產品中的電磁兼容常見問題彙總，靜電，抗擾度等等如何解決？

摘要：本文介紹了在企業產品研發時一些常常出現的 EMC 問題,並提出了相應的解決策略。

關鍵詞： EMC 電磁兼容 靜電放電 輻射發射 輻射抗擾度

前言
目前世界各個國家的產品認證法規要求任何電子相關 產品在本國銷售必須帶有相應標識，以代表產品符合安全和 電磁兼容的標準要求。如中國的 CCC 認證,美國的 FCC 和歐盟的 CE 認證等, 已成爲 WTO 規則中的技術貿易壁壘 (TBT ) , 如圖 1和圖 2所示。

EMC 的指標是目前在全部法律法規所要求的項目中，在產品設計時最難以達到的。 2006年調查代表，EMC問題是 電子工程師在研發設計是遇到的最大挑戰，因爲EMC的設計 經驗較少，常常在設計完成以後才進行 EMC 的測試，一旦測 試發現問題，會出現產品準備上市銷售了，EMC 的問題老是 沒有時間來解決，項目老是要不斷的延遲，須要再花費大量 的時間去解決,相信這是每位遇到 EMC 問題的研發人員的深入體會。

因此解決 EMC 的問題應該在產品研發的過程之中予以 解決，而不是在產品研發完成以後再進行修補,在設計中應 遵循一些 EMC 的設計導則，項目團隊對電路設計和 PCB 設計 進行評審，並在每一個研發階段應進行相應的 EMC工程測試，以發現潛在的問題。

從 EMC 問題產生的根源上解決問題永遠比在表面上解 決(如屏蔽)要好的多,且成本更低,且在整個項目研發流 程中,對 EMC 問題解決的越晚,所產生的成本會更高。

圖 1 世界各國的產品認證要求發展狀況

圖 2 在全球銷售產品的認證標識要求

因爲各個 EMC 的測試項目不一樣,問題產生的緣由也不 盡相同,相應的解決方法也不一樣,產品設計中常見的電磁兼 容性問題有如下幾種。

1、輻射發射沒法知足標準要求問題
典型的產品電磁輻射問題以下圖 3所示,有一些頻率點 上超出標準的要求,因爲輻射發射的測試不肯定度很大,各 個實驗室之間的測試結果差別很大,許多公司都要求輻射發 射的測試結果有 4-6dB 的裕量。

圖 3 產品的輻射掃描圖譜

相似輻射發射超標的狀況常常發生,要想解決,須弄清 楚輻射產生的根本緣由,據筆者分析,可能的輻射問題來源 有 [1]:

1. 印刷線路板中走線問題引發的 ,如圖4.

產品中的電磁兼容常見問題彙總，靜電，抗擾度等等如何解決？
圖 4 PCB 板中的走線

在 PCB 板走線中應該注意一些高速信號的迴流路徑,咱們知道信號即有電壓也會存在電流,而信號電流老是要流 回其源頭,若是高速信號的迴流路徑過大,造成環路,很容 易對外輻射能量。

2. 鏈接 PCB 板的電纜引走的問題，如圖 5。

圖 5:PCB 板與電纜的電磁兼容性問題

而與電路板相連的電纜也是產生輻射問題的緣由之一, 由於高速信號電流在電纜中流動因爲環路和阻抗不匹配等 緣由很易對外產生共模或差模的電磁輻射。

3. 電路中某些器件的快速切換。

高速電路中存在着衆多的高速器件,高速器件在快速的 切換時會產生大量的電流的高速變化,從而引發能量的輻 射。

4. 多層印製板的板層設計不合理

圖 6 PCB板間的電磁場分佈

在多層電路板中,若是疊層設計不合理,疊層之間的電 磁場耦合存在天線效應,對外進行能量輻射,如圖 6所示。

圖 7 信號走線問題仿真分析

輻射的能量從哪裏出來,如何解決?一般要花費工程 師至關長的時間來進行分析解決。圖 7的仿真分析結果則很 清晰代表的產生輻射問題的機理,在高頻狀態下,電流老是 尋找最短路徑回到源端,在存在障礙的狀況下(高阻抗、環 流面積大)就會對產生輻射。

屏蔽是解決輻射問題的直接辦法,但卻不能根除問題 根源,並會帶來許多其餘問題,設計成本會上升,且在產品 生產中增長工藝的複雜性,生產成本也會增長。因此說屏蔽 是解決輻射問題的最後的辦法, 絕大多數的問題均可以用最 簡單的辦法,也是最低成本的辦法於以解決。

分析信號特性，找出問題根源,進行信號設計和 PCB 板的良好設計是解決此類問題的最佳方案, 幾乎不用增長任 何成本。

2、 ESD 靜電放電測試沒法經過
靜題的測試項目之一, 常常發生的失效現象有系統死機,系統復位,顯示面板出現錯誤, 發生上述問題的根本緣由是靜電放電電流耦合到電路板中的某些走線上進入 CPU 內部, CPU 在信號狀態突變時 沒法有效處理或干擾引發的運行中斷致使沒法回覆到原來 的狀態,靜電放電測試也是一項破壞性的測試項目,產生的 靜電放電電流會常常致使器件發生物理性損壞, 這一點須要在測試中注意。

基於以上分析,在電路設計中應對於可能進行 ESD 測 試的部件進行一些處理(包括系統良好接地,控制面板絕緣 處理,關鍵信號隔離濾波,通訊協議的容錯分析,專用接地 層的使用等)。

圖 8 靜電放電測試

、儘管在設計時進行了大量的考慮,採起一些防止 EMC 問題的方法,但在實際測試中還會能夠出現問題,這就是 EMC 問題的特性, 沒法預測, 在發生 ESD 問題時, 解決方案有:

改進系統的接地設計(包括機箱機櫃、控制面板、通 信電纜鏈接)。

改進電路板的接地設計,對外接口 ESD 接地的設計。 發現系統死機、復位或通訊錯誤的根本緣由,在 PCB 板進行相應信號處理和在軟件上進行處理, 也解決 ESD 問題 的最好辦法,費用最低,但難度較大、較爲耗時。

3、 產品的輻射抗擾度問題
產品的輻射抗擾度測試是在全電波暗室中進行如圖 9所示,標準的測試場強等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產品的測試方法有所不一樣。

數字電路相對於模擬電路的抗輻射干擾能力要強的 多,在輻射抗擾度測試過程當中,多數出現問題的是帶模擬電 路的產品, 測試中常出現的問題有在某些頻率上產品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通訊出現錯誤,或系統復機 死機。

所示,標準的測試場強等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產品的測試方法有所不一樣。

數字電路相對於模擬電路的抗輻射干擾能力要強的 多,在輻射抗擾度測試過程當中,多數出現問題的是帶模擬電 路的產品, 測試中常出現的問題有在某些頻率上產品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通訊出現錯誤,或系統復機 死機。

圖 9 輻射抗擾度測試

圖 10 產品在抗擾度測試中信號輸出受干擾影響發生變化

此類問題主要出現於通訊類產品和帶有信號採信、用模擬 電路進行信號處理的產品中, 其根源與其餘的 EMC 抗擾度問題類 似, 是干擾進入 CPU 內部影響其正常運行, 對於模擬電路的產品, 信號在進入模數轉換以前的信號濾波很重要。

一旦出現測試通不過的問題,判斷出到底根源在哪裏是很 不容易,解決難度至關的大,且至關耗費時間和精力,在實驗室 中測試成本大幅上升。

解決方案有包括:

系統的良好的接地設計(包括機箱機櫃、控制面板、通訊 電纜鏈接)以及完善的電路信號處理。

在解決產品輻射抗擾度的過程當中,有一些獨特辦法,迅速 定位出抗擾度問題的根源, 在電路設計上採用相應的措施用以解 決此類問題,不建議採用屏蔽的辦法來解決。

四 其餘傳導類的電磁干擾如電快速瞬變脈衝羣抗擾 度、浪涌和射頻傳導抗擾度測試也會發生問題,但解決 起來會比較容易一些,在此再也不壘述。

結束語
以上是在爲企業產品研發進行電磁兼容諮詢和解決問題的 過程當中的一些體會,寫出來與你們其享,但願你們在進行產品設 計的過程當中不要由於 EMC 的問題形成麻煩,也但願利用本身的 一些經驗幫助你們避免和解決產品研發中的 EMC 問題,也藉此 機會與你們交流,文中有不妥的地方,請批評指正,謝謝!