電磁兼容設(shè)計及測試

摘要：針對當(dāng)前嚴(yán)峻的電磁環(huán)境，分析了電磁干擾的來源，通過產(chǎn)品開發(fā)流程的分解，融入電磁兼容設(shè)計，從原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、元器件選型、系統(tǒng)布線、系統(tǒng)接地等方面逐步分析，總結(jié)概括電磁兼容設(shè)計要點，最后，介紹了電磁兼容測試的相關(guān)內(nèi)容。

當(dāng)前，日益惡化的電磁環(huán)境，使我們逐漸關(guān)注設(shè)備的工作環(huán)境，日益關(guān)注電磁環(huán)境對電子設(shè)備的影響，從設(shè)計開始，融入電磁兼容設(shè)計，使電子設(shè)備更可靠的工作。

電磁兼容設(shè)計主要包含浪涌（沖擊）抗擾度、振鈴波浪涌抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度、工頻電源諧波抗擾度、靜電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈沖磁場抗擾度、傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度等相關(guān)設(shè)計。

電磁干擾的主要形式

電磁干擾主要是通過傳導(dǎo)和輻射方式進入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)工作，其他的方式還有共阻抗耦合和感應(yīng)耦合。

傳導(dǎo)：傳導(dǎo)耦合即通過導(dǎo)電媒質(zhì)將一個電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)上,屬頻率較低的部分(低于30MHz)。在我們的產(chǎn)品中傳導(dǎo)耦合的途徑通常包括電源線、信號線、互連線、接地導(dǎo)體等。

輻射：通過空間將一個電網(wǎng)絡(luò)上的騷擾耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)上，屬頻率較高的部分(高于30MHz)。輻射的途徑通過空間傳遞，在我們電路中引入和產(chǎn)生的輻射干擾主要是各種導(dǎo)線形成的天線效應(yīng)。

共阻抗耦合：當(dāng)兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時出現(xiàn)的相互干擾。在電源線和接地導(dǎo)體上傳導(dǎo)的騷擾電流，多以這種方式引入到敏感電路。

感應(yīng)耦合：通過互感原理，將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘?，感?yīng)到另一條回路對其造成干擾。分為電感應(yīng)和磁感應(yīng)兩種。

對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應(yīng)采用的相應(yīng)對策：傳導(dǎo)采取濾波（如我們設(shè)計中每個IC的片頭電容就是起濾波作用），輻射干擾采用減少天線效應(yīng)（如信號貼近地線走）、屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。

電磁兼容設(shè)計

對于一個新項目的研發(fā)設(shè)計過程，電磁兼容設(shè)計需要貫穿整個過程，在設(shè)計中考慮到電磁兼容方面的設(shè)計，才不致于返工，避免重復(fù)研發(fā)，可以縮短整個產(chǎn)品的上市時間，提高企業(yè)的效益。

一個項目從研發(fā)到投向市場需要經(jīng)過需求分析、項目立項、項目概要設(shè)計、項目詳細設(shè)計、樣品試制、功能測試、電磁兼容測試、項目投產(chǎn)、投向市場等幾個階段。

在需求分析階段，要進行產(chǎn)品市場分析、現(xiàn)場調(diào)研，挖掘?qū)椖坑杏眯畔?，整合項目發(fā)展前景，詳細整理項目產(chǎn)品工作環(huán)境，實地考察安裝位置，是否對安裝有所限制空間，工作環(huán)境是否特殊，是否有腐蝕、潮濕、高溫等，周圍設(shè)備的工作情況，是否有惡劣的電磁環(huán)境，是否受限與其他設(shè)備，產(chǎn)品的研制成功能否大大提高生產(chǎn)效率，或者能否給人們的生活或工作環(huán)境帶來很大的方便，操作使用方式能否容易被人們所接受，這就要求項目產(chǎn)品要滿足現(xiàn)場功能需要、易于操作等，最后要整理詳細的需求分析報告，以供需求評審。

經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部相關(guān)負(fù)責(zé)人的評審之后，完善需求分析報告，然后是項目立項，項目立項需要組建項目組，把軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、測試等人員安排到項目組中，分配各自的職責(zé)。項目開發(fā)的下一階段是項目概要設(shè)計，將項目分解成多個功能模塊，運用WBS分解結(jié)構(gòu)對項目進行功能分解細化，根據(jù)工作量安排時間，安排具體人員。整理項目概要設(shè)計報告，總體對項目進行評估，確定使用電源類型，電源分布情況，電源隔離濾波方式，系統(tǒng)接地方式，產(chǎn)品屏蔽，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計，采用屏蔽機箱機殼，分析信號類型，對雷電、靜電、群脈沖等干擾采取防護措施。

產(chǎn)品概要設(shè)計報告出來后要經(jīng)過相關(guān)人員評審，分析實現(xiàn)方式是否合理，實施方案是否可行，由評審人員給出評審報告，項目組結(jié)合評審報告對概要設(shè)計進行修改后，進入產(chǎn)品詳細設(shè)計階段，這階段的內(nèi)容包括原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、PCB采購及焊接、軟件編寫、功能調(diào)試等過程，原理圖設(shè)計應(yīng)考慮到電磁兼容方面的影響，對板級電源增加濾波電容，對信號的接口部分增加濾波電路，根據(jù)信號類型，選擇合適的濾波電路，若信號為低頻型號，應(yīng)選擇低通濾波電路，計算合適的截至頻率，選擇對應(yīng)的電阻、電容等。另對接口部分設(shè)計大電流泄放回路，設(shè)置防雷器件，做到第三級的防雷。

一、元器件選型

我們常用的電子器件主要包括有源器件和無源器件兩種類型，有源器件主要指IC和模塊電路等器件，無源器件主要是指電阻、電容、電感等元件。下面分別對這兩種類型元件的選型、在電磁兼容方面要考慮的問題做一些介紹。

有源器件EMC選型

工作電壓寬的EMC特性好，工作電壓低的EMC特性好，在設(shè)計允許的范圍內(nèi)延時大（通常所說的速度慢）特性好一些，靜態(tài)電流小、功耗小的比大的特性好，貼片封裝的器件的EMC性能好于插裝器件。

無源器件選型

無源器件在我們的應(yīng)用中通常包括電阻、電容、電感等，對于無源器件的選型我們要注意這些元件的頻率特性和分布參數(shù)。

無源器件在某些頻率下，會表現(xiàn)出不同特性，一些電阻在高頻時擁有電感的特性，如線繞電阻，電解電容的低頻特性好，高頻特性差，而薄膜電容和瓷片電容高頻特性較好，但通常容量較小?？紤]溫度對元器件的影響，根據(jù)設(shè)計原理，選用各種溫度特性的器件。

二、印制板設(shè)計

印制板設(shè)計時，要考慮到干擾對系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對核心電路重點防護，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設(shè)計隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分（如時鐘電路、通訊電路等）和容易被干擾的部分（如模擬采樣電路等），對這兩種類型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護措施，并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計時，還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿，這對防護空氣放電是有利的。

采樣電路的原理圖設(shè)計參見圖1：

圖1：采樣電路設(shè)計。

電路的合理布局可以降低干擾，提高電磁兼容性能。按照電路的功能劃分若干個功能模塊，分析每個模塊的干擾源與敏感信號，以便進行特殊處理。

1、保持環(huán)路面積最小，例如電源與地之間形成的環(huán)路，減小環(huán)路面積，將減小電磁干擾在此回路上的感應(yīng)電流，電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)面積，降低干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。并聯(lián)的導(dǎo)線緊緊放在一起，使用一條粗導(dǎo)線進行連接，信號線緊挨地平面布線可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。

2、使導(dǎo)線長度盡可能的縮短，減小了印制板的面積，降低導(dǎo)線上的干擾。

3、采用完整的地平面設(shè)計，采用多層板設(shè)計，鋪設(shè)地層，便于干擾信號泄放。

4、使電子元件遠離可能會發(fā)生放電的平面如機箱面板、把手、螺釘?shù)龋３謾C殼與地良好接觸，為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理，降低干擾。

5、盡量采用貼片元器件，貼片器件比直插器件的電磁兼容性能要好得多。

6、模擬地與數(shù)字地在PCB與外界連接處進行一點接地。

7、高速邏輯電路應(yīng)靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器則應(yīng)布置在遠離連接器處，中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。

8、電路板上的印制線寬度不要突變，拐角應(yīng)采用圓弧形，不要直角或尖角。

9、時鐘線、信號線也盡可能靠近地線，并且走線不要過長，以減小回路的環(huán)面積。

三、系統(tǒng)布線設(shè)計

印制板設(shè)計出來后，進行試制，焊接調(diào)試，系統(tǒng)裝機，考慮電磁兼容設(shè)計因素，機柜結(jié)構(gòu)、線纜設(shè)計需要注意以下幾個方面：

1、機柜選用電磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地對系統(tǒng)進行屏蔽，降低外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

2、總電源進線選用屏蔽電源線，并加磁環(huán)，屏蔽層在進入機柜處360度接地。

3、對系統(tǒng)外部信號線選用屏蔽線，屏蔽層機柜入口處良好接地。

4、設(shè)備外殼就近接機柜，避免交叉。

5、系統(tǒng)設(shè)置隔離變壓器和ups，保證系統(tǒng)供應(yīng)純凈電源。

6、嚴(yán)格將電源線和信號線分開，設(shè)備外殼的各個面之間和各個板子面板之間要良好接觸，接觸電阻要小于0.4歐，越小越好，保證設(shè)備外殼良好接大地，這樣在有靜電釋放時，不會影響到系統(tǒng)的正常工作。

四、系統(tǒng)接地設(shè)計

接地是最有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問題。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。

1、地線的概念

安全接地 包括保護接地和防雷接地。

保護接地 為產(chǎn)品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道；

防雷接地 提供泄放大電流的通路；

參考接地 為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平，為電源和信號提供基準(zhǔn)電位。

安全接地是為了當(dāng)出現(xiàn)一些電氣異常時，為大電流和高電壓提供一個泄放的回路，主要是對電路的一種保護措施。參考地主要是信號地和電源地，是保證電路實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。

2、接地方式

懸浮接地 對一個獨立的與外部沒有接口的系統(tǒng)來說一般也沒有什么問題，但是如果該系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)之間存著接口如通訊口和采樣線，那么懸浮接地很容易受到靜電和雷擊的影響，所以一般電子產(chǎn)品大多不采用懸浮接地。

單點接地 當(dāng)f<1MHz時可以選擇單點接地，可分為并聯(lián)單點接地和多級電路串聯(lián)單點接地兩種。

并聯(lián)單點接地：每個電路模塊都接到一個單點地上，每個單元在同一點與參考點相連。

多級電路的串聯(lián)單點接地：將具有類似特性的電路的地連接在一起，形成一個公共點，然后將每一個公共點連接到單點地。

多點接地 當(dāng)f>10MHz時會采用多點接地。 設(shè)備中的電路都就近以接地母線為參考點。

單點接地各電路接在同一點，提供公共電位參考點，沒有共阻抗耦合和低頻地環(huán)路，但對高頻信號存在較大的地阻抗。多點接地為就近接地，每條地線可以很短，提供較低接地阻抗。1MHz~10MHz可根據(jù)實際需要選用哪種接地方法。

混合接地 是綜合單點接地與多點接地的優(yōu)點，對系統(tǒng)中的低頻部分采用單點接地，對系統(tǒng)中高頻部分采用多點接地。

信號線屏蔽接地 有高頻和低頻之分，高頻采用多點接地，低頻電纜采用單點接地。低頻電場屏蔽要求在接收端單點接地，低頻磁場屏蔽要求在兩端接地。多點接地，除在兩端接地外，并以3/20或1/10工作波長的間隔接地。

系統(tǒng)做到良好接地，才能有效的抑制電磁干擾，一個大的系統(tǒng)機柜首先要保證每個面接觸良好，接觸緊湊，其次是機柜內(nèi)部設(shè)備要就近接地，避免二次干擾，就近泄放電磁干擾。接口屏蔽線要進行環(huán)接，再就近接機架。機柜下方設(shè)置接地銅排，系統(tǒng)總地線選用銅帶比較好，對電磁干擾進行很好的泄放，保證了系統(tǒng)的正常運行。

電磁兼容測試

系統(tǒng)功能測試，滿足現(xiàn)場功能需要后，進行電磁兼容測試，電磁兼容測試容易出問題是靜電、群脈沖、浪涌、射頻場傳導(dǎo)等

1、靜電抗擾度檢測

參與了幾個項目的靜電抗擾度檢測，對靜電有一定認(rèn)識。靜電分為接觸放電和空氣放電，靜電是積累的高壓，當(dāng)接觸到設(shè)備的金屬外殼時會瞬間放電，會影響到電子設(shè)備的正常工作，可能引起設(shè)備故障或重啟，在安全性要求較好的場合這是不允許的。

靜電會影響顯示效果，可能出現(xiàn)顯示閃爍或黑屏，影響正常顯示和操作。靜電還可能引起CPU工作異常，程序死機或重啟。

如果在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段采用電磁兼容的相關(guān)設(shè)計，做靜電試驗不必過分擔(dān)心，通過設(shè)計，對靜電積累的電荷進行良好的泄放，不會影響系統(tǒng)的正常工作。

2、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測

電快速瞬變脈沖群是一系列的高頻高壓瞬變脈沖施加在設(shè)備上，觀察設(shè)備是否受到其影響。防護群脈沖主要的方法是“疏導(dǎo)”“堵”，“疏導(dǎo)”就是提供泄放回路，是干擾在進入系統(tǒng)之前，泄放至大地，良好的屏蔽層接地，可以泄放大部分動干擾，“堵”是使群脈沖濾除在設(shè)備之外，增加磁環(huán)，效果明顯，封閉磁環(huán)的效果好于對扣磁環(huán)，也可以將磁環(huán)加入到板級中，固定在印制板中，這樣使設(shè)備更可靠。

對電源線、信號線、通訊線兩端增加磁環(huán)，可以對群脈沖干擾進行防護。

3、雷擊浪涌檢測

雷擊浪涌主要包含兩個方面，一個是電源防雷，一個是信號防雷。

電源防雷主要是針對系統(tǒng)級而言的，系統(tǒng)級設(shè)計要按照三級防雷設(shè)計，總電源進入端設(shè)置電源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH 385），可以對系統(tǒng)的電源進行一級防護，電源經(jīng)過電源防雷后，進入隔離變壓器，隔離變壓器可以對電磁干擾信號進行較好的防護，抑制其對系統(tǒng)的影響。后進入UPS，UPS可以濾除一部分干擾信號，這樣電源再進入系統(tǒng)設(shè)備，電源是一種純凈的電源，可以使系統(tǒng)更好、更可靠的工作。

圖2：系統(tǒng)電源部分設(shè)計示例。

信號防雷是對系統(tǒng)的信號通路進行防護，主要涉及的是板級設(shè)計，在板級設(shè)計中增加防雷器件，如氣體放電管，增加TVS泄放回路，當(dāng)有大電流時通過配套電阻和TVS、氣體放電管泄放，對后級電路起到保護作用。而后信號進行光電隔離，再進入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以采集到一個穩(wěn)定的信號，使系統(tǒng)正常分析判斷，正常發(fā)出指令，正常工作。另一方面就是設(shè)計較寬的信號范圍，信號正常波動時，系統(tǒng)正常工作。

4、射頻場感應(yīng)傳導(dǎo)的抗擾度檢測

射感試驗可能會對顯示信號、采集驅(qū)動等造成影響，可能使顯示閃爍或黑屏，影響設(shè)備操作，可能使采集驅(qū)動工作異常，采集不到需要的信號，無法驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備。

射頻試驗是0.15k～80M頻率范圍內(nèi)對信號線、電源進行干擾，3級強度是10V/m。

射感防護的原則是將電源、信號線的屏蔽做好，屏蔽層良好接地，選擇合適頻率進行濾波，將干擾濾除。

5、輻射發(fā)射檢測、射頻場輻射抗擾度檢測

該測試主要是測試系統(tǒng)的抗射頻信號及整體屏蔽性能，只要系統(tǒng)做好良好的屏蔽，系統(tǒng)地線接地良好，系統(tǒng)就可以通過檢測。

通過相關(guān)電磁兼容測試，產(chǎn)品就可以推向市場，進行試運行了，對試運行中出現(xiàn)的問題，進行匯總，以備產(chǎn)品的改進。

電子產(chǎn)品滿足相關(guān)的電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)，通過測試，才可以推向市場，用戶才能放心使用，極大地減小因電磁干擾發(fā)生的事故，對企業(yè)的效益、產(chǎn)品的推廣起到積極的作用。