本文介紹了在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)一些經(jīng)常出現(xiàn)的 EMC 問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的解決策略。

目前世界各個(gè)國(guó)家的產(chǎn)品認(rèn)證法規(guī)要求任何電子相關(guān) 產(chǎn)品在本國(guó)銷售必須帶有相應(yīng)標(biāo)識(shí)，以表明產(chǎn)品符合安全和 電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)要求。如中國(guó)的 CCC 認(rèn)證,美國(guó)的 FCC 和歐盟的 CE 認(rèn)證等, 已成為 WTO 規(guī)則中的技術(shù)貿(mào)易壁壘 (TBT ) , 如圖 1和圖 2所示。

EMC 的指標(biāo)是目前在所有法律法規(guī)所要求的項(xiàng)目中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)最難以達(dá)到的。 2006年調(diào)查表明，EMC問(wèn)題是 電子工程師在研發(fā)設(shè)計(jì)是遇到的最大挑戰(zhàn)，由于EMC的設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)較少，經(jīng)常在設(shè)計(jì)完成之后才進(jìn)行 EMC 的測(cè)試，一旦測(cè) 試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品準(zhǔn)備上市銷售了，EMC 的問(wèn)題總是 沒(méi)有時(shí)間來(lái)解決，項(xiàng)目總是要不斷的延遲，需要再花費(fèi)大量 的時(shí)間去解決,相信這是每位遇到 EMC 問(wèn)題的研發(fā)人員的深刻體會(huì)。

所以解決 EMC 的問(wèn)題應(yīng)該在產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程之中予以 解決，而不是在產(chǎn)品研發(fā)完成之后再進(jìn)行修補(bǔ),在設(shè)計(jì)中應(yīng) 遵循一些 EMC 的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)電路設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì) 進(jìn)行評(píng)審，并在每個(gè)研發(fā)階段應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的 EMC工程測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。

從 EMC 問(wèn)題產(chǎn)生的根源上解決問(wèn)題永遠(yuǎn)比在表面上解 決(如屏蔽)要好的多,且成本更低,且在整個(gè)項(xiàng)目研發(fā)流 程中,對(duì) EMC 問(wèn)題解決的越晚,所產(chǎn)生的成本會(huì)更高。

由于各個(gè) EMC 的測(cè)試項(xiàng)目不同,問(wèn)題產(chǎn)生的原因也不 盡相同,相應(yīng)的解決方法也不同,產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的電磁兼 容性問(wèn)題有以下幾種。

一、輻射發(fā)射無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求問(wèn)題

典型的產(chǎn)品電磁輻射問(wèn)題如下圖 3所示,有一些頻率點(diǎn) 上超出標(biāo)準(zhǔn)的要求,由于輻射發(fā)射的測(cè)試不確定度很大,各 個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的測(cè)試結(jié)果差異很大,許多公司都要求輻射發(fā) 射的測(cè)試結(jié)果有 4-6dB 的裕量。

類似輻射發(fā)射超標(biāo)的情況經(jīng)常發(fā)生,要想解決,須弄清 楚輻射產(chǎn)生的根本原因,據(jù)筆者分析,可能的輻射問(wèn)題來(lái)源 有 [1]：

1.印刷線路板中走線問(wèn)題引起的 ,如圖4.

在 PCB 板走線中應(yīng)該注意一些高速信號(hào)的回流路徑,我們知道信號(hào)即有電壓也會(huì)存在電流,而信號(hào)電流總是要流 回其源頭,如果高速信號(hào)的回流路徑過(guò)大,形成環(huán)路,很容 易對(duì)外輻射能量。

2.連接 PCB 板的電纜引走的問(wèn)題，如圖 5。

而與電路板相連的電纜也是產(chǎn)生輻射問(wèn)題的原因之一, 因?yàn)楦咚傩盘?hào)電流在電纜中流動(dòng)由于環(huán)路和阻抗不匹配等 原因很易對(duì)外產(chǎn)生共?；虿钅５碾姶泡椛洹?/p>

3. 電路中某些器件的快速切換。

高速電路中存在著眾多的高速器件,高速器件在快速的 切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電流的高速變化,從而引起能量的輻 射。

4. 多層印制板的板層設(shè)計(jì)不合理

圖 6 PCB板間的電磁場(chǎng)分布

在多層電路板中,如果疊層設(shè)計(jì)不合理,疊層之間的電 磁場(chǎng)耦合存在天線效應(yīng),對(duì)外進(jìn)行能量輻射,如圖 6所示。

圖 7 信號(hào)走線問(wèn)題仿真分析 [3]

輻射的能量從哪里出來(lái),如何解決?通常要花費(fèi)工程 師相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行分析解決。圖 7的仿真分析結(jié)果則很 清晰表明的產(chǎn)生輻射問(wèn)題的機(jī)理,在高頻狀態(tài)下,電流總是 尋找最短路徑回到源端,在存在障礙的情況下(高阻抗、環(huán) 流面積大)就會(huì)對(duì)產(chǎn)生輻射。

屏蔽是解決輻射問(wèn)題的直接辦法,但卻不能根除問(wèn)題 根源,并會(huì)帶來(lái)許多其他問(wèn)題,設(shè)計(jì)成本會(huì)上升,且在產(chǎn)品 生產(chǎn)中增加工藝的復(fù)雜性,生產(chǎn)成本也會(huì)增加。所以說(shuō)屏蔽 是解決輻射問(wèn)題的最后的辦法, 絕大多數(shù)的問(wèn)題都可以用最 簡(jiǎn)單的辦法,也是最低成本的辦法于以解決。

分析信號(hào)特性，找出問(wèn)題根源,進(jìn)行信號(hào)設(shè)計(jì)和 PCB 板的良好設(shè)計(jì)是解決此類問(wèn)題的最佳方案, 幾乎不用增加任 何成本。

二、 ESD 靜電放電測(cè)試無(wú)法通過(guò)

靜題的測(cè)試項(xiàng)目之一, 經(jīng)常發(fā)生的失效現(xiàn)象有系統(tǒng)死機(jī),系統(tǒng)復(fù)位,顯示面板出現(xiàn)錯(cuò)誤, 發(fā)生上述問(wèn)題的根本原因是靜電放電電流耦合到電路板中的某些走線上進(jìn)入 CPU 內(nèi)部, CPU 在信號(hào)狀態(tài)突變時(shí) 無(wú)法有效處理或干擾引起的運(yùn)行中斷導(dǎo)致無(wú)法回復(fù)到原來(lái) 的狀態(tài),靜電放電測(cè)試也是一項(xiàng)破壞性的測(cè)試項(xiàng)目,產(chǎn)生的 靜電放電電流會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致器件發(fā)生物理性損壞, 這一點(diǎn)需要在測(cè)試中注意。

基于以上分析,在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)于可能進(jìn)行 ESD 測(cè) 試的部件進(jìn)行一些處理(包括系統(tǒng)良好接地,控制面板絕緣 處理,關(guān)鍵信號(hào)隔離濾波,通信協(xié)議的容錯(cuò)分析,專用接地 層的使用等)。

盡管在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了大量的考慮,采取一些防止 EMC 問(wèn)題的方法,但在實(shí)際測(cè)試中還會(huì)可以出現(xiàn)問(wèn)題,這就是 EMC 問(wèn)題的特性，無(wú)法預(yù)測(cè)， 在發(fā)生 ESD 問(wèn)題時(shí)，解決方案有：

- 改進(jìn)系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)(包括機(jī)箱機(jī)柜、控制面板、通 信電纜連接)。

- 改進(jìn)電路板的接地設(shè)計(jì),對(duì)外接口 ESD 接地的設(shè)計(jì)。

- 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位或通信錯(cuò)誤的根本原因,在 PCB 板進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)處理和在軟件上進(jìn)行處理, 也解決 ESD 問(wèn)題 的最好辦法,費(fèi)用最低,但難度較大、較為耗時(shí)。

三、 產(chǎn)品的輻射抗擾度問(wèn)題

產(chǎn)品的輻射抗擾度測(cè)試是在全電波暗室中進(jìn)行如圖 9

所示,標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)等級(jí)有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產(chǎn)品的測(cè)試方法有所不同。

數(shù)字電路相對(duì)于模擬電路的抗輻射干擾能力要強(qiáng)的 多,在輻射抗擾度測(cè)試過(guò)程中,多數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題的是帶模擬電 路的產(chǎn)品, 測(cè)試中常出現(xiàn)的問(wèn)題有在某些頻率上產(chǎn)品的信號(hào) 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯(cuò)誤,或系統(tǒng)復(fù)機(jī) 死機(jī)。

所示,標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)等級(jí)有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產(chǎn)品的測(cè)試方法有所不同。

數(shù)字電路相對(duì)于模擬電路的抗輻射干擾能力要強(qiáng)的 多,在輻射抗擾度測(cè)試過(guò)程中,多數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題的是帶模擬電 路的產(chǎn)品, 測(cè)試中常出現(xiàn)的問(wèn)題有在某些頻率上產(chǎn)品的信號(hào) 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯(cuò)誤,或系統(tǒng)復(fù)機(jī) 死機(jī)。

此類問(wèn)題主要出現(xiàn)于通信類產(chǎn)品和帶有信號(hào)采信、用模擬 電路進(jìn)行信號(hào)處理的產(chǎn)品中, 其根源與其他的 EMC 抗擾度問(wèn)題類 似, 是干擾進(jìn)入 CPU 內(nèi)部影響其正常運(yùn)行, 對(duì)于模擬電路的產(chǎn)品, 信號(hào)在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)濾波很重要。

一旦出現(xiàn)測(cè)試通不過(guò)的問(wèn)題,判斷出到底根源在哪里是很 不容易,解決難度相當(dāng)?shù)拇?且相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間和精力,在實(shí)驗(yàn)室 中測(cè)試成本大幅上升。

解決方案有包括：- 系統(tǒng)的良好的接地設(shè)計(jì)(包括機(jī)箱機(jī)柜、控制面板、通信 電纜連接)以及完善的電路信號(hào)處理。

- 在解決產(chǎn)品輻射抗擾度的過(guò)程中,有一些獨(dú)特辦法,迅速 定位出抗擾度問(wèn)題的根源, 在電路設(shè)計(jì)上采用相應(yīng)的措施用以解 決此類問(wèn)題,不建議采用屏蔽的辦法來(lái)解決。

四 其他傳導(dǎo)類的電磁干擾如電快速瞬變脈沖群抗擾 度、浪涌和射頻傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試也會(huì)發(fā)生問(wèn)題,但解決 起來(lái)會(huì)比較容易一些,在此不再壘述。

結(jié)束語(yǔ)

以上是在為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)行電磁兼容咨詢和解決問(wèn)題的 過(guò)程中的一些體會(huì),寫(xiě)出來(lái)與大家其享,希望大家在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè) 計(jì)的過(guò)程中不要因?yàn)?EMC 的問(wèn)題造成麻煩,也希望利用自己的 一些經(jīng)驗(yàn)幫助大家避免和解決產(chǎn)品研發(fā)中的 EMC 問(wèn)題,也借此 機(jī)會(huì)與大家交流,文中有不妥的地方,請(qǐng)批評(píng)指正,謝謝!