EMC電磁兼容設(shè)計(jì)—概念

1、EMC的概念

EMC(Electro Magnetic Compatibility)——電磁兼容，是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中，按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力。就世界范圍來說，電磁兼容性問題已經(jīng)形成一門新的學(xué)科，也是一門以電磁場理論為基礎(chǔ)，包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科的邊緣科學(xué)，同時(shí)也是一門實(shí)踐性比較強(qiáng)的學(xué)科，需要產(chǎn)品工程師具有豐富的實(shí)踐知識。

電磁兼容的中心課題是研究如何控制和消除電磁干擾，使電子設(shè)備或系統(tǒng)與其他設(shè)備聯(lián)系在一起工作時(shí)，不導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)的任何部分的工作性能的惡化或降低。

一個(gè)設(shè)計(jì)理想的電子設(shè)備或者系統(tǒng)應(yīng)該既不發(fā)射任何不希望的能量，又應(yīng)該不受任何不希望有的能量的影響。當(dāng)然，在電子設(shè)備或系統(tǒng)出廠前，衡量其EMC性能好壞的主要依據(jù)就是EMC測試結(jié)果。這些測試，就是衡量一個(gè)產(chǎn)品模擬產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中發(fā)生的一些騷擾和干擾，如下圖所示：

產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中發(fā)生的一些騷擾和干擾

一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)不考慮EMC問題，就會導(dǎo)致EMC測試失敗，以致不能通過相關(guān)法規(guī)的認(rèn)證，而不能出廠銷售。即使這種產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際工作環(huán)境中，也會出現(xiàn)一些實(shí)際問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要不斷地研究出實(shí)用的方法來消除電磁干擾和騷擾。例如，工程師們根據(jù)需求設(shè)計(jì)出了效果良好的濾波電路，置于產(chǎn)品I/O接口的前級，可使大多數(shù)因傳導(dǎo)而進(jìn)人系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的人口處;設(shè)計(jì)出了隔離電路（如變壓器隔離和光電隔離等）解決通過電源線、信號線和地線進(jìn)人電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾;設(shè)計(jì)出了能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量;或通過選擇元器件和合理安排電路系統(tǒng)，使干擾的影響減小。

目前，衡量一個(gè)產(chǎn)品的EMC的性能主要從以下兩個(gè)方面來考慮。

(1）EMI (Electro Magnetic Interference)——電磁干擾性能。即處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的電磁能量干擾。這樣的電磁干擾有：

• 從電源線傳導(dǎo)出來的電磁騷擾;
• 從信號線、控制線傳導(dǎo)出來的騷擾;
• 從產(chǎn)品殼體（包括產(chǎn)品中的所有電纜）輻射出來的騷擾;
• 從電源端口傳導(dǎo)出來的諧波電流（Harmonic);
• 電源端口產(chǎn)生的電壓波動和閃爍（Fluctuation and Flicker)。

（2）EMS Electro Magnetic Susceptibility)—電磁抗擾度性能。即處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)能承受各種類型的電磁能量干擾。這種電磁能量干擾主要有：

• 靜電放電（ESD）;
• 電源端口的電快速瞬變脈沖群;
• 信號線、控制線端口的電快速瞬變脈沖群;
• 電源端口的浪涌和雷擊;
• 信號線、控制線端口的浪涌和雷擊;
• 從空間傳遞給產(chǎn)品殼體的電磁輻射;
• 電源端口傳入的傳導(dǎo)干擾;
• 電源端口的電壓跌落與中斷。

EMC 設(shè)計(jì)則是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，利用一定的設(shè)計(jì)技巧和額外的技術(shù)手段提高產(chǎn)品的EMC性能（包括產(chǎn)品的抗干擾能力和產(chǎn)品的抗騷擾水平)，并能在一定環(huán)境中按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)期望正常運(yùn)行。為了衡量到達(dá)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境前產(chǎn)品的EMC性能，則需要進(jìn)行EMC測試。對應(yīng)于以上產(chǎn)品各項(xiàng)EMC指標(biāo)，EMC測試通常也有如下兩個(gè)方面。

(1）EMI電磁干擾測試

• 電源線傳導(dǎo)騷擾（CE)測試;
• 信號、控制線傳導(dǎo)騷擾（CE）測試;
• 輻射騷擾（RE）測試;
• 諧波電流（Harmonic）測試;
• 電壓波動和閃爍（Fluctuation and Flicker）測試。

(2）EMS電磁抗擾度測試

• 靜電放電（ESD)抗擾度測試;
• 電源端口的電快速瞬變脈沖群（EFT/B)抗擾度測試;
• 信號線、控制線的電快速瞬變脈沖群（EFT/B）抗擾度測試;
• 電源端口的浪涌（SURGE)和雷擊測試;
• 信號線、控制線的浪涌（SURGE）和雷擊測試;
• 殼體輻射抗擾度（RS)測試;
• 電源端口的傳導(dǎo)抗擾度（CS)）測試;
• 信號線、控制線的傳導(dǎo)抗擾度（CS)測試;
• 電源端口的電壓跌落與中斷測試（DIP)。

2、EMC設(shè)計(jì)理念

在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為獲得良好的EMC性能和成本比，對產(chǎn)品進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)是重要的。

電子產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)賦予的。測試僅僅是將電子產(chǎn)品固有的EMC性能用某種定量的方法表征出來。對于企業(yè)規(guī)范化EMC設(shè)計(jì)來講可按照以下3步實(shí)現(xiàn)。

第1步：應(yīng)在研發(fā)前期考慮EMC設(shè)計(jì)。

如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期不考慮EMC問題，僅寄希望于測試階段解決（表現(xiàn)為通過整改來解決設(shè)計(jì)成型產(chǎn)品的EMC問題，這樣大量的人力和物力都投入在后期的測試/驗(yàn)證、整改階段)。那么，即使產(chǎn)品整改成功，大多情況下還是會由于整改涉及電路原理、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模具的變更，導(dǎo)致研發(fā)費(fèi)用大大增加，周期大大延長。

只有在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中考慮與預(yù)測EMC問題，把 EMC變成一種可控的設(shè)計(jì)技術(shù)，并行和同步于產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的過程，才能一次性地把產(chǎn)品設(shè)計(jì)好。

第2步：通過設(shè)計(jì)提高電子產(chǎn)品的EMC性能，絕對不是企業(yè)內(nèi) EMC專家一個(gè)人所賦予的，因?yàn)镋MC絕對不可能脫離產(chǎn)品硬件、結(jié)構(gòu)等實(shí)物而存在。

因此，要使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品一次取得良好的EMC性能，就需要提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的EMC經(jīng)驗(yàn)與意識問題。如硬件工程師，除了原先必須掌握的電路設(shè)計(jì)知識外，還應(yīng)該掌握EMI和EMS抗干擾設(shè)計(jì)的基本知識;PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握相應(yīng)的器件布局、層疊設(shè)計(jì)、高速布線方面的EMC設(shè)計(jì)知識;結(jié)構(gòu)工程師也需要了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的屏蔽等方面的設(shè)計(jì)知識。

因?yàn)檫@些共同參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程師，要去實(shí)現(xiàn)EMC專家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中所提出的意見，就要理解、領(lǐng)會EMC專家所提出的建議的奧秘，并與各自領(lǐng)域的設(shè)計(jì)特點(diǎn)相結(jié)合，將所有EMC問題的萌芽消滅在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。只有所有參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)人員共同提高EMC素質(zhì)，才能設(shè)計(jì)出具有高性能EMC的電子產(chǎn)品。

第3步：企業(yè)要自己建立一套規(guī)范的EMC設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)分析方法。

企業(yè)要自己建立一套規(guī)范的EMC設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)分析方法，即在研發(fā)流程中融入EMC設(shè)計(jì)分析及風(fēng)險(xiǎn)評估的過程，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行EMC的評估和分析控制，把可能出現(xiàn)的EMC問題在研發(fā)前期進(jìn)行考慮，并預(yù)測EMC測試的失敗風(fēng)險(xiǎn)。

針對可能出現(xiàn)的EMC問題進(jìn)行前期充分考慮，并找到解決方案，從而確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后能夠一次性通過測試與認(rèn)證。當(dāng)然，這對于企業(yè)來講，也將減少不必要的人力及研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品上市周期。