前言

經(jīng)常聽(tīng)到某些產(chǎn)品需要各種各樣的認(rèn)證，或者在產(chǎn)品標(biāo)簽上看到各種認(rèn)證的標(biāo)簽貼紙。例如，中國(guó)強(qiáng)制性的3C認(rèn)證，另有美國(guó)的UL、歐洲CE等。這些認(rèn)證既需要對(duì)產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，也需要對(duì)安規(guī)和EMC進(jìn)行測(cè)試。本文將講解安規(guī)和EMC的測(cè)試內(nèi)容，使工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，能夠有目的地設(shè)計(jì)。一個(gè)產(chǎn)品的安規(guī)和EMC問(wèn)題，不僅僅是PCB工程師的職責(zé)，也是結(jié)構(gòu)工程師的職責(zé)(輻射發(fā)射、輻射抗擾度、靜電）。安規(guī)和EMC是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不能僅靠在測(cè)試中整改，而應(yīng)貫穿需求分析、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。

何為安規(guī)、EMC

安規(guī)主要是對(duì)產(chǎn)品安全性方面的測(cè)試和要求，例如阻燃性、絕緣性、漏電、防塵防水等。

EMC（Electromagnetic Compatibility）電磁兼容性，指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁騷擾的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）電磁干擾+EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾。如果是非高頻和射頻設(shè)備，EMC主要是電源方面的EMI（輻射 和傳導(dǎo)）問(wèn)題。

設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備

《產(chǎn)品需求說(shuō)明書(shū)》：明確產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)、安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和EMC標(biāo)準(zhǔn)。

安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)文件

EMC標(biāo)準(zhǔn)文件

1、EMC的基本測(cè)試項(xiàng)目

上面是EMC的所有項(xiàng)目：

輻射RE(Radiated Emission）:測(cè)試場(chǎng)地要求比較高，一般使用EMC暗室代替開(kāi)闊場(chǎng)地測(cè)量。EMC暗室只有地面為反射面，其他面都安裝吸波材料，測(cè)試時(shí)，人員等不在暗室內(nèi)，防止有干擾。輻射測(cè)量的信號(hào)在30MHz-1GHz。注意頻率，在150KHz～30MHz的干擾信號(hào)主要通過(guò)傳導(dǎo)泄漏，輻射量比較?。ㄔ蚴切盘?hào)波長(zhǎng)有關(guān)）。

傳導(dǎo)CE（Conducted Emission）：傳導(dǎo)測(cè)量信號(hào)頻率在150KHz-30MHz。試驗(yàn)前，接好所有線纜（電源、通信、IO等），待設(shè)備工作正常穩(wěn)定后，測(cè)試線纜上的傳導(dǎo)騷擾。

諧波（Harmonics）：設(shè)備工作時(shí)，向電網(wǎng)中傳輸?shù)碾娫锤叽沃C波的強(qiáng)度。難點(diǎn)

電源閃爍（Flickers）：

靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放電和間接放電。直接放電時(shí)對(duì)產(chǎn)品直接打靜電，模擬的是人體和其他帶電設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行放電時(shí)的情況。直接放電分為：接觸放電、空氣放電。產(chǎn)品外殼是金屬部分的，需要放電槍直接接觸金屬部位，塑料外殼需要空氣放電。間接放電比較有意思，把設(shè)備放在水平耦合板和垂直耦合板間，放電槍在耦合板上接觸放電，這樣在耦合板上就會(huì)形成電場(chǎng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行干擾。

輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天線對(duì)設(shè)備進(jìn)行輻射發(fā)射，測(cè)試。

電快速瞬變脈沖群EFT/B：設(shè)備附近或者設(shè)備所處的電網(wǎng)中，有感性負(fù)載切斷時(shí)，產(chǎn)生的脈沖。使用耦合板耦合在通訊和電源線上，脈沖群的能量會(huì)耦合到線纜上，產(chǎn)生電荷積累，對(duì)于沒(méi)有大地的設(shè)備（浮地系統(tǒng)），積累到一定程度，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字邏輯電平錯(cuò)亂、設(shè)備損壞等。

浪涌試驗(yàn)（Surge）：對(duì)電源和信號(hào)都需要做浪涌測(cè)試。浪涌的能量遠(yuǎn)大于脈沖群和靜電。干擾頻率寬度比較窄。一般使用壓敏電阻和保險(xiǎn)電阻抑制。

傳導(dǎo)騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）：

工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工頻磁場(chǎng)（例如大型變壓設(shè)備）下對(duì)設(shè)備的影響，主要影響設(shè)備中的一些磁性設(shè)備，如線圈、霍爾器件。

電壓跌落/短時(shí)中斷DIP/interruptions：指設(shè)備所在的電網(wǎng)中突然接入大功率設(shè)備，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓變低對(duì)設(shè)備的影響。IEEE中定義，電網(wǎng)電壓跌落10%~90%，持續(xù)10ms-1min后恢復(fù)正常。電網(wǎng)短路一般跌落幅度30%，輸電線在絕緣子處發(fā)生閃絡(luò)，或?qū)Φ胤烹?，一般跌落幅?0%。跌落、短時(shí)中斷都會(huì)導(dǎo)致繼電器復(fù)位、通訊錯(cuò)亂、不顯示、設(shè)備復(fù)位等，需要添加大電容進(jìn)行儲(chǔ)能，扛過(guò)中斷和跌落。

詳細(xì)解釋參考閱讀：EMC常見(jiàn)測(cè)試項(xiàng)目

2、產(chǎn)品對(duì)EMC的標(biāo)準(zhǔn)要求？

中國(guó)強(qiáng)制3C認(rèn)證，美國(guó)的UL、歐洲CE等。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同類型的產(chǎn)品有不同的等級(jí)，例如靜電有6kV、8kV、12kV、15kV等級(jí)別，按照具體需求進(jìn)行EMC試驗(yàn)。

3、產(chǎn)品EMC整改的思路？

要分析上述11中測(cè)試中，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能提出如何整改。

輻射RE(Radiated Emission）?

根源：EMI是高頻電流回路形成。走線長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的1/20，就會(huì)成為天線。

測(cè)試：在內(nèi)部可以先對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，使用頻譜儀，在設(shè)備開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)各測(cè)試一次，結(jié)果相減，去除環(huán)境噪聲的影響。在設(shè)備內(nèi)部，使用近場(chǎng)探頭，追蹤定位EMI的源。另外，瞬態(tài)EMI可能不好測(cè)試，但可能會(huì)引起復(fù)位、死機(jī)、通訊錯(cuò)誤等。

消除：傳播路徑、源頭方面考慮。

源頭：層疊設(shè)計(jì)、地平面的完整（布局、走線）、電源濾波、布線（阻抗連續(xù)）、提高頻信號(hào)上升沿和下降沿的時(shí)間。

傳導(dǎo)CE（Conducted Emission）

諧波（Harmonics）

電源閃爍（Flickers）

靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：?

輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）

電快速瞬變脈沖群EFT/B：?

浪涌試驗(yàn)（Surge）：?

傳導(dǎo)騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）

工頻磁場(chǎng)試驗(yàn)PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：?

電壓跌落/短

4、產(chǎn)品整改時(shí)常用元器件的使用？

共模電感

共模電感用于抑制共模干擾（指在兩根信號(hào)線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲）。注意，下圖中的繞線方向。

當(dāng)共模干擾從左向右經(jīng)過(guò)時(shí)，根據(jù)右手螺旋法則，可以知道上面的線，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是繞著鐵氧體順時(shí)針，下面的線，一樣。這樣，兩個(gè)線圈就會(huì)產(chǎn)生比較大的感抗，阻礙共模干擾信號(hào)的流出。

當(dāng)正常信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)，例如電流，上面的線是電源正，下面的線是電源負(fù)，上面的線電流從左到右走，下面的線從右到左走。這樣，兩個(gè)線圈會(huì)產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，并抵消掉。所以，電感主要表現(xiàn)出阻抗。

共模電感在選用時(shí)，應(yīng)考慮

瞬時(shí)大電流經(jīng)過(guò)時(shí)，磁芯會(huì)不會(huì)飽和，要選用電流合適的共模電感。

高電壓經(jīng)過(guò)時(shí)，漆包線的絕緣漆會(huì)不會(huì)被擊穿。漆包線的耐壓應(yīng)該要測(cè)試，不能全信供應(yīng)商。

線圈要盡可能單層，減小線圈的寄生電容。

共模電感的抑制頻率。主要根據(jù)使用環(huán)境中的共模干擾頻率決定。

由于繞線不能完全封閉，會(huì)產(chǎn)生部分差模電感，有時(shí)需要人為增加此部分差模電感，抑制差模干擾。

電感

電感可以抑制高頻信號(hào)，其等效電路如下：

電感量越大，其分布電容也越大，導(dǎo)致其對(duì)高頻信號(hào)的抑制作用降低，所以，電感的電感量是隨著信號(hào)的頻率變化的，在某個(gè)頻率點(diǎn)，阻抗才會(huì)達(dá)到最大。在選型時(shí)，應(yīng)該查看其頻率電感特性曲線。

電感量越大，其諧振頻率越低。也就是說(shuō)，其分布電容諧振在這個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)交流的直通作用，抵消了電感的阻抗。

如果我們還要對(duì)抑制頻率進(jìn)一步提高，那么我們最后選用的電感線圈就只好是它的最小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個(gè)匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍，因此，磁珠比單圈電感線圈的工作頻率更高。

磁珠

磁珠是鐵氧體材料，高頻流過(guò)時(shí)，由于高感抗，轉(zhuǎn)化成熱能，低頻信號(hào)可以經(jīng)過(guò)。與普通電感相比，具有更好的高頻抑制效果。

磁珠廣泛應(yīng)用在電源、信號(hào)線路上，可以抑制靜電脈沖等。磁珠的單位是歐姆，可以在datasheet上查看頻率阻抗特性曲線圖，比如100MHz的頻率下，阻抗位1000歐姆，通常選用600歐姆阻抗以上的。另外，需要降額80%使用，另外，用在電源線路上，應(yīng)考慮直流阻抗產(chǎn)生的壓降。

一般磁環(huán)居里溫度110℃，達(dá)到這一溫度以后立刻失去磁性，有如空氣介質(zhì)一般；恢復(fù)室溫以后，磁性能發(fā)生了永久性改變，磁導(dǎo)率降低了10%。所以，在大功率電路中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該考慮這種可能出現(xiàn)的溫度環(huán)境，放置器件失效。

濾波電容

濾波電容在高頻應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮其諧振（同物理意義上的共振）。對(duì)于高頻噪聲提供一個(gè)旁路，流通到地。

普通陶瓷電容的電容量會(huì)隨著溫度的變化而變化，但穿心電容更接近理想電容，在數(shù)百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心電容怕高溫和溫度沖擊，所以在焊接時(shí)，容易造成損壞。另外，穿心電容是三端電容：入、出、地。

5、EMC設(shè)計(jì)如何在設(shè)計(jì)過(guò)程的各階段開(kāi)展？

電路設(shè)計(jì)（包括器件選型）、軟件設(shè)計(jì)、線路板設(shè)計(jì)、屏蔽結(jié)構(gòu)、信號(hào)線電源線濾波、電路接地方式。

Tips：電磁兼容領(lǐng)域，要描述的幅度和頻率范圍都很寬，在圖形上用對(duì)數(shù)坐標(biāo)更容易表示，而 dB 就是用對(duì)數(shù)表示。

對(duì)于功率，dB=10log()，對(duì)于電壓和電流，dB=20log()。

例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB ??X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB ? ??減法：10dB-5dB，實(shí)際就是兩個(gè)數(shù)值的相除，例如信噪比。

如何設(shè)計(jì)好EMC:

設(shè)計(jì)人員的水平

公司EMC設(shè)計(jì)規(guī)范

公司EMC負(fù)責(zé)人

在設(shè)計(jì)前期解決EMC問(wèn)題

系統(tǒng)流程法(System Flow Method)

系統(tǒng)流程法，即主要在研發(fā)流程中融入 EMC 設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段進(jìn)行 EMC 設(shè)計(jì)控制，把可能出現(xiàn)的 EMC 問(wèn)題在研發(fā)前期進(jìn)行考慮；設(shè)計(jì)過(guò)程中主要
從產(chǎn)品的電路（原理圖、PCB 設(shè)計(jì)），結(jié)構(gòu)與電纜，電源模塊，接地等方面系統(tǒng)考慮 EMC 問(wèn)題，針對(duì)可能出現(xiàn) EMC 問(wèn)題進(jìn)行前期充分考慮，從而確保產(chǎn)品樣品出來(lái)后能夠一次性通過(guò)測(cè)試與認(rèn)證！

產(chǎn)品總體方案設(shè)計(jì)

產(chǎn)品詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

產(chǎn)品原理圖設(shè)計(jì)

產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品初樣試裝

產(chǎn)品EMC摸底驗(yàn)證

產(chǎn)品認(rèn)證

設(shè)計(jì)Tips

1、設(shè)計(jì)階段進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，成本和效果是最好的。

2、高頻電流環(huán)路面積越大，EMI越嚴(yán)重。高頻信號(hào)電流流經(jīng)電感最小路徑。當(dāng)頻率較高時(shí)，一般走線電抗大于電阻，連線對(duì)高頻信號(hào)就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測(cè)設(shè)備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的，最惡劣的情況就是開(kāi)路之天線形式。對(duì)應(yīng)處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應(yīng)之元器件過(guò)長(zhǎng)的插腳。

3、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴(yán)重，電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二，就是想方設(shè)法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。