EMC兼容设计技术综述

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1、 电磁兼容设计技术 EMC设计任务（1） 大的电子系统EMC设计需要用到力学、光学、热学、自动控 制、无线电电子学、能源等多种学科的专门和综合知识， 同时必须集构形设计、结构设计、热控设计、电源分系统 设计、测控与通信分系统设计等综合考虑。而电子系统EMC 设计是与上述诸设计均相关的全局性问题。 当前科学技术向高频、高速、高灵敏度、高集成度发展； 有时一台设备中安装有几个单位研制的电路板，目前板级 产品的试验验收在工程上存在一些实际问题。更重要的是 集成度提高的同时也使得系统内部电磁环境异常恶劣。 EMC设计任务（2） 电子系统设计的任务首先是把用户需求转变成系统的 性能和功能要求，确定初步研

2、制计划。接着把比较笼 统的初步研制要求逐步划分到若干个分系统直至成千 上万个具体研制任务，通过设备级研制、生产、测试 验收以及总体电路设计、总装设计等复杂过程，才能 把这些任务研究所得成果最终完成一个技术上合理、 经济上合算、研制周期短、能协调运转的电子系统工 程设计，并要求这个系统能有机地隶属于更大系统的 有效组成部分。电子系统EMC设计要融进整个系统工 程设计中。 EMC设计程序 （1） EMC设计从 分析任务的电磁环境和功能要求开始，首先在 方案设计的基础上 对系统频谱特性进行分析预测；重点编 制EMC设计规范；包括确定系统的电磁环境要求，明确电磁 环境试验要求；对系统内各分系统及其设备

3、进行EMC分析， 预估计系统内的电磁环境状况，选定现行有效的EMC标准， 并根据实际工程要求作适当裁剪；提出电路设计、结构设 计、工艺设计要求及对接地和搭接、布局和布线、屏蔽、 滤波、隔离等设计技术的具体实施约定等。 EMC设计程序（2） EMC设计分三级，电路组件级、设备和分系统级、系统内 和系统间；前两级的工程实施是第三级的基础，第三级的 设计要求是前两级的设计依据。 EMC设计工程实施必须从元器件选择、材料选用开始，搞 好电路组件设计，PCB板设计和设备样机研制；在设备验 收的基础上抓好总装工艺进行系统集成。在电子设备或系 统的EMC设计中，关键是有源器件的正确选型和印制电路 板(PCB

4、)设计。 6* 设计师应具备的设计理念（设计师应具备的设计理念（1 1） EMC设计直接影响着系统的安全性、可靠性、系统精 度、界面参数和环境控制等功能指标。 系统EMC问题不仅仅和电子设备的设计相关，而且与 其结构外形、总装工艺、热控等等也有直接关系。 7* 设计师应具备的设计理念（设计理念（2 2） EMC设计是电子系统设计的重要组成部分，只有 具备EMC意识的设计师才能提出性能价格比最佳 的设计方案。 电子产品设计师必须关注有源器件的开关速度等 特性以及无源器件的非理想特性，因为电磁干扰 常常是由无源器件的无意接收和耦合引起的。 建立EMC意识(1) 1. 任何复杂的电子系统都是由最基本

5、的电子单元组成。他们 包括导线、连键盘、电阻器、电容器、电感器、铁氧体器 件和集成电路模块等。 2. 任何电子单元都有最基本的电性能，称为理想性能。但一 旦他们被安装在高频电路中，由于他们自身的高频特性， 或由于寄生电容、寄生电感的存在使其呈现一些非理想特 性，这些非理想特性与电子系统中的干扰现象相关。 建立EMC意识(2) 单根导线单位长度的电阻在低频时与材料（电导率） 和截面积有关，而高频时由于趋肤效应使得可实际利 用的截面积为环形，单根导线单位长度的电阻随频率 升高而变大。 单根导线单位长度的电感（内感），由进入导线内部 的磁通量引起，高频集肤效应作用，使其随频率升高 而变小。 单位长度

6、电阻与频率相关 PCB连接盘与集肤效应关系 单位长度电感与频率相关 建立EMC意识(3) 一对导线单位长度的电感（外感）是单位长度导线间的磁 通量与该磁通量产生的电流之比。电流需要构成回路。能 在两点间传输信号的平行导体叫传输线。 传输线可以是双线、无限大平面上的单根导线或同轴线。 源端可以是数字逻辑门、发射器。终端可以是电阻、电感 、电容或非线性负载。 双线传输线 平板上单根线和同轴线 建立EMC意识(4) 建立完整性信号概念，保证一个数字脉冲通过传输 线传输时，能够以要求的电平和波形到达接收器。 工程上的实际情况是当数字信号从一端传递到另一 端时信号会出现时延。 传输线上的不连续和终端负载

7、的不匹配产生振铃现 象从而导致波形畸变。 相等传输路径 不相等传输路径导致时钟偏移 高速数字信号由于逻辑错误产生振铃现象 建立EMC意识(5) 工程上建立一个电子系统，在电路设计中不可避 免地使用不同的分立元件、电阻器、电感器、电 容器。影响元件高频性能最重要因素之一就是元 件连接引线的长度。 过长的连接引线在高频时会使元件性能偏离理想 状态。下面通过一些图形了解包含引线的电阻器 、电感器、电容器的阻抗特性， 含引线电阻的非理想特性（1） 含引线电阻的非理想特性（2） 不同频率下电阻器的简化电路（1） 不同频率下电阻器的简化电路（2） 建立EMC意识(6) 下面图告诉我们包含引线的电容器有引线

8、电感和 等效串联电阻部分。 进而告诉我们一个含引线的电容器只能旁路低于 电容器自谐振频率以下的噪声电流。高于自谐振 频率的电容器呈现感性。 理想电容的频率响应 含引线电容的频率响应 带1/2英寸引线的0.15微法幅频特性 带1/2英寸引线的0.15微法相频特性 建立EMC意识(7) 下面图告诉我们包含引线的电感器有引线电感、引线电容 和寄生电阻部分。 进而告诉我们电感器与导线或连键盘串联可以阻塞噪声电 流。只有当噪声频率低于电感器自谐振频率，一个含引线 的电感器才呈现感性，同时还要电感器提供的阻抗大于负 载阻抗时才有效。 理想电感的频率响应 含引线电感的频率响应 1.2微亨电感的幅频特性 1.

9、2微亨电感的相频特性 大于负载阻抗串联电感阻塞噪声 元器件引线的磁场效应 元器件引线的电场效应 建立EMC意识(8) 电路或电磁辐射结构电尺寸小于十分之一波长时称电小 尺寸，可以用集总参数模型处理问题，它遵守基尔霍夫 定律。当电路的最大尺寸大于1/10波长时，必须用麦克 斯韦方程组解释电磁场的分布特性。 合理的低频系统设计要遵循“回流原则”，即流过低频 电缆束内的供电或信号的往返电流代数和等于“零”。 建立EMC意识(9) 合理的低频系统设计应避免“地回路”，包括直 流“地回路”和通过较大电容耦合的交流 “地回 路“。 电流总是要返回电流源（闭合）。但并不总是沿 着电路图指定的路径返回，但一定

10、是沿着最低阻 抗路径返回。图11-6 屏蔽电缆电流低于某个频率 电流流地线，高于某个频率电流流经屏蔽层。 信号返回路径说明 建立EMC意识(10) 高频情况下电阻器等效于电阻器与引线电感串联 后再与跨接在引线间电容相并联构成的电路。 高频情况下电容器等效于引线电阻与电感串联后 再串联在电容器的两侧形成的电路。 高频情况下电感器等效于一个电容跨接在电感上 同时在引线两端串联电阻形成的电路。 建立EMC意识(11) 高频地线的阻抗包括电阻、电感两部分。在EMC领域， 认为长于 4的导线具有电压、电流驻波效应。电路 频率很高时，很短的走线也会产生明显的辐射和感应 。地线阻抗的存在可能引发干扰。 广义

11、天线概念是指从电磁场的观点任何辐射元都可以 看作天线效应。 “天线集合”概念是指复杂的系统工 程，有时多付天线一起工作，它们之间有可能没有直 接的电气上的联系。人们常称这些天线为“天线集合 ”。 建立EMC意识(12) 高频接收电路内部噪声可能是放大器元器件和电阻噪 声，外部噪声则多半来源于信号源、外界无线电波感 应交流声、电容漏电流、接地线噪声、电源纹波、开 关切换引起的冲击等等。一般来说在f100MHz时，以内部噪声为主。 建立EMC意识(13) 广义阻抗匹配概念是电路间或设备间匹配都涉及到有用 信号的传输和对无用信号或干扰的抑制。任何元器件、 电缆、设备、天线间都存在耦合效应。 在EMC

12、领域广泛应用，它所涉及的不仅是有用信号的传输 ，同时强调电路间或设备间对无用信号或干扰的抑制。 总体给设备下达任务时应该特别提醒产品设计师在作设 计方案时要尽量选择独立接口关系。 45* EMCEMC设计原则设计原则(1)(1) EMC设计应强调整个寿命期的整体兼容性整个寿命期的整体兼容性，从方案论证 阶段开始，贯穿到方案阶段、工程研制阶段、定型阶段 、总装调试、使用运行的整个寿命期。 EMC设计应遵从折衷原则折衷原则，系统设计不追求单台指标最 好，单机设计不追求单项指标最佳，以系统兼容为主要 目的；如接收机灵敏度不是越高越好，在满足电性能指 标前提下，适当降低灵敏度可以提高系统抗干扰能力；

13、又如发射功率不是越大越好，只要满足电性能要求，适 当降额使用可以有效地控制无意发射。 46* EMCEMC设计原则（设计原则（2 2） EMC设计一定留有一定裕度，以确保系统的可靠性； 但不是裕度越大越好不是裕度越大越好。应根据分系统的重要性提出合 理要求，力求达到最佳设计效果。 依设备对系统性能的重要性，设备失效可能造成危害 程度，对设备进行分类对设备进行分类。 47* EMCEMC设计原则（设计原则（3 3） 系统EMC设计要重视把系统EMC要求分解到分系统和设 备中去，设备和分系统的设备和分系统的EMCEMC设计与该功能性设计同步设计与该功能性设计同步 进行进行。考虑设备和分系统EMC要

14、求时，遵循对EMC标准 剪裁处理，以防止过设计和欠设计以防止过设计和欠设计。 EMC设计考虑的越早，可采取的措施越多，也越易见效 ，显然EMC经费使用也越少。 48* EMCEMC设计原则（设计原则（4 4） 在采取抑制干扰措施时，应把建立良好接地、搭接应把建立良好接地、搭接 系统和合理布线放在首位系统和合理布线放在首位，这是既经济、又实惠的 选择；因为滤波器昂贵，还会引入不可靠因素，屏 蔽措施常带来重量增加，这两项使用时要慎重从事 。 重视采用回避和疏导等技术策略重视采用回避和疏导等技术策略，常常收到事半功 倍的效果，如注意采用例如对辐射方向作方位调整 等回避和疏导等技术策略，灵活采用空间隔

15、离和时 间隔离等分隔技术。 EMC设计要求 （1） 为实现设备或系统规定的性能，使其发挥最佳效能需 要运用技术手段，可采用的技术措施有接地、搭接技 术，布局、布线技术，屏蔽技术，滤波技术等，推荐 综合设计法。 在电子设备功能性设计时，必须控制设备的无意电磁 能量发射，同时注意想方设法提高设备的抗干扰能力 ，以满足EMC要求。EMC要求是用具体指标来描述的， EMC要求是否达标必须通过实验验证。 EMC设计要求 （2） EMC要求是由CE RE CS RS四类指标分别量化和控制的。 EMC 要求是否达标必须通过实验验证。 传导发射/传导敏感度与电源母线共阻抗耦合相关。电源母 线阻抗只涉及两个负载

16、馈电线路的共用部分电源线共阻 抗。在考虑满足传导发射限制要求的时候，还要考虑其它 因素，如电缆辐射的电磁场的影响等。 EMC设计要求 （3） 辐射发射主要是由设备连接电缆和设备壳体上的电流流动 产生的。这些电流不是设备进行信号处理或在接口电缆上 传输的差模信号。它们可能是从设备某处耦合寄生到设备 外部，并沿共模路径流动。这些电流会以如下方式耦合到 受扰设备： （1）变压器导线与导线之间的耦合； （2）干扰设备的共模(CM)电压经电容耦合到受扰设备； （3）直接辐射到与干扰频段相关的接收机天线中。 EMC设计要求 （4） 电感和电容耦合称为串扰。电容串扰已能得到有效控制。 电感串扰也可以通过正确的接地、搭接和屏蔽设计得到控 制。串扰在设备机壳内部是个很严重的问题。 传导发射和传导敏感度由于具有共用阻抗耦合模式而彼此 相关，而辐射发射和辐射敏感度却没有这种关系。当