安規(guī)和EMC的關(guān)系

前言

經(jīng)常聽到某些產(chǎn)品需要各種各樣的認(rèn)證，或者在產(chǎn)品標(biāo)簽上看到各種認(rèn)證的標(biāo)簽貼紙。例如，中國強制性的3C認(rèn)證，另有美國的UL、歐洲CE等。這些認(rèn)證既需要對產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)進行測試，也需要對安規(guī)和EMC進行測試。本文將講解安規(guī)和EMC的測試內(nèi)容，使工程師在設(shè)計時，能夠有目的地設(shè)計。一個產(chǎn)品的安規(guī)和EMC問題，不僅僅是PCB工程師的職責(zé)，也是結(jié)構(gòu)工程師的職責(zé)(輻射發(fā)射、輻射抗擾度、靜電）。安規(guī)和EMC是一項系統(tǒng)工程，不能僅靠在測試中整改，而應(yīng)貫穿需求分析、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。

何為安規(guī)、EMC

安規(guī)主要是對產(chǎn)品安全性方面的測試和要求，例如阻燃性、絕緣性、漏電、防塵防水等。

EMC（Electromagnetic Compatibility）電磁兼容性，指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）電磁干擾+EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾。如果是非高頻和射頻設(shè)備，EMC主要是電源方面的EMI（輻射 和傳導(dǎo)）問題。

設(shè)計前的準(zhǔn)備

《產(chǎn)品需求說明書》：明確產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)、安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和EMC標(biāo)準(zhǔn)。

安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)文件

EMC標(biāo)準(zhǔn)文件

1、EMC的基本測試項目

上面是EMC的所有項目：

輻射RE(Radiated Emission）:測試場地要求比較高，一般使用EMC暗室代替開闊場地測量。EMC暗室只有地面為反射面，其他面都安裝吸波材料，測試時，人員等不在暗室內(nèi)，防止有干擾。輻射測量的信號在30MHz-1GHz。注意頻率，在150KHz～30MHz的干擾信號主要通過傳導(dǎo)泄漏，輻射量比較?。ㄔ蚴切盘柌ㄩL有關(guān)）。

傳導(dǎo)CE（Conducted Emission）：傳導(dǎo)測量信號頻率在150KHz-30MHz。試驗前，接好所有線纜（電源、通信、IO等），待設(shè)備工作正常穩(wěn)定后，測試線纜上的傳導(dǎo)騷擾。

諧波（Harmonics）：設(shè)備工作時，向電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娫锤叽沃C波的強度。難點

電源閃爍（Flickers）：

靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放電和間接放電。直接放電時對產(chǎn)品直接打靜電，模擬的是人體和其他帶電設(shè)備對產(chǎn)品進行放電時的情況。直接放電分為：接觸放電、空氣放電。產(chǎn)品外殼是金屬部分的，需要放電槍直接接觸金屬部位，塑料外殼需要空氣放電。間接放電比較有意思，把設(shè)備放在水平耦合板和垂直耦合板間，放電槍在耦合板上接觸放電，這樣在耦合板上就會形成電場，對設(shè)備進行干擾。

輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天線對設(shè)備進行輻射發(fā)射，測試。

電快速瞬變脈沖群EFT/B：設(shè)備附近或者設(shè)備所處的電網(wǎng)中，有感性負(fù)載切斷時，產(chǎn)生的脈沖。使用耦合板耦合在通訊和電源線上，脈沖群的能量會耦合到線纜上，產(chǎn)生電荷積累，對于沒有大地的設(shè)備（浮地系統(tǒng)），積累到一定程度，會導(dǎo)致數(shù)字邏輯電平錯亂、設(shè)備損壞等。

浪涌試驗（Surge）：對電源和信號都需要做浪涌測試。浪涌的能量遠(yuǎn)大于脈沖群和靜電。干擾頻率寬度比較窄。一般使用壓敏電阻和保險電阻抑制。

傳導(dǎo)騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）：

工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工頻磁場（例如大型變壓設(shè)備）下對設(shè)備的影響，主要影響設(shè)備中的一些磁性設(shè)備，如線圈、霍爾器件。

電壓跌落/短時中斷DIP/interruptions：指設(shè)備所在的電網(wǎng)中突然接入大功率設(shè)備，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓變低對設(shè)備的影響。IEEE中定義，電網(wǎng)電壓跌落10%~90%，持續(xù)10ms-1min后恢復(fù)正常。電網(wǎng)短路一般跌落幅度30%，輸電線在絕緣子處發(fā)生閃絡(luò)，或?qū)Φ胤烹?，一般跌落幅?0%。跌落、短時中斷都會導(dǎo)致繼電器復(fù)位、通訊錯亂、不顯示、設(shè)備復(fù)位等，需要添加大電容進行儲能，扛過中斷和跌落。

詳細(xì)解釋參考閱讀：EMC常見測試項目

2、產(chǎn)品對EMC的標(biāo)準(zhǔn)要求？

中國強制3C認(rèn)證，美國的UL、歐洲CE等。標(biāo)準(zhǔn)中對不同類型的產(chǎn)品有不同的等級，例如靜電有6kV、8kV、12kV、15kV等級別，按照具體需求進行EMC試驗。

3、產(chǎn)品EMC整改的思路？

要分析上述11中測試中，如何進行設(shè)計，才能提出如何整改。

輻射RE(Radiated Emission）?

根源：EMI是高頻電流回路形成。走線長度大于波長的1/20，就會成為天線。

測試：在內(nèi)部可以先對設(shè)備進行測試，使用頻譜儀，在設(shè)備開機和關(guān)機時各測試一次，結(jié)果相減，去除環(huán)境噪聲的影響。在設(shè)備內(nèi)部，使用近場探頭，追蹤定位EMI的源。另外，瞬態(tài)EMI可能不好測試，但可能會引起復(fù)位、死機、通訊錯誤等。

消除：傳播路徑、源頭方面考慮。

源頭：層疊設(shè)計、地平面的完整（布局、走線）、電源濾波、布線（阻抗連續(xù)）、提高頻信號上升沿和下降沿的時間。

傳導(dǎo)CE（Conducted Emission）

諧波（Harmonics）

電源閃爍（Flickers）

靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：?

輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）

電快速瞬變脈沖群EFT/B：?

浪涌試驗（Surge）：?

傳導(dǎo)騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）

工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：?

電壓跌落/短

4、產(chǎn)品整改時常用元器件的使用？

共模電感

共模電感用于抑制共模干擾（指在兩根信號線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲）。注意，下圖中的繞線方向。

當(dāng)共模干擾從左向右經(jīng)過時，根據(jù)右手螺旋法則，可以知道上面的線，產(chǎn)生的磁場是繞著鐵氧體順時針，下面的線，一樣。這樣，兩個線圈就會產(chǎn)生比較大的感抗，阻礙共模干擾信號的流出。

當(dāng)正常信號經(jīng)過時，例如電流，上面的線是電源正，下面的線是電源負(fù)，上面的線電流從左到右走，下面的線從右到左走。這樣，兩個線圈會產(chǎn)生方向相反的磁場，并抵消掉。所以，電感主要表現(xiàn)出阻抗。

共模電感在選用時，應(yīng)考慮

瞬時大電流經(jīng)過時，磁芯會不會飽和，要選用電流合適的共模電感。

高電壓經(jīng)過時，漆包線的絕緣漆會不會被擊穿。漆包線的耐壓應(yīng)該要測試，不能全信供應(yīng)商。

線圈要盡可能單層，減小線圈的寄生電容。

共模電感的抑制頻率。主要根據(jù)使用環(huán)境中的共模干擾頻率決定。

由于繞線不能完全封閉，會產(chǎn)生部分差模電感，有時需要人為增加此部分差模電感，抑制差模干擾。

電感

電感可以抑制高頻信號，其等效電路如下：

電感量越大，其分布電容也越大，導(dǎo)致其對高頻信號的抑制作用降低，所以，電感的電感量是隨著信號的頻率變化的，在某個頻率點，阻抗才會達到最大。在選型時，應(yīng)該查看其頻率電感特性曲線。

電感量越大，其諧振頻率越低。也就是說，其分布電容諧振在這個頻率點對交流的直通作用，抵消了電感的阻抗。

如果我們還要對抑制頻率進一步提高，那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍，因此，磁珠比單圈電感線圈的工作頻率更高。

磁珠

磁珠是鐵氧體材料，高頻流過時，由于高感抗，轉(zhuǎn)化成熱能，低頻信號可以經(jīng)過。與普通電感相比，具有更好的高頻抑制效果。

磁珠廣泛應(yīng)用在電源、信號線路上，可以抑制靜電脈沖等。磁珠的單位是歐姆，可以在datasheet上查看頻率阻抗特性曲線圖，比如100MHz的頻率下，阻抗位1000歐姆，通常選用600歐姆阻抗以上的。另外，需要降額80%使用，另外，用在電源線路上，應(yīng)考慮直流阻抗產(chǎn)生的壓降。

一般磁環(huán)居里溫度110℃，達到這一溫度以后立刻失去磁性，有如空氣介質(zhì)一般；恢復(fù)室溫以后，磁性能發(fā)生了永久性改變，磁導(dǎo)率降低了10%。所以，在大功率電路中應(yīng)用時，應(yīng)該考慮這種可能出現(xiàn)的溫度環(huán)境，放置器件失效。

濾波電容

濾波電容在高頻應(yīng)用時，應(yīng)考慮其諧振（同物理意義上的共振）。對于高頻噪聲提供一個旁路，流通到地。

普通陶瓷電容的電容量會隨著溫度的變化而變化，但穿心電容更接近理想電容，在數(shù)百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心電容怕高溫和溫度沖擊，所以在焊接時，容易造成損壞。另外，穿心電容是三端電容：入、出、地。

5、EMC設(shè)計如何在設(shè)計過程的各階段開展？

電路設(shè)計（包括器件選型）、軟件設(shè)計、線路板設(shè)計、屏蔽結(jié)構(gòu)、信號線電源線濾波、電路接地方式。

Tips：電磁兼容領(lǐng)域，要描述的幅度和頻率范圍都很寬，在圖形上用對數(shù)坐標(biāo)更容易表示，而 dB 就是用對數(shù)表示。

對于功率，dB=10log()，對于電壓和電流，dB=20log()。

例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB ??X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB ? ??減法：10dB-5dB，實際就是兩個數(shù)值的相除，例如信噪比。

如何設(shè)計好EMC:

設(shè)計人員的水平

公司EMC設(shè)計規(guī)范

公司EMC負(fù)責(zé)人

在設(shè)計前期解決EMC問題

系統(tǒng)流程法(System Flow Method)

系統(tǒng)流程法，即主要在研發(fā)流程中融入 EMC 設(shè)計理念，在產(chǎn)品設(shè)計的各個階段進行 EMC 設(shè)計控制，把可能出現(xiàn)的 EMC 問題在研發(fā)前期進行考慮；設(shè)計過程中主要
從產(chǎn)品的電路（原理圖、PCB 設(shè)計），結(jié)構(gòu)與電纜，電源模塊，接地等方面系統(tǒng)考慮 EMC 問題，針對可能出現(xiàn) EMC 問題進行前期充分考慮，從而確保產(chǎn)品樣品出來后能夠一次性通過測試與認(rèn)證！

產(chǎn)品總體方案設(shè)計

產(chǎn)品詳細(xì)方案設(shè)計

產(chǎn)品原理圖設(shè)計

產(chǎn)品PCB設(shè)計

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品初樣試裝

產(chǎn)品EMC摸底驗證

產(chǎn)品認(rèn)證

設(shè)計Tips

1、設(shè)計階段進行EMC設(shè)計，成本和效果是最好的。

2、高頻電流環(huán)路面積越大，EMI越嚴(yán)重。高頻信號電流流經(jīng)電感最小路徑。當(dāng)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(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)之元器件過長的插腳。

3、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。