標準結構篇：4）EMC電磁兼容

本章目的：電磁兼容EMC概念，及預防控制手段。

 

1.前言：電磁兼容EMC概述

電磁兼容是一門新興的綜合性學科。電磁兼容學科主要研究的是如何使在同一電磁環境下工做的各類電氣電子設備和元器件都能正常工做，互不干擾，達到兼容狀態。

有電子產品開發經驗的朋友，都有過深入而痛苦的體會，辛辛苦苦設計好全部產品工做，等到樣機打樣試機時，要麼電磁輻射超標，要麼旁邊忽然有人打個手機，設備莫名其妙的「掛」了，出現各類異常、宕機、嚴重的直接冒煙等。 

在全球市場化和國際貿易更加頻繁的今天，若是電子產品EMC指標不符合國際和使用國家的相關標準，就被列入不合格產品，沒法出售，更談不上電子產品的價值。

2.電磁兼容EMC概念

電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）：是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行，而且並不對其環境中的任何設備產生沒法忍受的電磁干擾的能力。

所以，EMC包括兩個方面的要求：

一方面是指設備在正常運行過程當中，對所在環境產生的電磁干擾不能超過必定的限值；

另外一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具備必定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

因此引伸出兩種概念：

2.1 電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference)

EMI是指電磁騷擾致使電子設備相互影響，並引發不良後果的一種電磁現象。

2.2 電磁敏感性EMS（Electromagnetic Susceptibility)

EMS是指設備暴露在電磁環境下所呈現的不但願有的響應程度，即設備對周圍電磁環境敏感程度的度量。電磁敏感意味着電磁環境已經形成設備性能的下降。

3.EMC結構設計目的

EMC結構設計的目的是爲了保證產品在指定的測試規格條件下，正常工做並達到產品的可靠性目標，從而知足對產品EMI和EMS等限制性要求。

EMC設計目標是可靠性目標的一部份。

4.電磁干擾三要素

①電磁騷擾源：指產生電磁騷擾的元件、器件、設備或天然現象；

騷擾是一種電磁能量，干擾是騷擾產生的結果或後果。

② 耦合途徑或稱耦合通道：指把能量從騷擾源耦合到敏感設備上，並使該設備產生響應的媒介；

③ 敏感設備：指對電磁騷擾產生響應的設備。

全部的電磁干擾都是由上述三個因素的組合而產生的。把它們稱爲電磁干擾三要素。
以下圖所示

 

由電磁騷擾源發出的電磁能量，通過某種耦合通道傳輸到敏感設備，致使敏感設備出現某種形式的響應併產生效果。這一做用過程及其效果，稱爲電磁干擾效應。

電磁兼容學科研究的主要內容是圍繞構成電磁干擾的三要素進行的，即對電磁騷擾源、耦合通道和敏感設備的研究。

4.EMC設計流程

EMC結構在機械各個行業都有運用。依據產品的不一樣，其結構變更較大，因此就很難有固定的標準。但整體的設計軌跡仍是有軌跡可尋的，其細節部分有不少對應的標準及文檔資料能夠找到。設計這種有軌跡能夠遵照的特徵，按照總章的流程設計便可。

1）設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

2）對症選用合適標準和文檔資料；

3）照章辦事；

4）專業化的表現；

5）特徵優化：書面形式的上升空間；

6）平時的積累，爲第二步作準備。

4.1 設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

機械也有不少的子行業，不一樣國家不一樣行業對EMC的要求是很是不同的。以下圖所示：

 

EMC設計必須知足需求規格書和測試的要求。

如有需求規格書，規格書中一定有對EMC的詳細規定。如GM對EMC的規定：

Electromagnetic Compatibility (EMC) Performance:Shall conform to GMW309*, GMW309*, andGMW310*.

因此設計以前規格書的解讀是很是重要的（雖然經常被從業者忽視）。

如果自行設計或沒有規格書，須要根據國家行業要求收集相關的測試標準，因此產品注重質量的話會反而更加麻煩，但能夠參考同行業有實力公司的規格書。

設計要求獲得的方法具體作法詳見：

①高階篇：4.1）QFDI（客戶需求轉換爲設計要求）

瞭解自身所處的行業環境，明確EMC設計要求，是作好設計的第一步。

4.2 對症選用合適標準和文檔資料

EMC結構設計流程分兩步：

4.2.1 選用合適結構的EMC設計

要使產品具備良好的電磁兼容性，須要專門考慮與電磁兼容相關的設計內容。

最經常使用也是最基本的電磁兼容控制技術是接地、布板、屏蔽、濾波。此外平衡技術、低電平技術等也是電磁兼容的重要控制技術。隨着新工藝、新材料、新產品的出現，電磁兼容控制技術也獲得不斷的發展。

由於各行業對EMC的要求會有很大不一樣，所採用的主要手段也大不相同，如做者所見，車用電子產品採用金屬屏蔽罩的就較少，而智能手機卻有一堆。因此建議對比標杆產品，選用合適的EMC結構。這裏切記自性心爆棚，隨意跨行業選用EMC設計結構，有利有弊的。

理由詳見：

①高階篇：1）標杆產品的拆解和分析(benchmarking)

②高階篇：4.3.3）DFMEA現有設計：預防控制與探測控制

 做者會在下面的一個小節中單獨列舉EMC的結構設計手段，做爲參考運用。

4.2.2 選用此種EMC結構對應的標準

EMC結構設計嚴格標準是不多，做者所見的EMC文檔資料多爲參考性質。設計時須要具體精確到EMC結構的細節特徵，並在此結構範圍下再次細化標準的尋找，直到找到最小特徵的標準爲止。

如採用金屬屏蔽罩結構，選用合適供應商以後，可參考供應商提供的標準，如：

4.3 照章辦事

4.3.1 耐心解讀標準

由於EMC結構的標準不完善，就算是好的供應商提供的標準也很難說是正確完美的，因此通讀、理解、梳理這些不完善的標準很須要耐心和專業素養。

4.3.2 做圖

材質，尺寸與公差，測試等要求，都是要在圖紙上表現。規範的圖紙是實力的體現。

4.3.3 計算書

EMC固然也是能夠計算的，以下圖所示。

但基本上以測試爲準，實際測試和計算結果有時候會出入很大。

還有，某些EMC細節特徵設計須要公差控制，因此對應公差分析的計算書是須要的。

4.4 專業化的表現

1）圖紙

一個產品與PCB板相關的圖紙能夠說都是EMC結構的設計。

2）計算書；

①EMC輻射相關計算書：PCB、電纜等。（若真的須要）

②公差分析計算書

審計評審時請檢查這兩份東西。

4.5 特徵優化：書面形式的上升空間

以書面形式表達EMC結構的優化設計方法，能夠寫在計算書中。
EMC結構的優化方向有：
1）EMC設計方法的更換：依據DFA原則，更少的零件能減小裝配時間，增長可靠性。因此若能用布板的方式達到EMC控制的效果，就不須要採用金屬屏蔽罩。其餘如鎂合金的金屬外殼也能夠考慮代替塑膠殼+導電布等。
2）零件結構的簡化：如合理的布板能簡化金屬屏蔽罩的結構。

3）材料成本：如噴塗導電粉時是否必定要用銀粉，是否能用銅粉，或用其餘EMC設計手段替代等。

4.6 平時的積累，爲第二步作準備。

由於沒有能一步一步循序漸進的設計標準，平時的積累就尤其重要了。

具體理由見對症設計總章節吧，這裏就不闡述了。

5.EMC電磁兼容結構設計的方法

5.1 接地

接地是抑制電磁干擾、提升電子設備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設備向外輻射干擾；反之錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾，甚至使電子設備沒法正常工做。

許多電磁干擾問題是由地線產生的，由於地線電位是整個電路工做的基準電位，若是地線設計不當，地線電位就不穩，就會致使電路故障。地線設計的目的是要保證地線電位儘可能穩定，從而消除干擾現象。

5.1.1 接地的概念

電子設備中的「地」一般有兩種含義：一種是「大地」，另外一種是「系統基準地」。接地就是指在系統的某個選定點與某個電位基準間創建低阻的導電通路。

「接大地」就是以地球的電位做爲基準，並以大地做爲零電位，把電子設備的金屬外殼、線路選定點等經過接地線、接地極等組成的接地裝置與大地相鏈接。

「系統基準地」是指信號迴路的基準導體（電子設備一般以金屬底座、機殼、屏蔽罩或粗銅線、銅帶做爲基準導體），並設該基準導體電位爲相對零電位，

但不是大地零電位，簡稱爲系統地。

接地的目的有兩個：

一是爲了安全，稱爲保護接地。電子設備的金屬外殼必須接大地，這樣能夠避免因事故致使金屬外殼上出現太高對地電壓而危及操做人員和設備的安全。

二是爲電流返回其源提供低阻抗通道，稱爲工做接地。

5.1.2 接地的種類

實際上，各類地線都存在電氣上或是物理上的聯繫，不必定有明確的劃分。在地系統中，有時一個地既承擔保護地，又承當防雷地的做用；或既承擔工做地，又承當保護地的做用。而不一樣功能的地鏈接，針對的電氣對象不一樣，其處理方式的側重點還會有所差別。

1）保護接地

保護接地是爲了保護設備、裝置、電路及人身的安全，防止雷擊、靜電損壞設備，或在設備故障狀況下，保護人身安全。所以在設備、裝置、電路的底盤及金屬機殼必定要採起保護接地。

保護地保護原理是：經過把帶故障電壓的設備外殼短路到大地或地線端，保護過程當中產生的短路電流使熔絲或空氣開關斷開，從而達到保護設備和人員安全的做用。

2）工做接地

工做地是單板、母板或系統之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號迴流提供了低阻抗通道。

信號質量很大程度上依賴於工做接地質量的好壞。因爲受接地材料特性和其餘技術因素的影響，接地導體的鏈接或搭接不管作的如何好，總有必定的阻抗，信號的迴流會在工做地線上產生電壓降，造成地紋波，對信號質量產生影響；信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴重。儘管如此，在設計和施工中最大限度地下降工做接地導體的阻抗仍然是很是重要的。

5.2 布板

不管設備產生電磁干擾發射仍是受到外界干擾的影響，或者電路之間產生相互干擾，線路板都是問題的核心，所以設計好線路板對於保證設備的電磁兼容性具備重要的意義。

線路板設計的目的就是減少線路板上的電路產生的電磁輻射和對外界干擾的敏感性，減少線路板上電路之間的相互影響。

5.3 屏蔽

屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減少電磁能傳輸的一種技術，是抑制電磁干擾的重要手段之一。對於大部分設備的EMC設計而言，屏蔽都是必要的。

特別是隨着電路工做的頻率日益提升，單純依靠線路板設計每每不能知足電磁兼容標準的要求。並且通常若是在結構設計時沒有考慮電磁屏蔽的要求，很難將屏蔽效果加到產品上。因此，對於現代電子產品設計，必須從開始就考慮屏蔽的問題。

屏蔽有兩個目的，一是限值內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區域，二是防止外來的輻射干擾進入某一區域。

5.3.1 主要屏蔽材料和方案

電磁波通過一種材料會產生以下圖3種狀況：反射、吸取和透過。

 

因此屏蔽材料必須擁有反射或吸取的特性。

目前主流的電磁屏蔽解決方案材料有：
不鏽鋼、銅箔、鋁箔、導電塗料、電磁波吸取材料（鐵氧體、鎳粉、碳黑、羰基鐵等）。

屏蔽是結構工程師對電子產品是一種很是實用的手段，特別是消費類電子產品，如手機，用的很是多，下面做者就舉一些實例：

1）金屬屏蔽罩

2）銅箔蔽
 

3）電磁屏蔽氈

4）電鍍導電屏蔽層

5）噴塗電磁屏蔽塗料

 

6）鎂合金外殼

鎂合金是功能化與結構化相結合，既能實現電磁屏蔽功能，又能實現工程結構承重的帶有「智能化」特性的屏蔽材料。但這種方法對電磁屏蔽做用存在必定的爭議，暫時不要將其作主要方法。

5.3.2 屏蔽體上孔縫的影響

實際上，屏蔽體上面不可避免地存在各類縫隙、開孔以及進出電纜等各類缺陷，這些缺陷將對屏蔽體的屏蔽效能有急劇的劣化做用。理想屏蔽體在30MHz以上的屏蔽效能已經足夠高，遠遠超過工程實際的須要。真正決定實際屏蔽體的屏蔽效能的因素是各類電氣不連續缺陷，包括：縫隙、開孔、電纜穿透等。屏蔽體上面的縫隙十分常見，特別是目前機櫃、插箱均是採用拼裝方式，其縫隙十分多，若是處理不妥，縫隙將急劇劣化屏蔽體的屏蔽效能。

5.3.3 電纜的屏蔽設計

若是導體從屏蔽體中穿出去，將對屏蔽體的屏蔽效能產生顯著的劣化做用。這種穿透比較典型的是電纜從屏蔽體中穿出。如圖2-6所示。

電纜穿透的做用是將屏蔽體內外經過導線連通，等效於兩個背靠背的天線，對屏蔽體的屏蔽有極大的影響。

爲了不電纜穿透對屏蔽體的影響，能夠從幾個方面採起措施：

1）採用屏蔽電纜時，屏蔽電纜在出屏蔽體時，採用夾線結構，保證電纜屏蔽層與屏蔽體之間可靠接地，提供足夠低的接觸阻抗。

2）採用屏蔽電纜時，用屏蔽鏈接器轉接將信號接出屏蔽體，經過鏈接器保證電纜屏蔽層的可靠接地。

3）採用非屏蔽電纜時，採用濾波鏈接器轉接，保證電纜與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

4）採用非屏蔽電纜時，電纜在屏蔽體的內側（或者外側）要足夠短，使干擾信號不能有效地耦合出去，從而減少了電纜穿透的影響。

5）電源線經過電源濾波器出屏蔽體，保證電源線與屏蔽體之間有足夠低的高頻阻抗。

5.4 濾波

對於任何設備而言，濾波都是解決電磁干擾的關鍵技術之一。

//不一樣於屏蔽，濾波的手段更須要電控工程師使用。

由於設備中的導線是效率很高的接收和輻射天線，所以，設備產生的大部分輻射發射都是經過各類導線實現的，而外界干擾每每也是首先被導線接收到，而後串入設備的。濾波的目的就是消除導線上的這些干擾信號，防止電路中的干擾信號傳到導線上，藉助導線輻射，也防止導線接收到的干擾信號傳入電路。

5.4.1 濾波電路的基本概念

濾波電路是由電感、電容、電阻、鐵氧體磁珠和共模線圈構成的頻率選擇性網絡。爲了減少電源和信號線纜對外輻射，接口電路和電源電路必須進行濾波設計。

濾波電路的效能取決於濾波電路兩邊的阻抗特性，在低阻抗電路中，簡單的電感濾波電路能夠獲得40dB的衰減，而在高阻抗電路中，幾乎沒有做用；在高阻抗電路中，簡單的電容濾波電路能夠獲得很好的濾波效果，在低阻抗電路中幾乎不起做用。在濾波電路設計中，電容靠近高阻抗電路設計，電感靠近低阻抗電路設計。

電容器的插入損耗隨頻率的增長而增長，直到頻率達到自諧振頻率後，因爲存在導線和電容器電極的電感在電路上與電容串聯，因而插入損耗開始降低。

5.4.2 電源EMI濾波器

電源EMI濾波器是一種無源雙向網絡，它一端接電源，另外一端接負載。在所關心的衰減頻帶的較高頻段，可把電源EMI濾波器看做是「阻抗失配網絡」。網絡分析結果代表，濾波器阻抗兩側端口阻抗失配越大，對電磁干擾能量的衰減就越是有效。因爲電源線側的共模阻抗通常比較低，因此濾波器電源側的阻抗通常比較高。爲了獲得較好的濾波效果，對低阻抗的電源側，應配高輸入阻抗的濾波器；對高輸入阻抗的負載側，則應配低輸出阻抗的濾波器。

普通的電源濾波器對於數十兆如下的干擾信號有較好的濾波做用,在較高頻段,因爲電容的電感效應,其濾波性能將會降低。對於頻率較高的干擾狀況，要使用饋通式濾波器。該濾波器因爲其結構特色，具備良好的濾波特性，其有效頻段能夠擴展到GHz，所以在無線產品中使用較多。

濾波器的使用，最重要的問題是接地問題。只有接地良好的濾波器才能發揮其濾波做用，不然是沒有價值的。濾波器使用要注意如下問題：

1）濾波器放置在電源的入口位置；

2）饋通濾波器要放置在機箱（機櫃）的金屬壁上；

3）濾波器直接與機櫃緊密鏈接，濾波器下面不能塗保護漆；

4）濾波器的輸入輸出引線不能並行，交叉。

6.後話

智能產品能夠沒有電機，但必定有PCB板，因此EMC結構設計是必備技能了。面試時被問起別忘了「地板屏濾」的口訣。