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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)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(chǎn)品為什么要考慮EMC？舉個網(wǎng)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(chǎn)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�？梢奅MC問題關系著我們產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品EMC設計，涉及生命安全的產(chǎn)品，需要高度重視。進一步總結產(chǎn)品MEC需要考慮：（1）市場準入和國家法規(guī)的要求：技術的貿(mào)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(chǎn)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(tǒng)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(jīng)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(xiàn)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(zhuǎn)動產(chǎn)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(chǎn)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(jù)經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)過公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流i，或者di/dt。舉例：數(shù)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(shù)字信號流過共阻抗時，在模擬電路上產(chǎn)生uA電流產(chǎn)生電壓，模擬信號敏感電壓將出現(xiàn)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(chǎn)生的主要原因是流過高頻電流回路產(chǎn)生的磁通空間上串到接收回路中產(chǎn)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(chǎn)品敏感源，常見的如：復位電路、傳感器采樣電路，數(shù)據(jù)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(chǎn)生共模漏流，就會對傳感器的采集產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的這個基本特點。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)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(shù)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(wǎng)絡的A參數(shù)，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(lián)后與源阻抗串聯(lián)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(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.33V，則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。根據(jù)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(chǎn)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(jù)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(jù)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(wǎng)絡拓撲如下，實際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網(wǎng)絡。主要原因是根據(jù)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(jīng)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(diào)換CL的位置，如下圖，在沒有經(jīng)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(wǎng)絡和T型網(wǎng)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(lián)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)生共模電流，從而導致共模干擾。

根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因和經(jīng)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(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)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(jīng)過AC頭接入了LISN的采樣電阻（50歐姆），再經(jīng)過測試儀器內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生電流 ldm ，不與地線構成回路。

由 Vdm 驅(qū)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(jù)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(jīng)測試儀器的采樣電阻。因此根據(jù)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(zhì)，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(shù)字IC電源、時鐘、接口相關的濾波設計1 數(shù)字電源濾波
本文的數(shù)字電源特指給數(shù)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(shù)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(shù)字系統(tǒng)中，電源分配系統(tǒng)(PDS，Power Distribution System)的質(zhì)量直接影響著信號的質(zhì)量。電源噪聲表現(xiàn)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(tǒng)的噪聲容限和信號的時序。電源分配系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)保持較低阻抗； 高頻陶瓷電容在 MHz 到百 MHz 的頻率范圍內(nèi)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(lián)在一起 (N 個電容并聯(lián)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(chǎn)品進行歐洲 CE 認證，EN55022 空間輻射項目測試超標，導致產(chǎn)品不能認證上市。分析頻譜發(fā)現(xiàn)主要是240、360、480、600、720MHz超標，超標頻率是120M的倍頻。?擾源：數(shù)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(jù)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(chǎn)?的影響：

周期信號的傅里葉級數(shù)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(jù)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(chǎn)品經(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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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