電磁兼容EMC設計及測試技巧（一）

針對當前嚴峻的電磁環(huán)境，分析了電磁干擾的來(lái)源，通過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的分解，融入電磁兼容設計，從原理圖設計、PCB設計、元器件選型、系統布線(xiàn)、系統接地等方面逐步分析，總結概括電磁兼容設計要點(diǎn)，*后，介紹了電磁兼容測試的相關(guān)內容。

當前，日益惡化的電磁環(huán)境，使我們逐漸關(guān)注設備的工作環(huán)境，日益關(guān)注電磁環(huán)境對電子設備的影響，從設計開(kāi)始，融入電磁兼容設計，使電子設備更可靠的工作。

電磁兼容設計主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、脈沖磁場(chǎng)抗擾度、傳導騷擾、輻射騷擾、射頻場(chǎng)感應的傳導抗擾度等相關(guān)設計。

電磁干擾的主要形式

電磁干擾主要是通過(guò)傳導和輻射方式進(jìn)入系統，影響系統工作，其他的方式還有共阻抗耦合和感應耦合。

傳導：傳導耦合即通過(guò)導電媒質(zhì)將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上，屬頻率較低的部分（低于30MHz）。在我們的產(chǎn)品中傳導耦合的途徑通常包括電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、互連線(xiàn)、接地導體等。

輻射：通過(guò)空間將一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的騷擾耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上，屬頻率較高的部分（高于30MHz）。輻射的途徑通過(guò)空間傳遞，在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導線(xiàn)形成的天線(xiàn)效應。

共阻抗耦合：當兩個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)出現的相互干擾。在電源線(xiàn)和接地導體上傳導的騷擾電流，多以這種方式引入到敏感電路。

感應耦合：通過(guò)互感原理，將在一條回路里傳輸的電信號，感應到另一條回路對其造成干擾。分為電感應和磁感應兩種。

對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波（如我們設計中每個(gè)IC的片頭電容就是起濾波作用），輻射干擾采用減少天線(xiàn)效應（如信號貼近地線(xiàn)走）、屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。

電磁兼容設計

對于一個(gè)新項目的研發(fā)設計過(guò)程，電磁兼容設計需要貫穿整個(gè)過(guò)程，在設計中考慮到電磁兼容方面的設計，才不致于返工，避免重復研發(fā)，可以縮短整個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間，提高企業(yè)的效益。

一個(gè)項目從研發(fā)到投向市場(chǎng)需要經(jīng)過(guò)需求分析、項目立項、項目概要設計、項目詳細設計、樣品試制、功能測試、電磁兼容測試、項目投產(chǎn)、投向市場(chǎng)等幾個(gè)階段。

在需求分析階段，要進(jìn)行產(chǎn)品市場(chǎng)分析、現場(chǎng)調研，挖掘對項目有用信息，整合項目發(fā)展前景，詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境，實(shí)地考察安裝位置，是否對安裝有所限制空間，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕、潮濕、高溫等，周?chē)O備的工作情況，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否受限與其他設備，產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效率，或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來(lái)很大的方便，操作使用方式能否容易被人們所接受，這就要求項目產(chǎn)品要滿(mǎn)足現場(chǎng)功能需要、易于操作等，*后要整理詳細的需求分析報告，以供需求評審。

經(jīng)過(guò)企業(yè)內部相關(guān)負責人的評審之后，完善需求分析報告，然后是項目立項，項目立項需要組建項目組，把軟件、硬件、結構、測試等人員安排到項目組中，分配各自的職責。項目開(kāi)發(fā)的下一階段是項目概要設計，將項目分解成多個(gè)功能模塊，運用WBS分解結構對項目進(jìn)行功能分解細化，根據工作量安排時(shí)間，安排具體人員。整理項目概要設計報告，總體對項目進(jìn)行評估，確定使用電源類(lèi)型，電源分布情況，電源隔離濾波方式，系統接地方式，產(chǎn)品屏蔽，產(chǎn)品結構采用屏蔽設計，采用屏蔽機箱機殼，分析信號類(lèi)型，對雷電、靜電、群脈沖等干擾采取防護措施。

產(chǎn)品概要設計報告出來(lái)后要經(jīng)過(guò)相關(guān)人員評審，分析實(shí)現方式是否合理，實(shí)施方案是否可行，由評審人員給出評審報告，項目組結合評審報告對概要設計進(jìn)行修改后，進(jìn)入產(chǎn)品詳細設計階段，這階段的內容包括原理圖設計、PCB設計、PCB采購及焊接、軟件編寫(xiě)、功能調試等過(guò)程，原理圖設計應考慮到電磁兼容方面的影響，對板級電源增加濾波電容，對信號的接口部分增加濾波電路，根據信號類(lèi)型，選擇合適的濾波電路，若信號為低頻型號，應選擇低通濾波電路，計算合適的截至頻率，選擇對應的電阻、電容等。另對接口部分設計大電流泄放回路，設置防雷器件，做到第三級的防雷。

一、元器件選型

我們常用的電子器件主要包括有源器件和無(wú)源器件兩種類(lèi)型，有源器件主要指IC和模塊電路等器件，無(wú)源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下面分別對這兩種類(lèi)型元件的選型、在電磁兼容方面要考慮的問(wèn)題做一些介紹。

有源器件EMC選型

工作電壓寬的EMC特性好，工作電壓低的EMC特性好，在設計允許的范圍內延時(shí)大（通常所說(shuō)的速度慢）特性好一些，靜態(tài)電流小、功耗小的比大的特性好，貼片封裝的器件的EMC性能好于插裝器件。

無(wú)源器件選型

無(wú)源器件在我們的應用中通常包括電阻、電容、電感等，對于無(wú)源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數。

無(wú)源器件在某些頻率下，會(huì )表現出不同特性，一些電阻在高頻時(shí)擁有電感的特性，如線(xiàn)繞電阻，電解電容的低頻特性好，高頻特性差，而薄膜電容和瓷片電容高頻特性較好，但通常容量較小?？紤]溫度對元器件的影響，根據設計原理，選用各種溫度特性的器件。

二、印制板設計

印制板設計時(shí)，要考慮到干擾對系統的影響，將電路的模擬部分和數字部分的電路嚴格分開(kāi)，對核心電路重點(diǎn)防護，將系統地線(xiàn)環(huán)繞，并布線(xiàn)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，設計隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分（如時(shí)鐘電路、通訊電路等）和容易被  干擾的部分（如模擬采樣電路等），對這兩種類(lèi)型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護措施，并且將它們在空間和電氣上拉開(kāi)距離。在板級設計時(shí)，還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿，這對防護空氣放電是有利的。

采樣電路的原理圖設計參見(jiàn)圖1：

圖1：采樣電路設計。

電路的合理布局可以降低干擾，提高電磁兼容性能。按照電路的功能劃分若干個(gè)功能模塊，分析每個(gè)模塊的干擾源與敏感信號，以便進(jìn)行特殊處理。

印制板布線(xiàn)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：

1、保持環(huán)路面積*小，例如電源與地之間形成的環(huán)路，減小環(huán)路面積，將減小電磁干擾在此回路上的感應電流，電源線(xiàn)盡可能靠近地線(xiàn)，以減小差模輻射的環(huán)面積，降低干擾對系統的影響，提高系統的抗干擾性能。并聯(lián)的導線(xiàn)緊緊放在一起，使用一條粗導線(xiàn)進(jìn)行連接，信號線(xiàn)緊挨地平面布線(xiàn)可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。

2、使導線(xiàn)長(cháng)度盡可能的縮短，減小了印制板的面積，降低導線(xiàn)上的干擾。

3、采用完整的地平面設計，采用多層板設計，鋪設地層，便于干擾信號泄放。

4、使電子元件遠離可能會(huì )發(fā)生放電的平面如機箱面板、把手、螺釘等，保持機殼與地良好接觸，為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理，降低干擾。

5、盡量采用貼片元器件，貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。

6、模擬地與數字地在PCB與外界連接處進(jìn)行一點(diǎn)接地。

7、高速邏輯電路應靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器則應布置在遠離連接器處，中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

8、電路板上的印制線(xiàn)寬度不要突變，拐角應采用圓弧形，不要直角或尖角。

9、時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)也盡可能靠近地線(xiàn)，并且走線(xiàn)不要過(guò)長(cháng)，以減小回路的環(huán)面積。

三、系統布線(xiàn)設計

印制板設計出來(lái)后，進(jìn)行試制，焊接調試，系統裝機，考慮電磁兼容設計因素，機柜結構、線(xiàn)纜設計需要注意以下幾個(gè)方面：

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

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

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

4、設備外殼就近接機柜，避免交叉。

5、系統設置隔離變壓器和ups，保證系統供應純凈電源。

6、嚴格將電源線(xiàn)和信號線(xiàn)分開(kāi)，設備外殼的各個(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，保證設備外殼良好接大地，這樣在有靜電釋放時(shí)，不會(huì )影響到系統的正常工作。

四、系統接地設計

接地是*有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問(wèn)題。系統基準地與大地相連，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(xiàn)的概念

**接地 包括保護接地和防雷接地。

保護接地 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)品穩定可靠工作提供參考電平，為電源和信號提供基準電位。

**接地是為了當出現一些電氣異常時(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措施。參考地主要是信號地和電源地，是保證電路實(shí)現功能的基礎。

2、接地方式

懸浮接地 對一個(gè)獨立的與外部沒(méi)有接口的系統來(lái)說(shuō)一般也沒(méi)有什么問(wèn)題，但是如果該系統與其他的系統之間存著(zhù)接口如通訊口和采樣線(xiàn)，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(lèi)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f》10MHz時(shí)會(huì )采用多點(diǎn)接地。 設備中的電路都就近以接地母線(xiàn)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(méi)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(xiàn)可以很短，提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據實(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)，對系統中的低頻部分采用單點(diǎn)接地，對系統中高頻部分采用多點(diǎn)接地。

信號線(xiàn)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(chǎng)屏蔽要求在接收端單點(diǎn)接地，低頻磁場(chǎng)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(cháng)的間隔接地。

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