EMI防治技巧与挑战

包含EMI和EMS的EMC因为各国均立下法规规范，成为电子产品设计者无可迴避的问题。面临各种EMI模式和各类EMI抑制方法，该如何因地制宜选择最佳对策让产品通过测试，同时又必须尽量降低成本强化产品竞争力，是所有电子产品设计人员必须仔细评估思考的课题。
 
EMI类型与解决方法
所谓EMC（Electromagnetic Compatibility；电磁共容）实际上包含EMI（Electromagnetic Interference；电磁干扰）及EMS（Electromagnetic Sensibility；电磁耐受）两大部份。EMI指的是电气产品本身通电后，因电磁感应效应所产生的电磁波对週遭电子设备所造成的干扰影响，EMS则是指电气产品本身对外来电磁波的干扰防御能力，也就是电磁场的免疫程度。

简单来说，只要是需要电力工作的产品都会有EMI问题，浸淫EMC领域十多年的资深顾问余晓锜表示，一个电子产品中的EMI来源多半来自交换式电源供应迴路（Switching Power Supply Circuit）、振盪器（Crystal）和各类时钟信号（Clock Signal），而根据传导模式不同，EMI可分为接触传导（Conducted Emission）和幅射传导（Radiated Emission）两类。

接触传导是由电源供应回路所形成的电磁波杂讯，透过实体的电源线或信号导线传送至电源电路内的一种电磁波干扰模式，此状况会造成与干扰设备使用同一电源电路的电气设备被电磁杂讯干扰，产生功能异常现象，通常发生在较低频；幅射传导则是电路本身通电之后，由电磁感应效应所产生的电磁波幅射发散所形成的电磁干扰模式，常见于高频。

幅射传导EMI产生的问题通常较接触传导严重，也更为棘手，其解决方式余晓锜归纳出下列几种：

1. 在干扰源加LC滤波回路。
2. 在I/O端加上DeCap by pass to Ground, 把杂讯导入大地。
3. 用遮蔽隔离（Shielding）的方式把电磁波包覆在遮蔽罩内。
4. 尽量将PCB的地面积扩张。
5. 产品内部尽量少使用排线或实体线。
6. 产品内部的实体线尽量做成绞线以抑制杂讯幅射，同时在排线的I/O端加上DeCap。
7. 在差模信号线的始端或末端加上共模滤波器（Common Mode Filter）。
8. 遵循一定的类比和数位佈线原则。

此外，EMI的形成又可分为共模幅射（Common Mode）和差模幅射（Differential Mode）两类。余晓锜表示，共模幅射包括共地阻抗之共模干扰（Common-Mode Coupling）和电磁场对导线的共模干扰（Field to cable/trace Common-Mode Coupling），前者是因杂讯产生源与受害电路间共用同一接地电阻所产生的共模干扰，解决方法可藉由实行地的切割来必免共地干扰问题；后者则为高电磁能量所形成的电磁场对设备间之配线所造成的干扰，可藉由遮蔽隔离（Shielding）的因应方法来处理场对线的干扰问题。

至于差模幅射，常见的是导线对导线的差模干扰（Cable to Cable Differential-Mode Coupling），干扰途径为某一导线内的干扰杂讯感染到其他导线而馈入受害电路，属于近场干扰的一种，可藉由加宽线与线之间的距离来处理此类干扰问题。
 
 
常见EMI抑制方式
目前对于EMI的常见抑制方式包括屏蔽法（Shielding）、扩展频谱法（Spread Spectrum）、使用滤波器（Filter）等，以及透过整合接地、佈线、搭接等层面来防治。

余晓锜表示，电磁屏蔽法大部份是用来屏蔽300MHz以上的电磁杂讯，例如法拉第盖的使用就是一例，此外，运用遮蔽复合材料也是常见的手法，例如手机就常见以真空电镀方式，在塑胶壳内部佈满一层如镍之类的屏蔽材质，藉此隔绝电磁波发散。

扩展频谱法则是用来将时钟（Clock）的信号展频，使其峰值（Peak）信号波形振幅减低来降低信号的峰值位准，目前有些BIOS已提供内建的扩频功能，可让使用者自行设定。余晓锜指出，使用扩频法需要在信号失真度和EMI减弱程度之间取得平衡，一般是取1％～1.5％，若超过3％通常就会让信号过于失真而不可行。

此外，滤波器或滤波回路的使用因为成本低廉且SMD（表面黏着）制程的加工需求，所以最为一般设计工程师採用。余晓锜指出，滤波器的使用机会和模式根据不同防治需求来决定，例如大电流的Bead可用在电源电路的路径（Power Trace）上；一般的Bead可用来抑制某特定频率的杂讯信号；CMF则用来抑制USB、1394、LVDS等差模线路的杂讯幅射问题。

不过余晓锜强调，对于EMI的抑制有诸多解决方式，必须因时因地制宜选择，只要有效就是好的防制方法，并没有哪一种特定方式特别胜出。
 
 
高速数位电路及类比-数位混合电路EMI防治法
由于运算速度的提升和高速传输介面的应用，目前数位电路已走向高速化。在高速数位电路中，只要阻抗匹配接近理想的阻值（以铜线被覆于FR4材质而言约50欧姆），让所有信号线都成为传输线（Transmission Line）的理想状态下，理论上应该不会产生EMI问题，但是余晓锜表示，目前实际上的佈线设计还无法达到上述要求，所以只好将高速信号线尽量走在内层，其相邻的上层用地（铺铜）来覆盖以达到遮蔽隔离（Shielding）电磁幅射的效果，亦或在信号线上适当的距离加上对地的滤波电容（DeCap bypass to Ground）来降低EMI。
另外，针对日渐普遍的类比及数位信号混合电路EMI防治，余晓锜也提出以下几个可遵循的设计原则：

1. 类比与数位信号须分区布线。
2. 所有类比信号要在类比区内布线（包含地，电源及信号线）。
3. 所有数位信号要在数位区内布线（包含地，电源及信号线）。
4. 严禁类比或数位信号直接跨区布线。
5. AD IC晶片下方严禁布线。
 
 
了解各国法规及标准以通过测试
除了各种抑制技巧外，量测也是EMI防治过程中重要的一环。余晓锜对此表示，EMI量测绝大部份是使用频谱分析仪（Spectrum Analyzer）及接收器（Receiver），而EMS因是产品耐受性测试，所以必须在符合国际法规的环境下执行测试，目前坊间有许多实验室均可执行EMS标准测试。
要通过测试，首先必须了解各国对于EMC的法规及相关标准要求。余晓锜指出，目前全球较重要的EMC标准包括：台湾BSMI（CNS13438）、中国大陆CCC（GB4943）、日本VCCI、韩国MIC、美国FCC（Part 15）、欧盟CE（EN55022）、纽澳C-Tick（ANS3548）等等，EMS的要求标准则主要有韩国MIC（引用EN55024）和欧盟CE（EN55024）。

目前各国所引用的EMC和EMS测试项目则分别如下一、二：

Regulation
 Test Frequency
 Test Limit Test point
EN55022 30~230MHz
230~1000MHz 30dBuV at 10M
37dBuV at 10M EUT Whole Set
150~500KHz
(LISN) Quasi-Peak 66~56dBuV
Average 56~46dBuV AC Power Supply
0.5~5MHz
(LISN) Quasi-Peak 60dBuV
Average 46dBuV AC Power Supply
5~30MHz
(LISN) Quasi-Peak 60dBuV
Average 50dBuV AC Power Supply
150~500KHz
(ISN) Quasi-Peak 84~74dBuV
Average 74~64dBuV Telecom Signal Line
500KHz~30MHz
(ISN) Quasi-Peak 74dBuV
Average 64dBuV Telecom Signal Line
EN60555-2
EN60555-2 0~2KHz See Table 1 AC Power Supply
奇谐波 最大容许谐波电流 备谐波 最大容许谐波电流
3 2.30(A) 2 1.08(A)
5 1.14(A) 4 0.43(A)
7 0.77(A) 6 0.30(A)
9 0.40(A) &≦n≦40 0.23x8/n(A)
11 0.33(A)  
13 0.21(A)  
15≦n≦39 0.15x15/n(A)  

表一：各国EMC测试项目一览（余晓锜提供）

 

Regulation
 Test Frequency
 Test Limit Test point
IEC61000-4-2  15KV(Air Discharge) Enclosure
IEC61000-4-3
IEC61000-4-6 80~1000MHz
150KHz~80MHz 3V/M Enclosure
IEC61000-4-4 Pulse length 15ms± 20% 4KV(peak)5x50ns Signal/Control Lines
 Pulse length 15ms± 20%
 2KV(peak)5x50ns DC Power Supply
 Pulse length 15ms± 20% 4KV(peak)5x50ns AC Power Supply
IEC61000-4-5 2Ω combination wave 2KV 1.2x50us Power line to line
 2Ω combination wave 4KV 1.2x50us
 Power line to ground
 
 4Ω combination wave 4KV 1.2x50us
 I/O Signal Lines
 15Ω+(25xN) Ω 4KV 10x700us
 Telecom Lines
 
IEC61000-4-11 Specific rating I/P power Dip 40%+70% of line
 Power Line
 

表二：各国EMS测试项目一览（余晓锜提供）
 
 
以最低成本符合国际规范将成最大挑战
虽然以一般消费性电子资通讯产品而言，并没有特定类型产品的EMI会特别严重，不过以学理及经验来看，余晓锜指出交流供电产品的EMI问题会比直流供电产品严重，处理上也较为复杂；此外，多层板产品的EMI问题也会比层数少的产品较容易处理。
不过，对于台湾电子厂商面临的最大EMC问题，余晓锜认为不在于技术而在于成本。因为在激烈的市场竞争下，产品成本是各家厂商最优先考量的重点，往往牺牲了技术上应有的设计考量来迁就成本要求，例如原本以四层板设计可获致最佳EMI抑制效果，就可能因成本考量而改用防治效果较差的两层板。

余晓锜表示，一般EMC防治成本约佔产品总体材料成本的15％～10％，而这中间的空间就需要看设计者的经验来决定费用降低的幅度，所以如何在最低成本的艰困条件下，完成符合国际EMC规范的产品，将是未来台湾电子厂商的研发或EMC工程师所面临的最大挑战与课题。