電磁兼容性(EMC)基礎知識科普

EMC概述(1)：什么是電磁兼容性(EMC)?

“電磁兼容性(EMC)”主要分為兩種，一種是設備本身的電磁噪聲對其他設備或人體帶來的影響(電磁干擾，EMI：Electromagnetic Interference, Emission)，另一種是設備是否會因來自外部的電磁干擾而發(fā)生誤動作(電磁敏感性EMS：Electromagnetic Susceptibility, Immunity)，之所稱為“電磁兼容性”，是由于為了避免發(fā)生故障，這兩方面都要兼顧。

以文字的形式寫成“定義”是這樣的，理解起來有點難是吧。下面我將淺顯易懂地、直觀地解釋一下。我將以大家熟悉的半導體集成電路(LSI、IC)為主角進行解說。

首先是電磁干擾(EMI或電磁發(fā)射)。如今，已經開發(fā)出并且在售的LSI和IC種類繁多。為了便于說明，大致分類如下：

①老式三端電源(7805和7905等)和低飽和電源(LDO)等直流電源相關產品。這些產品要處理的信號是直流(DC)的。

②差分運算放大器(運算放大器)、電壓比較器(比較器)、語音信號處理等相關的產品。要處理的信號是基于正弦波的模擬信號和線性信號。

③微控制器、存儲器、邏輯等相關的產品。要處理的信號是數字信號。

④最近常用的開關電源和電荷泵電源等電源相關的產品;LED驅動器、LCD驅動器等顯示相關的產品;PWM電機驅動器等驅動相關的產品。這些LSI和IC是涉及到開關技術的產品。

其中①和②不產生電磁干擾(EMI)，③和④產生電磁干擾(EMI)?？梢院唵蔚睦斫鉃槟MLSI和線性LSI不會產生電磁噪聲，而數字LSI和開關LSI會產生電磁噪聲，這樣說可能更直觀更易懂。

由于直流電壓本身沒有基波和諧波分量，正弦波中的高次諧波分量(基波的N倍頻分量)很少，因此不易產生電磁噪聲。而數字LSI和開關LSI是處理矩形波(脈沖波)的產品，因此會產生比如在1GHz(千兆赫茲)左右的高次諧波分量(主要是奇次諧波)。這就是“電磁干擾 (EMI)”的本來面目。換句話說，數字LSI和開關LSI所進行的電路工作會產生電磁干擾(EMI)。當然，其優(yōu)點是通過數字工作可實現高速、大規(guī)模的運算處理，通過低功耗工作可延長電池驅動時間。這些產品之所以能夠在世界范圍內被廣泛使用，因為它們的優(yōu)點大于缺點。

其次，電磁敏感性(EMS或電磁抗擾度)是半導體集成電路(LSI、IC)對電磁噪聲的抵抗能力，要求其足夠強以防止誤動作?？梢詮膬蓚€角度來看電磁敏感性(EMS)。

首先是從電壓軸的角度來思考。制造工藝越來越微細，電源電壓越來越低，這也就越來越容易導致誤動作。很久以前，5V邏輯IC是主流產品，但現在電源電壓為0.9V的產品并不少見。例如，在邏輯IC中，內部閾值電壓(IC內部區(qū)分H電平和L電平的電壓)已從2V降低到0.4V。5V邏輯IC受1V外部電磁噪聲的影響是不會產生誤動作的，而0.9V邏輯IC則很容易產生誤動作。盡管如此，仍然使用0.9V邏輯IC是因為其具有低功耗設計所需的優(yōu)點。

然后是從頻率軸的角度來思考。半導體集成電路(LSI、IC)不能以其單體的形式單獨工作，需要安裝在印刷電路板(PCB)上組成電路后執(zhí)行工作。在印刷電路板(PCB)上，包括LSI內部在內，存在很多與布線相關的寄生分量。簡單的有寄生電阻R(布線電阻)、寄生電容C(雜散電容)、寄生電感L(直流電感)等。經常聽到的比較有代表性的有ESR(Equivalent Series Resistance：等效串聯電阻)和ESL(Equivalent Series Inductance：效串聯電感)。而寄生分量中最麻煩的是電容分量和電感分量。這是因為存在于LSI內部和整個印刷電路板(PCB)的寄生電容C和寄生電感L會引發(fā)諧振現象。LC串聯諧振和并聯諧振可以發(fā)生在從低頻到高頻的各種頻率上。在這些諧振頻率上，阻抗會變?yōu)榱慊驘o窮大，從而形成容易發(fā)生誤動作的頻率。這也是需要很強的電磁敏感性(電磁抗擾度)的原因之一。之所以說是“之一”，是因為還有很多其他原因，比如容易誤動作的電路結構和電路板底片等。一般說來，相比電磁干擾(EMI)對策，針對電磁敏感性(EMS)的對策更難，原因是電磁敏感性(EMS)涉及到諸多因素，而要判明其中的哪一個因素是起主要作用的，就需要時間和技巧了。

接下來我想談談電磁噪聲的傳播路徑，但是放在這一篇文章里會顯得內容過多，所以我會在下一篇中進行講解。

EMC概述(2)：什么是電磁兼容性(EMC)?

您應該已經了解了電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)。在本文中我將介紹這些電磁噪聲的傳播路徑。正如在初級篇中已經介紹過的，電磁噪聲的傳播方式大致分為兩種：一種是傳導(Conducted)發(fā)射，通過印刷電路板(PCB)和印刷電路板(PCB)之間的布線等傳播;另一種是輻射(Radiated)發(fā)射，從測試對象(DUT)直接或以印刷電路板(PCB)的布線等為天線通過空間傳播。一般情況下，30MHz(兆赫茲)以下被視為傳導，30MHz以上被視為輻射。30MHz并非是明確的分隔線，理解為大致的參考線即可。因此，電磁兼容性(EMC)的物理現象大致可以分為以下四種：

電磁兼容性(EMC)

傳導發(fā)射　(CE：Conducted Emission)

輻射發(fā)射　(RE：Radiated Emission)

傳導抗擾度　(CI：Conducted Immunity)

輻射抗擾度　(RI：Radiated Immunity)

我曾介紹過設計時必須兼顧電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)，但作為物理現象，必須避免以上四種問題。這是一項非常艱巨的工作。事實上，在電磁兼容性(EMC)的國際標準中也是按照這個體系進行分類的。在客戶提供的采購規(guī)格書中，也按照上述分類規(guī)定了電磁兼容性(EMC)，并指定了更詳細的國際標準。

此外，每種產品都有電磁兼容性(EMC)國際標準，并且分別都有具有代表性的標準。簡單總結如下：

具有代表性的電磁兼容性(EMC)國際標準

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看到輻射和傳導的頻率條件時，可能會有人會想“誒？這是怎么回事？”雖然我在前面提到作為一個“參考標準”，“一般情況下，30MHz（兆赫茲）以下被視為傳導，30MHz以上被視為輻射”，然而，在實際的國際標準中，有很多標準將1GHz以下規(guī)定為傳導，也有些標準將150KHz以上規(guī)定為輻射?？梢岳斫鉃?，傳導測試中之所以規(guī)定了超過30MHz的測試，其實是測量范圍不僅包括純粹的傳導分量，還包括部分高頻段的輻射分量（通過傳導測試電路進行測試）。此外，將上限頻率提到更高作為自有標準進行標準化的客戶也不在少數。

這些國際標準每幾年會修訂一次。這是因為當發(fā)生由電磁兼容性（EMC）問題導致的嚴重事件時，與其他法律法規(guī)一樣，為了防止此類事件再次發(fā)生，就需要由國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）等相應的組織進行討論并修改頻率范圍和測量極限值，修訂和發(fā)布相應的國際標準。

EMC概述（3） ：什么是電磁兼容性（EMC）？

了解實例，就可以深入理解其重要性

本篇將具體介紹電磁兼容性（EMC）現象。本文的主角也是半導體集成電路（IC）。

首先是電磁干擾（EMI: Electromagnetic Interference，發(fā)射）的一個例子。假設這是半導體集成電路（IC）使用開關技術工作、并且印刷電路板（PCB）上的EMC措施不充分的情況。如果EMI濾波器的設計不好，比如低通濾波器（LPF）的截止頻率高于開關頻率的1/10，在這種情況下，如果使半導體集成電路（IC）工作，則可能會發(fā)生：

?其周圍配置的AM/FM收音機功能的接收靈敏度變差，并且會出現嗶嗶嘎嘎之類的噪聲

?通過Bluetooth連接的設備斷開連接

?智能手機上的視頻播放中斷等現象。

接下來是電磁敏感性（EMS: Electromagnetic Susceptibility, 抗擾度）的一個例子。這是半導體集成電路（IC）附近有電磁噪聲、而且這種噪聲帶來不良后果的一種情況。該示例也是假設印刷電路板（PCB）上的EMC措施不足的情況：沒有噪聲濾波器，或者即使有，其頻率特性也不能充分抑制電磁噪聲。在這種情況下，可能會發(fā)生：

?差分運算放大器（Op Amp）的工作點通常應該是VCC（電源電壓）/2的偏置電壓，但卻會變?yōu)閂CC附近或GND附近的電壓。

?在數據通信用半導體集成電路（IC）的數據收發(fā)過程中，只在產生電磁噪聲時接收到的數據會發(fā)生反轉

?在低電壓數字電路（包括CPU和存儲器）中，只在產生電磁噪聲時控制邏輯引發(fā)錯誤等問題。

可能單憑上一篇中符合/不符合電磁兼容性（EMC）國際標準的描述很難具體理解，但通過實際的例子，就可以理解這些問題都與嚴重的干擾和誤動作息息相關。因此，與電磁兼容性（EMC）相關的現象是非常重要的，尤其對于航空航天、醫(yī)療、車載等可能會有生命危險的產品和元器件來說，這類情況是絕對不能發(fā)生的。正是為了進行充分的驗證并提供安全放心的產品和元器件，從元器件制造商到終端產品制造商，各行各業(yè)的工程師們都在努力研究電磁兼容性（EMC）。

那么為什么直到如今電磁兼容性（EMC）還是如此受關注呢？

對于電磁干擾（EMI）來說，與工作頻率的日益提高有很大關系。與很久以前100MHz被視為超高速的時代不同，如今產品工作頻率為1GHz~10GHz的情況并不少見。當然，其諧波分量是電磁干擾（EMI）的源頭，因此電磁干擾（EMI）的頻段范圍變得更寬。此外，頻率越高，越容易產生輻射，因此需要更加注意。

對于電磁敏感性（EMS）來說，電源電壓下降是影響因素之一。5V邏輯和0.9V邏輯相比，它們的H電壓和L電壓之間的電壓差（VIH/VIL）完全不同。如果電源電壓低，對電磁噪聲的抵抗力就會降低。

而且，構成半導體集成電路（IC）的元器件數量也逐年增加。如今是在一枚硅芯片上能夠配置5億～10億個晶體管的時代了。因此，出現電磁兼容性（EMC）問題的位置更多，概率也更高。隨著微細化和高度集成化的發(fā)展，根據摩爾定律，未來，只要半導體集成電路（IC）的集成度繼續(xù)提高，電磁兼容性（EMC）問題就會繼續(xù)惡化。

在現場，工程師們已經深切意識到，過去不用格外注意電磁兼容性（EMC）也沒有問題，但是對于最近的產品和元器件來說，一旦不好好處理電磁兼容性（EMC）問題，就會產生嚴重的后果。因此準確地說，現在的狀況不是“正在關注”而是“不得不關注”，這樣說可能更接近現實。

審核編輯：湯梓紅