如何輕松拿捏EMC？

硬件筆記本 · 發(fā)表于 2024-9-10 07:41:00

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01、emc簡介電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility），在國際電工委員會標準IEC對電磁兼容的定義為：系統或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不會對其他系統和設備造成干擾。EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部分：（1）EMI電磁干擾，乃為機器本身在執(zhí)行應有功能的過程中所產生不利于其它系統的電磁噪聲（如打呼嚕太大，影響周圍人睡覺）；（2）EMS乃指機器在執(zhí)行應有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。
02、電子產品為什么要考慮EMC？舉個網上的案例：1967年，火箭飛行控制計算機，發(fā)射時需要考慮冷卻方案，早期都是冷卻液循環(huán)，冷卻液在流動制冷時，會存在靜電積累（液體流動摩擦），到一定程度沒有泄放通路，遇到金屬就會產生擊穿放電。設計時設計絕緣氣隙距離假如是10cm，但火箭到26KM的高空，接近真空時，環(huán)境和氣壓不一樣，絕緣氣隙距離縮短，導致故障。可見EMC問題關系著我們產品的可靠性，產品EMC設計，涉及生命安全的產品，需要高度重視。進一步總結產品MEC需要考慮：（1）市場準入和國家法規(guī)的要求：技術的貿易壁壘；（2）特殊行業(yè)的準入要求：軍工、鐵路、汽車等行業(yè)準入要求；（3）零部件電磁兼容需求，產品本身EMC性能需求；（4）可靠性要求，電磁兼容做好，為市場應用的可靠性做保障，需要考慮各種極端工況；（5）特殊應用，如EMC的信息安全：無線電信息截取、433傳統汽車無線鑰匙干擾等；
03、EMC三要素EMC問題，我們可以用電路模型來建立EMC問題模型和給出解決方案。首先介紹下EMC的三要求：干擾源、傳播路徑、敏感源，其中干擾路徑是最不容易判斷的，干擾源和敏感設備可以通過經驗做一些識別。

舉個案例幫助我們更好的理解三要素：如電吹風使用時，電視機出現雪花屏（1）電視機的EMS，可能比較差，測不過；（2）電吹風的EMI，同時可能也沒有做限制；
那案例中的三要素分析如下：（1）干擾源：電池風里面的電源電路、電機轉動產生的電源變化（2）敏感設備：電視機顯示屏（3）耦合路徑：可能是220V插排的供電口（共用插排），或者空間電磁波輻射干擾

04、干擾源電子產品干擾源在電磁環(huán)境下的干擾源各種各樣，常見的如：（1）無線發(fā)射（4G、5G、對講機）：RS類干擾（2）雷電：浪涌類的干擾（3）人體：ESD類干擾（4）電氣開關的工作：EFT/CS類的干擾

從常見的干擾源信號特征，我們可以總結出電磁干擾源的要素：即變化的電壓（dv/dt）或者電流（di/dt）。進一步在EMC問題中，根據經驗60%問題來源于DCDC干擾。對于設備來說DCDC開關電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例，DCDC芯片開關過程中產生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關噪聲不僅包含開關次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關速度越低，高頻噪聲分量衰減越大。

除DCDC電源外，常見還有高速時鐘信號，在電磁兼容的輻射發(fā)射測試中，常見的就是時鐘輻射超標（如下圖所示）。

因為時域中周期性的信號對應頻域中離散的頻譜，所以時鐘能量比較集中，這在頻譜上的表現就是：時鐘頻點（時鐘基頻以及倍頻）上能量很高，而非時鐘頻點幾乎沒有能量。
05、耦合路徑常見的耦合路徑包括：

（1）傳導：在干擾源和接收電路之間的耦合路徑就是直接的接觸，比如引線、電纜或者路徑連接。常見的耦合如電阻性耦合，由兩個回路經過公共阻抗耦合而產生，干擾量是電流i，或者di/dt。舉例：數字電路和模擬電路為啥要做地分割隔離，最怕存在共阻抗的時候，數字信號流過共阻抗時，在模擬電路上產生uA電流產生電壓，模擬信號敏感電壓將出現偏差。

（2）空間耦合：（2-1）互容耦合：在兩個接近的導體或者引線之間存在各種電容場，如最典型的平行走線，噪聲源和敏感源之間有分布電容C2，頻率下等效于為阻抗，就類似電阻耦合的干擾案例。

（2-2）電感耦合：在兩個平行導體或者引線之間存在磁場，當間距小于電磁波波長的時候會在接收導體上引起電壓的變化。磁通的方式相互影響，如無線充電，常見干擾如PCB上的平行布線。

對于電感或者磁場耦合，干擾產生的主要原因是流過高頻電流回路產生的磁通空間上串到接收回路中產生的，因此問題的改善，一般需要減小流過高頻電流回路的面積或者接收回路的面積。

（2-3）電磁輻射：當干擾源與接收電路之間的距離比較遠，大于電磁波波長，發(fā)射與接收之間相當于無線電天線，電磁干擾從干擾源發(fā)送，輻射出的電磁波在空氣中傳播。
06、敏感源電子產品敏感源，常見的如：復位電路、傳感器采樣電路，數據通信電路、音視頻處理電路等均視為敏感電路。舉例如傳感器和大功率用電設備如電機共地了，大功率電機工作的時候產生共模漏流，就會對傳感器的采集產生影響，在設計時我們需要注意此類信號。
07、時域與頻域時域與頻域是針對同一個事物，不同角度的分析結果，在做EMC分析時更多的是從頻域的角度去分析問題。如在時域上，基帶的時鐘越接近完美的方波，但在頻域上，射頻的EMC可能是一個不好的波形（邊沿越陡峭，高次諧波頻譜能量越大）。

我們從最常見的DCDC開關信號和高頻時鐘信號在頻域的角度進行展開。左圖表示為脈沖波形，在時域上，其特征是tw（脈沖寬度）和ts（上升時間/下降時間）。中間的圖形表示從傅里葉變換獲得的理論脈沖波形的頻譜。頻域上，隨著頻率的升高，振幅衰減，衰減斜率隨tw和ts而變化。最右邊的圖表顯示了當脈沖ts變慢（增加）時頻譜的變化。當斜率變化到-40db/dec時，1/πts的頻率點降低，最終結果是振幅減小。簡單地說，當ts變慢時，頻譜振幅衰減。

因此時域信號邊沿越陡峭，頻域高次諧波頻譜能量越大。如上升沿的快速變化，產生的高次諧波能量，在EMC工程師眼里，都希望它盡快落到-40db衰減的范圍。改變的方式為增加電阻或者電容（加大tr）。如時鐘周期信號，增加RC，在滿足時鐘信號質量要求的前提下，盡可能減緩信號的上升沿的變化速度。相應我們可以總結出經常遇到的EMC信號特點：（1）ESD：上升沿tr波形一般會在0.5ns-1ns左右，達到GHz，高頻能量豐富，干擾強。（2）EFT：上升沿tr波形一般會在5ns左右，主要頻譜都在幾十MHz，更多的靠濾波解決。（3）Surge：上升沿tr波形一般會是us級別，主要頻譜能量在KHz，更多靠瞬態(tài)防護器件吸收，不是濾波。
接下來再跟大家分享一些基礎的解決方案EMC主要是解決干擾問題，目前主要的手段有：屏蔽、濾波、接地等方案，本次主要分享的是濾波。
1 濾波器介紹
濾波 (Wave filtering)：是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。如傳導、輻射超標，是某個電纜的對外傳導、輻射的，那就可以在敏感信號處進行濾波。實際上，任何一個電子系統都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制）。頻率特性反映出了電子系統的這個基本特點。而濾波器，則是根據電路參數對電路頻帶寬度的影響而設計出來的工程應用電路。濾波作用：切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，可與屏蔽共同構成完善的干擾防護。

2 濾波器重要指標-插入損耗
插入損耗：插入損耗是衡量濾波電路濾波效果的指標，通常以分貝數或頻率特性曲線來表示。它是指濾波電路接入電路前后，電源傳給負載的功率比或端口電壓比。IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB)其中 Po、P2、 Vo、V2分別表示濾波電路接入前后負載端的功率和電壓。

式(1) 中，RL、和 RS，分別表示源阻抗和負載阻抗，a11、a12、a21、a22表示濾波器網絡的A參數，更詳細的計算方法可以參考文獻《EMI電源濾波器的插入損耗分析》。這里舉個例子，如下圖的差模濾波方案，假設源端阻抗和負載阻抗均為50歐姆，電源輸入1V，濾波電容的阻抗 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負載阻抗并聯后與源阻抗串聯分壓即V2=0.019V，則插入損耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

假設源端阻抗和負載阻抗均為 1 歐姆，則未加濾波器前，V0=0.5V，加入濾波器后，V2為濾波阻抗和負載阻抗并聯后與源阻抗串聯分壓即V2=0.33V，則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。根據公式和示例，可以知道 EMI 濾波器電路在不同的源與負載阻抗的情況下，濾波性能有很大的差異。在一般的濾波器產品說明書中，提供的插入損耗值都是在源阻抗和負載阻抗均為50歐姆的情況下得到的。

在實際使用中，濾波器的端阻抗隨著工作環(huán)境的變化而變化，因而對濾波器插入損耗的影響也很大，濾波電路也是如此。設計時要求濾波器的插入損耗越大越好，整改時可以根據超標頻率選擇合適的濾波器。3 濾波器類型和選型特征
濾波器根據濾波頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻等，在EMC問題中，最常用的為低通濾波器。

低通濾波器常見的網絡拓撲如下，實際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網絡。主要原因是根據插損的計算方法，在電感靠近低阻，電容靠近高阻時濾波效果最佳。而實際使用時往往不能準確識別源端和負載端的高低組狀態(tài)，所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。

舉例如下，在沒有經過CL濾波前，電壓基本都在負載電阻上即1V，加入CL濾波后，負載電壓為濾波電容上電壓的一半為0.25V，插損=20lg1/0.25=12db。

上例的基礎上，調換CL的位置，如下圖，在沒有經過CL濾波前，電壓基本都在負載電阻上即1V，加入濾波后，負載電壓為濾波電容上電壓，為0.001V，插損=20lg1/0.001=60db。

元器件沒有變，只是變換位置，濾波效果的差異很大，原理即：電容靠近高阻，電感靠近低阻才更有效。實際應用選擇：在不知道源端和負載的阻抗高低的情況下，比較合理的就是pi網絡和T型網絡。針對低頻，通常采用電容+電感+電容濾波方式，高頻采用電容+磁珠+電容濾波方式。如PI型，不管ZS、ZL是高還是低，并聯電容后都是低，中間電感靠近低阻為有效狀態(tài)。4 濾波器案例：電源的EMC三要素分析
對于EMC問題，我們在原理圖階段就要進行濾波設計，其要點就是從EMC的三要素出發(fā)：干擾的源頭：降低強度敏感電路：提高抗干擾能力干擾耦合路徑：降低路徑效率下面以開關電源為例，分析其濾波設計方案。開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來。由于開關電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。如何降低甚至消除開關電源的 EMI 問題已經成為開關電源設計師以及電磁兼容(EMC)設計師非常關注的問題。

開關電源的干擾，既有共模干擾，也有差模干擾。對于差模干擾：其存在于L-N線之間，電流從 L 進入，流過整流二極管正極，再流經負載，通過熱地，到整流二極管，再回到N。在這條通路上，有高速開關的大功率器件，有反向恢復時間極短的二極管，這些器件產生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機檢測到，導致傳導超標。對于共模干擾：共模干擾是因為大地與設備電纜之間存在寄生電容，高頻干擾噪聲會通過該寄生電容，在大地與電纜之間產生共模電流，從而導致共模干擾。

根據干擾產生的原因和經驗，低頻如150kHz-1.5MHz，以差模為主，1.5MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后高頻部分基本上是共模干擾為主。我們先以差模干擾為例展示干擾的源頭、耦合路徑和測試的敏感電路。從干擾源頭看，開關電源產生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產生的高di/dt和高dv/dt，它們產生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。

從耦合路徑看，待測設備（EUT）的電源端口是干擾源，測試儀器為敏感電路，則從儀器的連接關系看，電源端口的干擾經過AC頭接入了LISN的采樣電阻（50歐姆），再經過測試儀器內部的采樣電阻50歐姆，整個采樣電阻接近100歐姆。當采樣電阻上的電壓超標，則傳導的干擾超標。

進一步轉化為如下電路模型，來看干擾的通路。噪聲主要由 di/dt 引起，通過寄生電感，在火線和零線之間的回路中傳播，在兩根線之間產生電流 ldm ，不與地線構成回路。

由 Vdm 驅動的 Idm 導致輸入 AC 端口差模干擾，LISN +儀器的采樣阻抗為 100歐姆，開關電源的接口沒有濾波時，則很容易傳導測試超標，干擾都在敏感設備上（采樣電阻為高阻，VDM的ZC+ESR為低阻）。干擾電壓幅度為：Vdm：

這種情況下，針對電源口的EMC濾波就可以考慮電容方案，接口加差模濾波電容，C1通常為100nF~2.2uF的聚醋X2電容。

X電容，常用做抑制電源電磁干擾，一般安裝到電源火線與零線之間，而且起到的作用都是差模濾波。X1電容耐電壓更高，在一些更高電壓的電路中要使用X1安規(guī)電容，X1 >2.5kV ≤4.0kV ；X2 ≤2.5kV。

電容容值選型原則：根據電容的阻抗-頻率特性曲線進行選型，在需要濾波的頻點上，讓電容的阻抗盡可能小，即讓干擾電流更多的流向大地，而不是流經測試儀器的采樣電阻。因此根據差模干擾為低頻干擾，頻段在 150kHz-1.5MHz，可選100nF~2.2uF電容，再結合耐壓確認電容型號。

假設傳導測試時，超標比較多，則考慮PI型濾波器。L1，L2，C1，C2 構成低通 PI 型濾波器，L1、L2通常為100 ~300uH鐵粉芯電感，也可由共模電感的漏感形成，C1，C2通常為 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2電容。

4 結論
解決EMI問題從源頭考慮進行濾波，效果更好，如開關電源，從端口進行傳導濾波。設計濾波時，需要針對傳導干擾的特性，有針對性進行濾波器件選擇。并且遵循電容靠近高阻，電感靠近低阻的原則，才能獲取較好的濾波效果。通常在傳導測試中，首先分析干擾性質，通常低頻超標的濾波方案，主要電容和PI濾波電路，也可以考慮差模電感，在開關電源設計前需要增加差模濾波電路。
下面介紹數字IC電源、時鐘、接口相關的濾波設計1 數字電源濾波
本文的數字電源特指給數字芯?供電的電源，通常把較高的電壓降低到1.8V/3.3V等電壓。數字電源往往電壓?較低，并且電源引腳較多，因此?般使?電容濾波。電容濾波?/?容值配合使?，?電容儲電（uF級別），?電容?頻濾波，每個電源管腳?個，容值由濾波頻率決定（?般?頻取1nF、100pF，低頻0.1uF）。儲能電容與高頻電容配合使用，下圖中間波?是反諧振點，由電路寄生電容&電感諧振導致，此頻率附近的濾波效果最差，如果造成了影響，就需要考慮增加該頻率附近的電容。

在數字系統中，電源分配系統(PDS，Power Distribution System)的質量直接影響著信號的質量。電源噪聲表現為同步開關噪聲(SSN)、地電彈噪聲(GroundBounce)和回流噪聲等，它直接影響著系統的噪聲容限和信號的時序。電源分配系統設計的關鍵是控制電源的目標阻抗。設計主要考慮的問題有：PCB 疊層方案、濾波電容的選擇和放置、電源分割、連接器的選擇等等。PCB 板上的電源分配系統由電源模塊、電源地平面、各種電容組成。它們分別在不同的頻率范圍內作出響應： 電源模塊響應的頻率范圍大約是從直流到 kHz；大的電解電容提供電流并在 kHz 到 MHz 的范圍內保持較低阻抗； 高頻陶瓷電容在 MHz 到百 MHz 的頻率范圍內保持較低阻抗； PCB 板上的電源地平面對則在 100MHz 以上發(fā)揮重要作用；

尺寸小的電容 (如 0603 封裝)寄生電感較小，容值也小，因而其諧振頻率較高，在高頻情況下阻抗較低，常被用來減小 EMI 和回流噪聲。尺寸較大的電容（如電解電容），可以提供比較大的電流，然而其諧振頻率不高，這使得它的應用受到很多限制。為了得到比較大的電容和較高的諧振頻率，可以把幾個小電容并聯在一起 (N 個電容并聯后，其容值為 NxC，電感為 L/N，諧振頻率不變，ESR 減小為 R/N)。
案例：SDRAM電源濾波不?，EMI測試不通過。某產品進行歐洲 CE 認證，EN55022 空間輻射項目測試超標，導致產品不能認證上市。分析頻譜發(fā)現主要是240、360、480、600、720MHz超標，超標頻率是120M的倍頻。?擾源：數字電路時鐘（SDRAM 120MHz）。耦合路徑：外接線纜（主要通過電源或地耦合）、PCB?線環(huán)路。

解決問題的主要思路是降低干擾源影響，同時在接口增加濾波電路，減弱耦合途徑的效率。 接口處理：接口是主要耦合路徑，因此信號端口需要進行濾波，主要是磁珠 +電容方式，磁珠選取 600R/100M，電容選擇了 200PF。原理圖改進：SDRAM 時鐘是干擾源，在匹配電阻后增加了對地濾波電容，取 10PF 左右（根據干擾頻率決定）。同時增加電源管腳電容，容值取220pF。PCB 改進：SDRAM 與 CPU 接口連接走線跨分割，地環(huán)路面積大，改進后的電容靠近電源引腳放置，IC下方地平面完整。2 時鐘濾波設計
時鐘信號也是干擾常見的源頭之一，下圖分別是時鐘信號對時域和頻域產?的影響：

周期信號的傅里葉級數展開式為：

從公式中可以看到周期信號會有基頻的奇次諧波分量（如1 3 5 ...），這是因為偶次諧波剛好被0相乘了。但我們有時候也會看到偶次諧波，這往往是因為信號的上升/下降時間不一致，導致在頻譜中看到偶次諧波，下圖是利用LTspice完成的仿真對比。

下圖是有源晶振濾波電路的一個簡單例子：

晶振的供電使用了磁珠+電容的組合，輸出時鐘增加了RC濾波。電阻通常采取 22R/33R/47R，有些低頻時鐘可以用磁珠替代。電容根據時鐘頻率選取，頻率越高，電容值越小，一般100M 時鐘選取 5pf 電容濾波，50M 時鐘可以選取 22pf 電容濾波。另外，建議設計時單板上 CLK 信號預留阻容濾波設計，最差情況是電容不焊接，電阻采取 0 歐姆替代。 3 接口濾波設計
電子產品經常通過電纜對外通信，但電纜往往帶來電磁兼容問題，主要原因是電纜可以傳導電磁干擾，同時可以作為天線，接收和發(fā)射電磁干擾。電子產品的電纜長度從幾十厘米到幾公里不等，可以在特定的頻率進行發(fā)射與接收電磁干擾信號。當天線的長度接近無線電信號波長的 1/4 時，天線的發(fā)射和接收轉換效率較高，受到的干擾也較大。頻率和波長的關系（λ=c/f）如下：

電纜干擾定位：當遇到產品 RE 測試超標問題時，直接拔掉電纜的方式是最方便快捷的。如果發(fā)現確實是電纜導致超標，可以嘗試在電纜上施加屏蔽接地等措施以外，另外在接口處采取濾波措施也是重要的手段。 1）針對內部干擾，通過電容等方式形成干擾信號的低阻抗通路，阻止其跑到外部。

2）針對外部干擾，一邊是使用磁珠形成高阻抗通路，一邊是將外部干擾通過機殼泄放到地，阻止其進入內部，右圖是最完整的方案。

通信接口一般分為非差分接口和差分接口：
非差分接口通過公共地回流，比如232、PS2、VGA信號，通常使用電容+磁珠+電容的方式進行濾波（高速時使用串阻代替磁珠），通常不使用共模電感。差分傳輸的特征是兩根線束傳輸信號，兩個信號振幅相同，相位相反，電流?向相反。典型的差分接?：485、CAN、HDMI、USB、LVDS、以太?等。通常采用共模電感濾波（例如USB、HDMI等都有專用的共模電感），中低速可以使用電容。備注：磁珠：確保對正常信號?作頻率的阻抗電感：濾波頻率KHz?100MHz，電感的額定電流通常會較?。

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