本文介紹了在企業(yè)產品研發(fā)時一些經常出現(xiàn)的 EMC 問題,并提出了相應的解決策略。

目前世界各個國家的產品認證法規(guī)要求任何電子相關 產品在本國銷售必須帶有相應標識，以表明產品符合安全和 電磁兼容的標準要求。如中國的 CCC 認證,美國的 FCC 和歐盟的 CE 認證等, 已成為 WTO 規(guī)則中的技術貿易壁壘 (TBT ) , 如圖 1和圖 2所示。

EMC 的指標是目前在所有法律法規(guī)所要求的項目中，在產品設計時最難以達到的。 2006年調查表明，EMC問題是 電子工程師在研發(fā)設計是遇到的最大挑戰(zhàn)，由于EMC的設計 經驗較少，經常在設計完成之后才進行 EMC 的測試，一旦測 試發(fā)現(xiàn)問題，會出現(xiàn)產品準備上市銷售了，EMC 的問題總是 沒有時間來解決，項目總是要不斷的延遲，需要再花費大量 的時間去解決,相信這是每位遇到 EMC 問題的研發(fā)人員的深刻體會。

所以解決 EMC 的問題應該在產品研發(fā)的過程之中予以 解決，而不是在產品研發(fā)完成之后再進行修補,在設計中應 遵循一些 EMC 的設計導則，項目團隊對電路設計和 PCB 設計 進行評審，并在每個研發(fā)階段應進行相應的 EMC工程測試，以發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

從 EMC 問題產生的根源上解決問題永遠比在表面上解 決(如屏蔽)要好的多,且成本更低,且在整個項目研發(fā)流 程中,對 EMC 問題解決的越晚,所產生的成本會更高。

由于各個 EMC 的測試項目不同,問題產生的原因也不 盡相同,相應的解決方法也不同,產品設計中常見的電磁兼 容性問題有以下幾種。

一、輻射發(fā)射無法滿足標準要求問題

典型的產品電磁輻射問題如下圖 3所示,有一些頻率點 上超出標準的要求,由于輻射發(fā)射的測試不確定度很大,各 個實驗室之間的測試結果差異很大,許多公司都要求輻射發(fā) 射的測試結果有 4-6dB 的裕量。

類似輻射發(fā)射超標的情況經常發(fā)生,要想解決,須弄清 楚輻射產生的根本原因,據筆者分析,可能的輻射問題來源 有 [1]：

1.印刷線路板中走線問題引起的 ,如圖4.

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

2.連接 PCB 板的電纜引走的問題，如圖 5。

而與電路板相連的電纜也是產生輻射問題的原因之一, 因為高速信號電流在電纜中流動由于環(huán)路和阻抗不匹配等 原因很易對外產生共模或差模的電磁輻射。

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 切換時會產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計不合理

圖 6 PCB板間的電磁場分布

在多層電路板中,如果疊層設計不合理,疊層之間的電 磁場耦合存在天線效應,對外進行能量輻射,如圖 6所示。

圖 7 信號走線問題仿真分析 [3]

輻射的能量從哪里出來,如何解決?通常要花費工程 師相當長的時間來進行分析解決。圖 7的仿真分析結果則很 清晰表明的產生輻射問題的機理,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)就會對產生輻射。

屏蔽是解決輻射問題的直接辦法,但卻不能根除問題 根源,并會帶來許多其他問題,設計成本會上升,且在產品 生產中增加工藝的復雜性,生產成本也會增加。所以說屏蔽 是解決輻射問題的最后的辦法, 絕大多數的問題都可以用最 簡單的辦法,也是最低成本的辦法于以解決。

分析信號特性，找出問題根源,進行信號設計和 PCB 板的良好設計是解決此類問題的最佳方案, 幾乎不用增加任 何成本。

二、 ESD 靜電放電測試無法通過

靜題的測試項目之一, 經常發(fā)生的失效現(xiàn)象有系統(tǒng)死機,系統(tǒng)復位,顯示面板出現(xiàn)錯誤, 發(fā)生上述問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入 CPU 內部, CPU 在信號狀態(tài)突變時 無法有效處理或干擾引起的運行中斷導致無法回復到原來 的狀態(tài),靜電放電測試也是一項破壞性的測試項目,產生的 靜電放電電流會經常導致器件發(fā)生物理性損壞, 這一點需要在測試中注意。

基于以上分析,在電路設計中應對于可能進行 ESD 測 試的部件進行一些處理(包括系統(tǒng)良好接地,控制面板絕緣 處理,關鍵信號隔離濾波,通信協(xié)議的容錯分析,專用接地 層的使用等)。

盡管在設計時進行了大量的考慮,采取一些防止 EMC 問題的方法,但在實際測試中還會可以出現(xiàn)問題,這就是 EMC 問題的特性，無法預測， 在發(fā)生 ESD 問題時，解決方案有：

- 改進系統(tǒng)的接地設計(包括機箱機柜、控制面板、通 信電纜連接)。

- 改進電路板的接地設計,對外接口 ESD 接地的設計。

- 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)死機、復位或通信錯誤的根本原因,在 PCB 板進行相應信號處理和在軟件上進行處理, 也解決 ESD 問題 的最好辦法,費用最低,但難度較大、較為耗時。

三、 產品的輻射抗擾度問題

產品的輻射抗擾度測試是在全電波暗室中進行如圖 9

所示,標準的測試場強等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產品的測試方法有所不同。

數字電路相對于模擬電路的抗輻射干擾能力要強的 多,在輻射抗擾度測試過程中,多數出現(xiàn)問題的是帶模擬電 路的產品, 測試中常出現(xiàn)的問題有在某些頻率上產品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯誤,或系統(tǒng)復機 死機。

所示,標準的測試場強等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產品的測試方法有所不同。

數字電路相對于模擬電路的抗輻射干擾能力要強的 多,在輻射抗擾度測試過程中,多數出現(xiàn)問題的是帶模擬電 路的產品, 測試中常出現(xiàn)的問題有在某些頻率上產品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯誤,或系統(tǒng)復機 死機。

此類問題主要出現(xiàn)于通信類產品和帶有信號采信、用模擬 電路進行信號處理的產品中, 其根源與其他的 EMC 抗擾度問題類 似, 是干擾進入 CPU 內部影響其正常運行, 對于模擬電路的產品, 信號在進入模數轉換之前的信號濾波很重要。

一旦出現(xiàn)測試通不過的問題,判斷出到底根源在哪里是很 不容易,解決難度相當的大,且相當耗費時間和精力,在實驗室 中測試成本大幅上升。

解決方案有包括：- 系統(tǒng)的良好的接地設計(包括機箱機柜、控制面板、通信 電纜連接)以及完善的電路信號處理。

- 在解決產品輻射抗擾度的過程中,有一些獨特辦法,迅速 定位出抗擾度問題的根源, 在電路設計上采用相應的措施用以解 決此類問題,不建議采用屏蔽的辦法來解決。

四 其他傳導類的電磁干擾如電快速瞬變脈沖群抗擾 度、浪涌和射頻傳導抗擾度測試也會發(fā)生問題,但解決 起來會比較容易一些,在此不再壘述。

結束語

以上是在為企業(yè)產品研發(fā)進行電磁兼容咨詢和解決問題的 過程中的一些體會,寫出來與大家其享,希望大家在進行產品設 計的過程中不要因為 EMC 的問題造成麻煩,也希望利用自己的 一些經驗幫助大家避免和解決產品研發(fā)中的 EMC 問題,也借此 機會與大家交流,文中有不妥的地方,請批評指正,謝謝!