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EMC电磁兼容电路设计
作者：刘忠武 杨萌
来源：《科学与财富》2018年第21期
摘 要：电磁干扰的主要方式是传导干扰、辐射干扰、共阻抗耦合和感应耦合。对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应对策：传导采取滤波，辐射干扰采用屏蔽和接地等措施，就能够大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力，也可以有效的降低对外界的电磁干扰。本文从滤波设计、接地设计、屏蔽设计和PCB布局布线技巧四个角度，介绍EMC的设计技巧。
一、EMC滤波设计技巧
EMC设计中的滤波器通常指由L，C构成的低通滤波器[1]。滤波器结构的选择是由"最大不匹配原则"决定的。即在任何滤波器中，电容两端存在高阻抗，电感两端存在低阻抗。图1是利用最大不匹配原则得到的滤波器的结构与ZS和ZL的配合关系，每种情形给出了2种结构及相应的衰减斜率（n表示滤波器中电容元件和电感元件的总数）。
其中：l和r分别为引线的长度和半径。寄生电感会与电容产生串联谐振，即自谐振，在自谐振频率fo处，去耦电容呈现的阻抗最小，去耦效果最好。但对频率f高于f/o的噪声成份，去耦电容呈电感性，阻抗随频率的升高而变大，使去耦或旁路作用大大下降。实践中，应根据噪声的最高频率fmax来选择去耦电容的自谐振频率f0，最佳取值为fo=fmax。
去耦电容容量的选择 在数字系统中，去耦电容的容量通常按下式估算：
二、EMC接地设计
接地是最有效的抑制骚扰源的方法[2]，可解决50%的EMC问题。系统基准地与大地相连，可抑制电磁骚扰。外壳金属件直接接大地，还可以提供静电电荷的泄漏通路，防止静电积累。在地线设计中应注意以下几点：
（1）正确选择单点接地与多点接地 在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用单点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
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■河南师范大学 物理学院。新乡４５３００７朱明杰 吴慎山
要：本文参照１９９５年４月在日内瓦举行的国际ＥＭＣ标准研讨会的有关文 件。对ＥＭＣ标准的地位、欧洲联盟ＥＭＣ法规等作系统介绍．以便对 ＥＭＣ标准引起重视和较全而的了解．促进产品的ＥＭＣＣ设计和安全可 靠运行。 关键词：电磁兼容：标准化
１ 引言 电气（电工和电子）设备在其运行过程中，产生 电磁能并通过辐射和传导两种方式输出。因而产生 电磁干扰（见图１）。就某一设备来说，所处的电磁环 境见图２，有用及无用的电磁信号共存，并产生两种 干扰情况，设备被外界无用信号干扰，同时对外发 射干扰信号，在不损失有用信号所包括的信息条件 下，信号和干扰共存的能力就是电磁兼容（ＥＭＣ）。 维持整体的ＥＭＣ环境才能确保各种设备的安全可 靠运行，而ＥＭＣ标准化指令是实现这一目标的基 础和主要手段。 外壳通道
图１ 电源 地通道 图２ ２欧盟ＥＭＣ指令日程衰 欧洲联盟的ＥＭＣ指令即１９８９年５月３ Ｈ颁 布的８９，３３６／ＥＥＣ号“成员国关于ＥＭＣ的法规”， ９２／３１／ＥＥＣ对此又作了修改，是具有强制性的法规 文件。自１９９１年７月１ Ｈ起。欧洲联盟各成员国开 始采纳并公布与其相一致的法规、规定或行政命 令。自１９９２年１月１日起。成员国开始执行这一指 令。自由贸易的产品应符合ＥＭＣ法规的要求。此过 渡期至１９９５年１２月３１日。从１９９６年１月１日起 所有投放市场的全部产品都必须符合ＥＭＣ法规要 求，并使用ＣＥ（Ｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ Ｅｕｒｏｐｅａｎ）标志，以表明该 产品己符合所有相关的必要要求。ＥＭＣ指令的目的 是保证物（商）品的自由流通，其基础是ＥＭＣ标准。 为了协调欧盟各成员国对工业产品不同的安 全规范，决定以ＣＥ标记作为确认产品是否达到协 调后的基本安全要求。如果产品符合ＣＥ标记的规 范，即表示该产品可在各成员国范围内销售。迄今 为止，共有１７大类的产品必须粘ＣＥ标记。按公告 之先后，依次为：简易压力容器、玩具、建材、电磁兼 容产品、机器、个人保护设备、非自动衡器，主动式 植入医疗装置、燃烧气体燃料之设备、电信终端设 备、热水锅炉、民用爆炸物、医疗器材、特定电压设 备、易爆环境下的设备及保护装置、体闲用船舶、升 降机。针对不同的产品类别各有其特殊规定。值得 注意的是．８９／３３６／ＥＥＣ从公告发布到过渡期结束长 达六年零七个月，是仅次于特定电压设备（２４年）、 民用爆炸物（１０年）、易爆环境下的设备及保护装置 （１０年）和非自动衡器（１０年）的第五大类。这说明 电磁兼容涉及的技术领域都是十分复杂的。还应注 意：如果一个装置需要同时满足上述１７大类中不 只一个指令的要求，那么此时ＣＥ标记则表明：该装 置同时符合了其它的相关指令。所以不能将ＣＥ标 记仅仅看成电磁兼容的合格标记。 ３欧盟（ＥＵ）ＥＭＣ指令 ３．１ ＥＭＣ指令８９／３３６／ＥＥＣ 电磁兼容指令（８９／３３６／ＥＥＣ）指出：“各成员国有 责任对其性能有可能因电气和电子设备产生的电 屯 迦ｉ ＥＬ日＾．ｒＦＩＯＮｌｃ
设计早期对电磁兼容性(EMC)问题的考虑
随着产品复杂性和密集度的提高以及设计周期的不断缩短，在设计周期的后期解决电磁兼容性（EMC）问题变得越来越不切合实际。在较高的频率下，你通常用来计算EMC的经验法则不再适用，而且你还可能容易误用这些经验法则。结果，70%～90%的新设计都没有通过第一次EMC测试，从而使后期重设计成本很高，如果制造商延误产品发货日期，损失的销售费用就更大。为了以低得多的成本确定并解决问题，设计师应该考虑在设计过程中及早采用协作式的、基于概念分析的EMC仿真。
较高的时钟速率会加大满足电磁兼容性需求的难度。在千兆赫兹领域，机壳谐振次数增加会增强电磁辐射，使得孔径和缝隙都成了问题；专用集成电路（ASIC）散热片也会加大电磁辐射。此外，管理机构正在制定规章来保证越来越高的频率下的顺应性。再则，当工程师打算把辐射器设计到系统中时，对集成无线功能（如Wi-Fi、蓝牙、WiMax、UWB）这一趋势提出了进一步的挑战。
传统的电磁兼容设计方法
正常情况下，电气硬件设计人员和机械设计人员在考虑电磁兼容问题时各自为政，彼此之间根本不沟通或很少沟通。他们在设计期间经常使用经验法则，希望这些法则足以满足其设计的器件要求。在设计达到较高频率从而在测试中导致失败时，这些电磁兼容设计规则有不少变得陈旧过时。
在设计阶段之后，设计师制造原型并对其进行电磁兼容性测试。当设计中考虑电磁兼容性太晚时，这一过程往往会出现种种EMC问题。对设计进行昂贵的修复通常是唯一可行的选择。当设计从系统概念设计转入具体设计再到验证阶段时，设计修改常常会增加一个数量级以上。所以，对设计作出一次修改，在概念设计阶段只耗费100美元，到了测试阶段可能要耗费几十万美元以上，更不用提对面市时间的负面影响了。
电磁兼容仿真的挑战
为了在实验室中一次通过电磁兼容性测试并保证在预算内按时交货，把电磁兼容设计作为产品生产周期不可分割的一部分是非常必要的。设计师可借助麦克斯韦（Maxwell）方程的3D解法就能达到这一目的。麦克斯韦方程是对电磁相互作用的简明数学表达。但是，电磁兼容仿真是计算电磁学的其它领域中并不常见的难题。
电磁兼容设计与EMC测试技巧
针对当前严峻的电磁环境，分析了电磁干扰的来源，通过产品开发流程的分解，融入电磁兼容设计，从原理图设计、PCB设计、元器件选型、系统布线、系统接地等方面逐步分析，总结概括电磁兼容设计要点，最后，介绍了电磁兼容测试的相关内容。
针对当前严峻的电磁环境，分析了电磁干扰的来源，通过产品开发流程的分解，融入电磁兼容设计，从原理图设计、PCB设计、元器件选型、系统布线、系统接地等方面逐步分析，总结概括电磁兼容设计要点，最后，介绍了电磁兼容测试的相关内容。
当前，日益恶化的电磁环境，使我们逐渐关注设备的工作环境，日益关注电磁环境对电子设备的影响，从设计开始，融入电磁兼容设计，使电子设备更可靠的工作。
电磁兼容设计主要包含浪涌（冲击）抗扰度、振铃波浪涌抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度、工频电源谐波抗扰度、静电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、传导骚扰、辐射骚扰、射频场感应的传导抗扰度等相关设计。
电磁干扰的主要形式
电磁干扰主要是通过传导和辐射方式进入系统，影响系统工作，其他的方式还有共阻抗耦合和感应耦合。
传导：传导耦合即通过导电媒质将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上,属频率较低的部分(低于30MHz)。在我们的产品中传导耦合的途径通常包括电源线、信号线、互连线、接地导体等。
辐射：通过空间将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上，属频率较高的部分(高于30MHz)。辐射的途径通过空间传递，在我们电路中引入和产生的辐射干扰主要是各种导线形成的天线效应。
共阻抗耦合：当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时出现的相互干扰。在电源线和接地导体上传导的骚扰电流，多以这种方式引入到敏感电路。
感应耦合：通过互感原理，将在一条回路里传输的电信号，感应到另一条回路对其造成干扰。分为电感应和磁感应两种。
对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应对策：传导采取滤波（如我们设计中每个IC的片头电容就是起滤波作用），辐射干扰采用减少天线效应（如信号贴近地线走）、屏蔽和接地等措施，就能够大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力，也可以有效的降低对外界的电磁干扰。
