電子產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的基本概念以及預(yù)防控制方法解析

在全球市場(chǎng)化和國(guó)際貿(mào)易更加頻繁的今天，如果電子產(chǎn)品EMC指標(biāo)不符合國(guó)際和使用國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就被列入不合格產(chǎn)品，無(wú)法出售，更談不上電子產(chǎn)品的價(jià)值。今天我們就講一下EMC設(shè)計(jì)及預(yù)防控制手段等各種相關(guān)知識(shí)。

有過(guò)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的朋友，可能都有過(guò)深刻而痛苦的體會(huì)，辛辛苦苦設(shè)計(jì)好所有產(chǎn)品工作，等到做好樣機(jī)時(shí)機(jī)時(shí)，要么電磁輻射超標(biāo)，要么旁邊突然有人打個(gè)手機(jī)，設(shè)備莫名其妙的“掛”了，出現(xiàn)各種異常、宕機(jī)、嚴(yán)重的直接冒煙而這一切的根本原因則是EMC設(shè)計(jì)沒(méi)有做好，EMC設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)品可靠性重要的一部份。

1 什么是EMC？

電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）：

是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并且并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。

因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：

一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；

另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

所以引申出兩種概念：

1.電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference）

電磁干擾導(dǎo)致電子設(shè)備相互影響，并引起不良后果的一種電磁現(xiàn)象。

2.電磁敏感性EMS（Electromagnetic Susceptibility）

設(shè)備暴露在電磁環(huán)境下所呈現(xiàn)的不希望有的響應(yīng)程度。即設(shè)備對(duì)周圍電磁環(huán)境敏感程度的度量。電磁敏感意味著電磁環(huán)境已經(jīng)造成設(shè)備性能的降低。

2 EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2.1選用合適結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計(jì)；

要使產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性，需要專門考慮與電磁兼容相關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。電磁兼容設(shè)計(jì)一般包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

1）接地

許多電磁干擾問(wèn)題是由地線產(chǎn)生的，因?yàn)榈鼐€電位是整個(gè)電路工作的基準(zhǔn)電位，如果地線設(shè)計(jì)不當(dāng)，地線電位就不穩(wěn)，就會(huì)導(dǎo)致電路故障。地線設(shè)計(jì)的目的是要保證地線電位盡量穩(wěn)定，從而消除干擾現(xiàn)象。

2）布板

無(wú)論設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾發(fā)射還是受到外界干擾的影響，或者電路之間產(chǎn)生相互干擾，線路板都是問(wèn)題的核心，因此設(shè)計(jì)好線路板對(duì)于保證設(shè)備的電磁兼容性具有重要的意義。線路板設(shè)計(jì)的目的就是減小線路板上的電路產(chǎn)生的電磁輻射和對(duì)外界干擾的敏感性，減小線路板上電路之間的相互影響。

3）屏蔽

對(duì)于大部分設(shè)備而言，屏蔽都是必要的。特別是隨著電路工作的頻率日益提高，單純依靠線路板設(shè)計(jì)往往不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。產(chǎn)品的屏蔽設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有許多不同之處，一般如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮電磁屏蔽的要求，很難將屏蔽效果加到產(chǎn)品上。所以，對(duì)于現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，必須從開(kāi)始就考慮屏蔽的問(wèn)題。

屏蔽主要用于切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，這三種耦合又對(duì)應(yīng)于靜電屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽與電磁屏蔽，衡量屏蔽的質(zhì)量采用屏蔽效能這一指標(biāo)。

電磁波經(jīng)過(guò)一種材料會(huì)產(chǎn)生如下3種情況：

反射、吸收和透過(guò)。

所以屏蔽材料必須擁有反射或吸收的特性。

目前主流的電磁屏蔽解決方案材料有：

不銹鋼、銅箔、鋁箔、導(dǎo)電涂料、電磁波吸收材料（鐵氧體、鎳粉、碳黑、羰基鐵等）。

屏蔽是結(jié)構(gòu)工程師對(duì)電子產(chǎn)品是一種非常實(shí)用的手段，特別是消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如手機(jī)，用的非常多，下面就舉一些實(shí)例：

3.1）金屬屏蔽罩：

3.2）銅箔屏蔽：

3.3）電磁屏蔽氈

3.4）電鍍導(dǎo)電屏蔽層

3.5）鎂合金外殼

鎂合金是功能化與結(jié)構(gòu)化相結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能，又能實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)承重的帶有“智能化”特性的屏蔽材料。但這種方法對(duì)電磁屏蔽作用存在一定的爭(zhēng)議，暫時(shí)不要將其做主要方法。

4.濾波

對(duì)于任何設(shè)備而言，濾波都是解決電磁干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。因?yàn)樵O(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線，因此，設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射發(fā)射都是通過(guò)各種導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)的，而外界干擾往往也是首先被導(dǎo)線接收到，然后串入設(shè)備的。濾波的目的就是消除導(dǎo)線上的這些干擾信號(hào)，防止電路中的干擾信號(hào)傳到導(dǎo)線上，借助導(dǎo)線輻射，也防止導(dǎo)線接收到的干擾信號(hào)傳入電路。

手段：如采用濾波元器件。

當(dāng)然，這幾種設(shè)計(jì)會(huì)通常會(huì)混合使用，以求達(dá)到EMC測(cè)試要求。

因?yàn)楦餍袠I(yè)對(duì)EMC的要求會(huì)有很大不同，所采用的主要手段也大不相同，如作者所見(jiàn)車用電子產(chǎn)品采用金屬屏蔽罩的就較少，而智能手機(jī)卻有一堆。所以建議對(duì)比標(biāo)桿產(chǎn)品，選用合適的EMC結(jié)構(gòu)。這里切記自性心爆棚，隨意跨行業(yè)選用EMC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有利有弊的。

2.2選用此種EMC結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；

EMC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)是很少，作者所見(jiàn)的EMC文檔資料多為參考性質(zhì)，如上述的實(shí)例所示。設(shè)計(jì)時(shí)需要具體精確到EMC結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，并在此結(jié)構(gòu)范圍下再次細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)的尋找，直到找到最小特征的標(biāo)準(zhǔn)為止。

如采用金屬屏蔽罩結(jié)構(gòu)，選用合適供應(yīng)商之后，可參考供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)，如：

3.照章辦事；

3.1耐心解讀標(biāo)準(zhǔn)；

因?yàn)镋MC結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)不完善，就算是好的供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)也很難說(shuō)是正確完美的，所以通讀、理解、梳理這些不完善的標(biāo)準(zhǔn)很需要耐心和專業(yè)素養(yǎng)。

3.2.作圖；

材質(zhì)，尺寸與公差，測(cè)試等要求，都是要在圖紙上表現(xiàn)。規(guī)范的圖紙是實(shí)力的體現(xiàn)。

3.3計(jì)算書；

EMC基本上以測(cè)試為準(zhǔn)，但有些EMC細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)需要公差控制，所以對(duì)應(yīng)公差分析的計(jì)算書是需要的。

4.特征優(yōu)化：書面形式的上升空間；

以書面形式表達(dá)EMC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以寫在計(jì)算書中。

EMC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向有：

4.1EMC設(shè)計(jì)方法的更換：依據(jù)DFA原則，更少的零件能減少裝配時(shí)間，增加可靠性。所以若能用布板的方式達(dá)到EMC控制的效果，就不需要采用金屬屏蔽罩。其他如鎂合金的金屬外殼也可以考慮代替塑膠殼+導(dǎo)電布等。

4.2零件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化：如合理的布板能簡(jiǎn)化金屬屏蔽罩的結(jié)構(gòu)。

4.3材料成本：如噴涂導(dǎo)電粉時(shí)是否一定要用銀粉，是否能用銅粉，或用其他EMC設(shè)計(jì)手段替代，和4.1有些重復(fù)。
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