特性差、膜電容和瓷電容高頻特性好，但容量通常較小?？紤]到溫度對部件的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)原理選擇各種溫度特性的部件。

二、印刷板設(shè)計(jì)：

印刷板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮干擾對系統(tǒng)的影響，嚴(yán)格分離電路模擬部分和數(shù)字部分的電路，重點(diǎn)保護(hù)核心電路，包圍系統(tǒng)接地線，布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設(shè)計(jì)隔離電源，分析容易干擾的部分（如時(shí)鐘電路、通信電路等）和容易干擾的部分（如模擬采樣電路等）。對干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護(hù)措施，并在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意遠(yuǎn)離印刷板邊緣的元件放置，有利于保護(hù)空氣放電。

采樣電路原理圖設(shè)計(jì)見圖1：

圖1.采樣電路設(shè)計(jì)

電路的合理布局可以減少干擾，提高電磁兼容性。根據(jù)電路的功能，分析各模塊的干擾源和敏感信號，進(jìn)行特殊處理。

印刷板布線時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1.保持環(huán)路面積最小，如電源與地面之間形成的環(huán)路，減少環(huán)路面積，減少電磁干擾在電路上的感應(yīng)電流，電源線盡可能靠近地線，減少模具差輻射的環(huán)路面積，減少干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)導(dǎo)線緊密放置在一起，用粗導(dǎo)線連接，信號線靠近地平面布線可以減少干擾。在電源和地面之間增加高頻濾波器電容器。

2.盡量縮短導(dǎo)線長度，減少印刷板面積，減少導(dǎo)線干擾。

3.采用完整的地平面設(shè)計(jì)，采用多層板設(shè)計(jì)，鋪設(shè)地層，方便干擾信號泄漏。

4.遠(yuǎn)離機(jī)箱面板、把手、螺釘?shù)瓤赡芊烹姷碾娮釉?，保持外殼與地面的良好接觸，為干擾提供良好的排放通道。處理敏感信號，減少干擾。

5.盡量使用貼片組件，貼片組件的電磁兼容性比直接插件要好得多。

6.在PCB與外界的連接處模擬和數(shù)字接地。

7.高速邏輯電路應(yīng)靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器應(yīng)布置在遠(yuǎn)離連接器的地方，中速邏輯電路應(yīng)布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

8.電路板上的印刷線寬度不得突變，拐角應(yīng)為弧形，不得為直角或尖角。

9.時(shí)鐘線.信號線盡量靠近地線，線路不宜過長，以減少回路的環(huán)面積。

三、系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)

印制板設(shè)計(jì)出來后，進(jìn)行試制，焊接調(diào)試，系統(tǒng)裝機(jī)，考慮電磁兼容設(shè)計(jì)因素，機(jī)柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面：

1、機(jī)柜選用電磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地對系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

2、總電源進(jìn)線選用屏蔽電源線，并加磁環(huán)，屏蔽層在進(jìn)入機(jī)柜處360度接地。

3、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線，屏蔽層機(jī)柜入口處良好接地。

4、設(shè)備外殼就近接機(jī)柜，避免交叉。

5、系統(tǒng)設(shè)置隔離變壓器和ups，保證系統(tǒng)供應(yīng)純凈電源。

6、嚴(yán)格將電源線和信號線分開，設(shè)備外殼的各個(gè)面之間和各個(gè)板子面板之間要良好接觸，接觸電阻要小于0.4歐，越小越好，保證設(shè)備外殼良好接大地，這樣在有靜電釋放時(shí)，不會影響到系統(tǒng)的正常工作。

四、系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

接地是最有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。

1、地線的概念

安全接地包括保護(hù)接地和防雷接地。

保護(hù)接地為產(chǎn)品的故障電流進(jìn)入大地提供一個(gè)低阻抗通道；

防雷接地提供泄放大電流的通路；

參考接地為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平，為電源和信號提供基準(zhǔn)電位。

安全接地是為了當(dāng)出現(xiàn)一些電氣異常時(shí)，為大電流和高電壓提供一個(gè)泄放的回路，主要是對電路的一種保護(hù)措施。參考地主要是信號地和電源地，是保證電路實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。

2、接地方式

懸浮接地對一個(gè)獨(dú)立的與外部沒有接口的系統(tǒng)來說一般也沒有什么問題，但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線，那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響，所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。

單點(diǎn)接地當(dāng)f《1MHz時(shí)可以選擇單點(diǎn)接地，可分為并聯(lián)單點(diǎn)接地和多級電路串聯(lián)單點(diǎn)接地兩種。

并聯(lián)單點(diǎn)接地：每個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上，每個(gè)單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連。

多級電路的串聯(lián)單點(diǎn)接地：將具有類似特性的電路的地連接在一起，形成一個(gè)公共點(diǎn)，然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地。

多點(diǎn)接地當(dāng)f》10MHz時(shí)會采用多點(diǎn)接地。設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點(diǎn)。

單點(diǎn)接地各電路接在同一點(diǎn)，提供公共電位參考點(diǎn)，沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路，但對高頻信號存在較大的地阻抗。多點(diǎn)接地為就近接地，每條地線可以很短，提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據(jù)實(shí)際需要選用哪種接地方法。

混合接地是綜合單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)，對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地，對系統(tǒng)中高頻部分采用多點(diǎn)接地。

信號線屏蔽接地有高頻和低頻之分，高頻采用多點(diǎn)接地，低頻電纜采用單點(diǎn)接地。低頻電場屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地，低頻磁場屏蔽要求在兩端接地。多點(diǎn)接地，除在兩端接地外，并以3/20或1/10工作波長的間隔接地。

系統(tǒng)做到良好接地，才能有效的抑制電磁干擾，一個(gè)大的系統(tǒng)機(jī)柜首先要保證每個(gè)面接觸良好，接觸緊湊，其次是機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地，避免二次干擾，就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進(jìn)行環(huán)接，再就近接機(jī)架。機(jī)柜下方設(shè)置接地銅排，系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好，對電磁干擾進(jìn)行很好的泄放，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

電磁兼容測試

系統(tǒng)功能測試，滿足現(xiàn)場功能需要后，進(jìn)行電磁兼容測試，電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈沖、浪涌、射頻場傳導(dǎo)等

1、靜電放電抗擾度檢測

參與了幾個(gè)項(xiàng)目的靜電抗擾度檢測，對靜電有一定認(rèn)識。靜電分為接觸放電和空氣放電，靜電是積累的高壓，當(dāng)接觸到設(shè)備的金屬外殼時(shí)會瞬間放電，會影響到電子設(shè)備的正常工作，可能引起設(shè)備故障或重啟，在安全性要求較好的場合這是不允許的。

靜電會影響顯示效果，可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏，影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常，程序死機(jī)或重啟。

如果在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計(jì)，做靜電試驗(yàn)不必過分擔(dān)心，通過設(shè)計(jì)，對靜電積累的電荷進(jìn)行良好的泄放，不會影響系統(tǒng)的正常工作。

2、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測

電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設(shè)備上，觀察設(shè)備是否受到其影響。防護(hù)群脈沖主要的方法是“疏導(dǎo)”“堵”，“疏導(dǎo)”就是提供泄放回路，是干擾在進(jìn)入系統(tǒng)之前，泄放至大地，良好的屏蔽層接地，可以泄放大部分動(dòng)干擾，“堵”是使群脈沖濾除在設(shè)備之外，增加磁環(huán)，效果明顯，封閉磁環(huán)的效果好于對扣磁環(huán)，也可以將磁環(huán)加入到板級中，固定在印制板中，這樣使設(shè)備更可靠。

對電源線、信號線、通訊線兩端增加磁環(huán)，可以對群脈沖干擾進(jìn)行防護(hù)。

3、雷擊浪涌抗擾度檢測

雷擊浪涌主要包含兩個(gè)方面，一個(gè)是電源防雷，一個(gè)是信號防雷。

電源防雷主要是針對系統(tǒng)級而言的，系統(tǒng)級設(shè)計(jì)要按照三級防雷設(shè)計(jì)，總電源進(jìn)入端設(shè)置電源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH385），可以對系統(tǒng)的電源進(jìn)行一級防護(hù)，電源經(jīng)過電源防雷后，進(jìn)入隔離變壓器，隔離變壓器可以對電磁干擾信號進(jìn)行較好的防護(hù)，抑制其對系統(tǒng)的影響。后進(jìn)入U(xiǎn)PS，UPS可以濾除一部分干擾信號，這樣電源再進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備，電源是一種純凈的電源，可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作。

信號防雷是對系統(tǒng)的信號通路進(jìn)行防護(hù)，主要涉及的是板級設(shè)計(jì)，在板級設(shè)計(jì)中增加防雷器件，如氣體放電管，增加TVS泄放回路，當(dāng)有大電流時(shí)通過配套電阻和TVS、氣體放電管泄放，對后級電路起到保護(hù)作用。而后信號進(jìn)行光電隔離，再進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以采集到一個(gè)穩(wěn)定的信號，使系統(tǒng)正常分析判斷，正常發(fā)出指令，正常工作。另一方面就是設(shè)計(jì)較寬的信號范圍，信號正常波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)正常工作。