第三讲 产品EMC设计技术平台与准则

• 不同频率范围检测产品EMC性能的不同方法
• 建立企业EMC设计技术平台，以准则指导每阶段EMC设计

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EMC标准根据频率范围的不同，或是使用传导测试方法，或是使用辐射测试方法来检测产品的EMC性能；引致产品EMI的原因，大多数都与导线、电缆、接大地和需要为电子元件提供参考面密切相关。在工作中往往需要产品研发工程师依据自身的EMC专业知识和丰富的EMC实践经验来对此加以判断和取舍。本文讨论了不同频率范围检测产品EMC性能的不同方法，并指导工程师建立企业EMC设计技术平台，在设计过程中结合EMC设计准则，在器件的位置安排和布线、走线时予以遵循。

频率在1MHz以下时，设备的物理尺寸和电缆长度相比于电磁波的波长通常都会太小或太短，与它们相关联的杂散寄生阻抗会很高，发射大部分由差模电流和电压引起，最大的发射问题由设备的AC电源电缆所造成。当差模处在这个频率范围以内时，AC/DC变换器等是设备大部分电气噪声的主要生产者。譬如，在使用一个变频器驱动一个异步电动机的场合，在远低于1MHz频率情况下，电动机绕组和它的金属构件之间就已经能够引起高电平的CM电流了。

虽然有些场合中的AC电源电缆会非常长，但它们的发送和返回线之间的绞合结构，就能够帮助它们确保较低的辐射发射，EMC问题通常都出现在传导发射上。切断传导耦合通道是主要的设计手段。

频率达到1MHz以上时，杂散的寄生电容急剧增加，共模阻抗增加，共模发射增加到可以占到主导地位的程度。通过把电缆靠近接地平面敷设、增加接地导体的横截面积以及在电源和信号线与接地平面之间增设电容等都可以减小共模发射强度。

当然，设备与地平面之间的搭接状况对控制发射是一个很重要的环节。但在有些场合，去掉搭接或者增加它们的阻抗，效果可能会更好，而有时增加搭接点或降低与地平面之间的阻抗却更为有效。

频率高到200MHz以上时，差模发射与它们频率的二次方成正比，而共模的辐射正比于频率本身，差模的辐射发射有可能超过共模发射。在这些频率范围内，降低差模辐射强度，涉及到如何减小环路尺寸。有时去掉接地导体或其它与地平面的搭接或增加它们的阻抗会获得较好的效果。当然，有时则是降低与地平面之间的搭接阻抗，作用会更大一些。

EMC标准根据频率范围的不同，或是使用传导测试方法，或是使用辐射测试方法来检测产品的EMC性能。传导测试和辐射测试两种方法都采用测试激励源作为共模，而最为关键的是外部共模激励源是以何种方式（传导还是辐射）转换并进入差模，形成差模噪声的。这个转换过程一般可以有几种不同的途径，而且引起差模向共模（以及共模发射）转换的非平衡阻抗，反过来同样可以使外部共模转换并进入差模，形成差模噪声。

引致产品EMI的原因，大多数都与导线、电缆、接大地和需要为电子元件提供参考面密切相关，即便是某个电缆长度和布线上的微小差别或改变以及元器件位置上的变更，也都有可能对EMC性能造成巨大影响。

目前业界通行的做法是按照所使用的电子零、部件制造厂商所提供的EMC技术应用指南来完成。但这些指南或指导原则仅能在理想化的技术条件之间或指南或指导原则本身之间（不同制造厂商所提供的指南有时会有所不同，甚至相互抵触）相互不矛盾的情况下使用。况且，其中相当一部分的应用手册是由一些从来都没有做过EMC测试的公司所撰写的，或是在使用完全不切实际的一些设备条件下完成，不断重复、盲目地写入它们新产品的应用手册之中的。

当不同的制造厂商所指定的指导原则或指南各不相同或相互矛盾的时候，就迫切需要产品研发工程师依据自身的EMC专业知识和丰富的EMC实践经验来加以判断和取舍。因此，良好的EMC知识积累和企业的产品EMC设计技术平台的建立，将有助于企业更好地完成新产品的开发。

EMC研究的重点是产品的非预期效果、非工作性能、非预期发射和非预期响应。在分析骚扰迭加和出现概率时，通常都需要按最不利原则进行考虑，而这要比研究产品的工作性能复杂得多。

在开发过程中，产品设计主要经历：总体规格方案设计、产品原理图设计、电源电路设计、PCB设计、产品结构设计、线缆连接设计、产品结构试装、摸底预测试、认证测试等等几个阶段。企业的设计研发部门应该建立产品EMC的设计技术平台，在每个阶段的设计节点都编制相应的EMC设计规则和EMC设计规范，用于指导产品设计工程师进行产品的EMC设计。

EMC的设计准则通常被概括为一些规定，它们代表一些基本经验知识的总结。开发过程中，设计工程师必须把这些准则结合到设计过程中去，在器件的位置安排和布线、走线时予以遵循。

实践中，产品研发工程师应该从接到设计任务书那一刻开始，就要明了产品的工作平台，明确产品进行EMC测试认证需要满足的标准条款，明了满足测试项目必须进行的EMC设计要点。

从开始设计阶段，就要按照设计规范和设计规则，选择好元器件，处理好IC器件和零部件的接地、滤波；处理好电源的噪声控制，处理好局部屏蔽；设计好印制线路板的分区、分层、布局与布线；将产品的整体结构布局好；设置好“干净地”；处理好I/O端口；敷设好连接线缆等等。

先期良好的EMC设计，增加不了多少产品成本，但是对EMI问题的解决要有效得多。 譬如，低频范围内的EMC标准认证，如果没有从设计源头考虑产品的EMC性能保障，等到测试时出现EMI问题了再进行产品整改，EMI问题的整改往往就会因为空间有限而实现不了，从而不得不推翻原有的设计而重新来过。因为低频范围内，铁氧体材料的吸波作用基本无效，只能采用LC滤波器处理传导噪声。LC滤波器的体积很大（低频滤波电感很大，用几个小电感串联取代一个大电感体积会加大、成本会更高），价格很可观，而且选用也很费力（可能需要选型几次，才能达到衰减指标）。而低频磁场的屏蔽体（铁磁材料做屏蔽罩，垂直磁力线方向不能开口或有缝隙）更是又笨又重，并且每一次机械加工过后都还需要进行退火热处理。

当然，必要时，还是不得不采用这些手段的。但若在产品的EMC设计技术平台上将EMC的设计规范和设计规则完好地体现出来，良好地进行电源、PCB、I/O口、线缆等等的EMC设计，就会减轻外加滤波器与屏蔽罩壳的设计压力。