电磁兼容性简介
电磁兼容性（EMC）确保电子设备在不对其他设备造成干扰的情况下运行，并且对外部电磁干扰保持免疫。EMC设计既是法规要求，也是电子产品的质量指标。
EMC基础知识
辐射
设备辐射或传导的能量
抗扰度
对外部干扰的抵抗力
耦合
能量在系统间的传递方式
EMI（电磁干扰）是不期望的效果，而EMC是设计目标。了解辐射机制和敏感路径对于创建强大的电子系统至关重要。
EMC标准和法规
不同地区有不同的EMC要求，但国际标准提供了一个共同的框架。了解适用的标准是EMC设计的第一步。
主要EMC标准
| 标准 | 范围 | 地区 |
|---|---|---|
| CISPR 32 | 多媒体设备辐射 | 国际 |
| CISPR 35 | 多媒体设备抗扰度 | 国际 |
| FCC Part 15 | 非有意辐射器 | 美国 |
| EN 55032 | ITE设备辐射 | 欧洲 |
| IEC 61000-4-x | 抗扰度测试方法 | 国际 |
A类与B类限值
A类（商业/工业）
- • 较宽松的限值
- • 用于商业环境
- • 允许更多辐射
- • 需要警告标签
B类（住宅）
- • 更严格的限值（约严格10 dB）
- • 用于住宅环境
- • 消费类产品通常为B类
- • 无需警告
了解辐射源
EMI源于快速变化的电流和电压。识别辐射源对于有效的缓解策略至关重要。
常见EMI源
数字电路
- • 时钟信号和谐波
- • 高速数据总线
- • 开关电源级
- • 处理器核心活动
电力电子
- • SMPS开关瞬态
- • 电机驱动
- • 继电器/接触器操作
- • 浪涌电流
射频电路
- • 本地振荡器
- • 发射器谐波
- • 合成器杂散
- • 非预期天线效应
耦合机制
- • 传导（电源、信号线）
- • 辐射（电场、磁场）
- • 电容性（电场）
- • 感应性（磁场）
EMC的接地策略
正确的接地是EMC设计的基础。设计良好的接地系统为电流提供低阻抗回路路径，并最小化共模噪声。
接地原则
- 单点接地： 低频（<1 MHz）- 防止接地环路
- 多点接地： 高频（>10 MHz）- 最小化接地阻抗
- 混合接地： 最适合混合频率系统
- 接地平面： 对于高速数字和射频电路至关重要
PCB接地平面设计
应该：
- • 使用实心、不间断的接地平面
- • 保持回路路径短而直接
- • 用多个过孔将平面缝合在一起
- • 在一点分离模拟和数字地
不应该：
- • 信号跨接地分割布线
- • 在接地平面中创建槽缝
- • 在高电流和低电流之间共享回路路径
- • 将接地同时用作信号参考和电源回路
屏蔽技术
屏蔽为电磁能量提供物理屏障。有效的屏蔽需要注意材料选择、结构和接缝处理。
屏蔽效能因素
材料特性
- • 电导率：越高=反射越好
- • 磁导率：越高=吸收越好（磁场）
- • 厚度：越厚=吸收越多
接缝和孔径
- • 孔径在高频下充当槽天线
- • 多个小孔优于一个大孔
- • 接缝需要EMI垫圈或紧密结合
- • 用于屏蔽冷却的蜂窝通风口
常见屏蔽材料
| 材料 | 最适合 | 备注 |
|---|---|---|
| 铝 | 电场屏蔽 | 轻量、经济 |
| 钢 | 磁场屏蔽 | 高磁导率、较重 |
| 铜 | 高频 | 最佳电导率 |
| 坡莫合金 | 低频磁性 | 非常高的磁导率 |
EMC滤波方法
滤波衰减不需要的频率，同时允许所需信号通过。正确的滤波器选择和放置对于传导辐射控制至关重要。
滤波器类型和应用
电容器滤波器
- • 将高频噪声分流到地
- • X电容：线对线（差模）
- • Y电容：线对地（共模）
- • 受自谐振限制
电感器滤波器
- • 高频串联阻抗
- • 共模扼流圈：抑制CM噪声
- • 铁氧体磁珠：宽带抑制
- • 注意高电流下的饱和
Pi和T滤波器
- • 多级以获得更高衰减
- • Pi：两端电容器
- • T：两端电感器
- • 匹配阻抗以获得最佳性能
馈通滤波器
- • 安装在屏蔽外壳壁上
- • 优异的高频性能
- • C、L-C、Pi配置可用
- • 用于电源和信号线
PCB布局EMC指南
良好的PCB布局是最具成本效益的EMC措施。许多EMC问题是由糟糕的布局决策造成的，这些决策在后期修复成本很高。
PCB EMC布局规则
信号布线
- • 保持高速走线短而直接
- • 在内部层布线时钟信号
- • 避免在平面分割上布线
- • 匹配高速信号的走线阻抗
- • 对敏感信号使用接地保护走线
元件放置
- • 将嘈杂的元件放在一起，远离敏感元件
- • 将晶体振荡器靠近其负载
- • 将去耦电容放在IC电源引脚附近
- • I/O元件靠近板边缘以便滤波
回路路径控制
- • 为所有信号提供不间断的回路路径
- • 信号更换层时添加缝合过孔
- • 最小化所有电流路径的环路面积
- • 在外层使用带缝合的接地填充
常见布局错误
- • 去耦电容到IC引脚的走线过长
- • 信号走线跨越平面间隙
- • 层转换时过孔缝合不足
- • 外层的时钟走线
- • 板入口处没有滤波的I/O电缆
电缆和连接器
电缆通常是辐射发射的主要天线和抗扰度问题的入口点。正确的电缆和连接器处理至关重要。
电缆EMC指南
- 屏蔽端接： 360°端接到连接器外壳
- 铁氧体扼流圈： 在电缆端添加以抑制共模
- 入口滤波： 所有进入外壳的信号都应滤波
- 电缆布线： 使电缆远离高频电路
电源EMC设计
开关电源是主要的EMI源。正确的设计和滤波对于满足传导和辐射发射限值至关重要。
SMPS EMC技术
输入侧：
- • 带X和Y电容的EMI滤波器
- • 共模扼流圈
- • 浪涌电流限制
- • 适当的安全间距
开关级：
- • 最小化高di/dt环路面积
- • 使用缓冲器减少振铃
- • 如需要屏蔽变压器
- • 扩频调制
EMC测试概述
EMC测试验证产品是否符合法规要求。了解测试方法有助于设计首次通过的产品。
常见EMC测试
辐射测试
- • 辐射发射（30 MHz - 1 GHz+）
- • 传导发射（150 kHz - 30 MHz）
- • 谐波电流（电源线）
- • 电压波动和闪烁
抗扰度测试
- • ESD（IEC 61000-4-2）
- • 辐射抗扰度（IEC 61000-4-3）
- • EFT/脉冲群（IEC 61000-4-4）
- • 浪涌（IEC 61000-4-5）
- • 传导抗扰度（IEC 61000-4-6）
EMI问题故障排除
EMI调试方法
步骤1：识别源
- • 将发射频率与时钟谐波关联
- • 使用近场探头定位辐射元件
- • 切换系统功能以隔离源
步骤2：识别耦合路径
- • 检查电缆（断开并测量）
- • 检查PCB走线和接地平面
- • 查找屏蔽间隙
步骤3：应用对策
- • 在源或耦合路径添加滤波
- • 改进屏蔽或接地
- • 在源处减少辐射（更慢的边沿、扩频）
EMC设计检查清单
设计阶段检查清单
- 已识别EMC要求
- 接地方案已定义
- 屏蔽策略已规划
- 滤波元件已选择
- PCB叠层包括接地平面
- I/O滤波已定义
- 电缆屏蔽端接已规划
- 已创建预合规测试计划
关键要点
- EMC设计必须从一开始就考虑——后期修复成本很高
- 良好的接地是EMC性能的基础
- 屏蔽只与其最弱的接缝或孔径一样好
- 在源头和每个电缆入口点进行滤波
- PCB布局对辐射和抗扰度有重大影响
- 预合规测试在认证时节省时间和金钱