EMC概述(1)：什么是電磁兼容性(EMC)?

“電磁兼容性(EMC)”主要分為兩種，一種是設(shè)備本身的電磁噪聲對(duì)其他設(shè)備或人體帶來(lái)的影響(電磁干擾，EMI：Electromagnetic Interference, Emission)，另一種是設(shè)備是否會(huì)因來(lái)自外部的電磁干擾而發(fā)生誤動(dòng)作(電磁敏感性EMS：Electromagnetic Susceptibility, Immunity)，之所稱為“電磁兼容性”，是由于為了避免發(fā)生故障，這兩方面都要兼顧。

以文字的形式寫成“定義”是這樣的，理解起來(lái)有點(diǎn)難是吧。下面我將淺顯易懂地、直觀地解釋一下。我將以大家熟悉的半導(dǎo)體集成電路(LSI、IC)為主角進(jìn)行解說(shuō)。

首先是電磁干擾(EMI或電磁發(fā)射)。如今，已經(jīng)開發(fā)出并且在售的LSI和IC種類繁多。為了便于說(shuō)明，大致分類如下：

①老式三端電源(7805和7905等)和低飽和電源(LDO)等直流電源相關(guān)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品要處理的信號(hào)是直流(DC)的。

②差分運(yùn)算放大器(運(yùn)算放大器)、電壓比較器(比較器)、語(yǔ)音信號(hào)處理等相關(guān)的產(chǎn)品。要處理的信號(hào)是基于正弦波的模擬信號(hào)和線性信號(hào)。

③微控制器、存儲(chǔ)器、邏輯等相關(guān)的產(chǎn)品。要處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。

④最近常用的開關(guān)電源和電荷泵電源等電源相關(guān)的產(chǎn)品;LED驅(qū)動(dòng)器、LCD驅(qū)動(dòng)器等顯示相關(guān)的產(chǎn)品;PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)相關(guān)的產(chǎn)品。這些LSI和IC是涉及到開關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品。

其中①和②不產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，③和④產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。可以簡(jiǎn)單的理解為模擬LSI和線性LSI不會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，而數(shù)字LSI和開關(guān)LSI會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，這樣說(shuō)可能更直觀更易懂。

由于直流電壓本身沒(méi)有基波和諧波分量，正弦波中的高次諧波分量(基波的N倍頻分量)很少，因此不易產(chǎn)生電磁噪聲。而數(shù)字LSI和開關(guān)LSI是處理矩形波(脈沖波)的產(chǎn)品，因此會(huì)產(chǎn)生比如在1GHz(千兆赫茲)左右的高次諧波分量(主要是奇次諧波)。這就是“電磁干擾 (EMI)”的本來(lái)面目。換句話說(shuō)，數(shù)字LSI和開關(guān)LSI所進(jìn)行的電路工作會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。當(dāng)然，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)數(shù)字工作可實(shí)現(xiàn)高速、大規(guī)模的運(yùn)算處理，通過(guò)低功耗工作可延長(zhǎng)電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間。這些產(chǎn)品之所以能夠在世界范圍內(nèi)被廣泛使用，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)。

其次，電磁敏感性(EMS或電磁抗擾度)是半導(dǎo)體集成電路(LSI、IC)對(duì)電磁噪聲的抵抗能力，要求其足夠強(qiáng)以防止誤動(dòng)作。可以從兩個(gè)角度來(lái)看電磁敏感性(EMS)。

首先是從電壓軸的角度來(lái)思考。制造工藝越來(lái)越微細(xì)，電源電壓越來(lái)越低，這也就越來(lái)越容易導(dǎo)致誤動(dòng)作。很久以前，5V邏輯IC是主流產(chǎn)品，但現(xiàn)在電源電壓為0.9V的產(chǎn)品并不少見(jiàn)。例如，在邏輯IC中，內(nèi)部閾值電壓(IC內(nèi)部區(qū)分H電平和L電平的電壓)已從2V降低到0.4V。5V邏輯IC受1V外部電磁噪聲的影響是不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作的，而0.9V邏輯IC則很容易產(chǎn)生誤動(dòng)作。盡管如此，仍然使用0.9V邏輯IC是因?yàn)槠渚哂械凸脑O(shè)計(jì)所需的優(yōu)點(diǎn)。

然后是從頻率軸的角度來(lái)思考。半導(dǎo)體集成電路(LSI、IC)不能以其單體的形式單獨(dú)工作，需要安裝在印刷電路板(PCB)上組成電路后執(zhí)行工作。在印刷電路板(PCB)上，包括LSI內(nèi)部在內(nèi)，存在很多與布線相關(guān)的寄生分量。簡(jiǎn)單的有寄生電阻R(布線電阻)、寄生電容C(雜散電容)、寄生電感L(直流電感)等。經(jīng)常聽(tīng)到的比較有代表性的有ESR(Equivalent Series Resistance：等效串聯(lián)電阻)和ESL(Equivalent Series Inductance：效串聯(lián)電感)。而寄生分量中最麻煩的是電容分量和電感分量。這是因?yàn)榇嬖谟贚SI內(nèi)部和整個(gè)印刷電路板(PCB)的寄生電容C和寄生電感L會(huì)引發(fā)諧振現(xiàn)象。LC串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振可以發(fā)生在從低頻到高頻的各種頻率上。在這些諧振頻率上，阻抗會(huì)變?yōu)榱慊驘o(wú)窮大，從而形成容易發(fā)生誤動(dòng)作的頻率。這也是需要很強(qiáng)的電磁敏感性(電磁抗擾度)的原因之一。之所以說(shuō)是“之一”，是因?yàn)檫€有很多其他原因，比如容易誤動(dòng)作的電路結(jié)構(gòu)和電路板底片等。一般說(shuō)來(lái)，相比電磁干擾(EMI)對(duì)策，針對(duì)電磁敏感性(EMS)的對(duì)策更難，原因是電磁敏感性(EMS)涉及到諸多因素，而要判明其中的哪一個(gè)因素是起主要作用的，就需要時(shí)間和技巧了。

接下來(lái)我想談?wù)勲姶旁肼暤膫鞑ヂ窂剑欠旁谶@一篇文章里會(huì)顯得內(nèi)容過(guò)多，所以我會(huì)在下一篇中進(jìn)行講解。

EMC概述(2)：什么是電磁兼容性(EMC)?

您應(yīng)該已經(jīng)了解了電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)。在本文中我將介紹這些電磁噪聲的傳播路徑。正如在初級(jí)篇中已經(jīng)介紹過(guò)的，電磁噪聲的傳播方式大致分為兩種：一種是傳導(dǎo)(Conducted)發(fā)射，通過(guò)印刷電路板(PCB)和印刷電路板(PCB)之間的布線等傳播;另一種是輻射(Radiated)發(fā)射，從測(cè)試對(duì)象(DUT)直接或以印刷電路板(PCB)的布線等為天線通過(guò)空間傳播。一般情況下，30MHz(兆赫茲)以下被視為傳導(dǎo)，30MHz以上被視為輻射。30MHz并非是明確的分隔線，理解為大致的參考線即可。因此，電磁兼容性(EMC)的物理現(xiàn)象大致可以分為以下四種：

電磁兼容性(EMC)

傳導(dǎo)發(fā)射　(CE：Conducted Emission)

輻射發(fā)射　(RE：Radiated Emission)

傳導(dǎo)抗擾度　(CI：Conducted Immunity)

輻射抗擾度　(RI：Radiated Immunity)

我曾介紹過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)，但作為物理現(xiàn)象，必須避免以上四種問(wèn)題。這是一項(xiàng)非常艱巨的工作。事實(shí)上，在電磁兼容性(EMC)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中也是按照這個(gè)體系進(jìn)行分類的。在客戶提供的采購(gòu)規(guī)格書中，也按照上述分類規(guī)定了電磁兼容性(EMC)，并指定了更詳細(xì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

此外，每種產(chǎn)品都有電磁兼容性(EMC)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且分別都有具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單總結(jié)如下：

具有代表性的電磁兼容性(EMC)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

?

看到輻射和傳導(dǎo)的頻率條件時(shí)，可能會(huì)有人會(huì)想“誒？這是怎么回事？”雖然我在前面提到作為一個(gè)“參考標(biāo)準(zhǔn)”，“一般情況下，30MHz（兆赫茲）以下被視為傳導(dǎo)，30MHz以上被視為輻射”，然而，在實(shí)際的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，有很多標(biāo)準(zhǔn)將1GHz以下規(guī)定為傳導(dǎo)，也有些標(biāo)準(zhǔn)將150KHz以上規(guī)定為輻射。可以理解為，傳導(dǎo)測(cè)試中之所以規(guī)定了超過(guò)30MHz的測(cè)試，其實(shí)是測(cè)量范圍不僅包括純粹的傳導(dǎo)分量，還包括部分高頻段的輻射分量（通過(guò)傳導(dǎo)測(cè)試電路進(jìn)行測(cè)試）。此外，將上限頻率提到更高作為自有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的客戶也不在少數(shù)。

這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)每幾年會(huì)修訂一次。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生由電磁兼容性（EMC）問(wèn)題導(dǎo)致的嚴(yán)重事件時(shí)，與其他法律法規(guī)一樣，為了防止此類事件再次發(fā)生，就需要由國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等相應(yīng)的組織進(jìn)行討論并修改頻率范圍和測(cè)量極限值，修訂和發(fā)布相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

EMC概述（3） ：什么是電磁兼容性（EMC）？

了解實(shí)例，就可以深入理解其重要性

本篇將具體介紹電磁兼容性（EMC）現(xiàn)象。本文的主角也是半導(dǎo)體集成電路（IC）。

首先是電磁干擾（EMI: Electromagnetic Interference，發(fā)射）的一個(gè)例子。假設(shè)這是半導(dǎo)體集成電路（IC）使用開關(guān)技術(shù)工作、并且印刷電路板（PCB）上的EMC措施不充分的情況。如果EMI濾波器的設(shè)計(jì)不好，比如低通濾波器（LPF）的截止頻率高于開關(guān)頻率的1/10，在這種情況下，如果使半導(dǎo)體集成電路（IC）工作，則可能會(huì)發(fā)生：

?其周圍配置的AM/FM收音機(jī)功能的接收靈敏度變差，并且會(huì)出現(xiàn)嗶嗶嘎嘎之類的噪聲

?通過(guò)Bluetooth連接的設(shè)備斷開連接

?智能手機(jī)上的視頻播放中斷等現(xiàn)象。

接下來(lái)是電磁敏感性（EMS: Electromagnetic Susceptibility, 抗擾度）的一個(gè)例子。這是半導(dǎo)體集成電路（IC）附近有電磁噪聲、而且這種噪聲帶來(lái)不良后果的一種情況。該示例也是假設(shè)印刷電路板（PCB）上的EMC措施不足的情況：沒(méi)有噪聲濾波器，或者即使有，其頻率特性也不能充分抑制電磁噪聲。在這種情況下，可能會(huì)發(fā)生：

?差分運(yùn)算放大器（Op Amp）的工作點(diǎn)通常應(yīng)該是VCC（電源電壓）/2的偏置電壓，但卻會(huì)變?yōu)閂CC附近或GND附近的電壓。

?在數(shù)據(jù)通信用半導(dǎo)體集成電路（IC）的數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中，只在產(chǎn)生電磁噪聲時(shí)接收到的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)

?在低電壓數(shù)字電路（包括CPU和存儲(chǔ)器）中，只在產(chǎn)生電磁噪聲時(shí)控制邏輯引發(fā)錯(cuò)誤等問(wèn)題。

可能單憑上一篇中符合/不符合電磁兼容性（EMC）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的描述很難具體理解，但通過(guò)實(shí)際的例子，就可以理解這些問(wèn)題都與嚴(yán)重的干擾和誤動(dòng)作息息相關(guān)。因此，與電磁兼容性（EMC）相關(guān)的現(xiàn)象是非常重要的，尤其對(duì)于航空航天、醫(yī)療、車載等可能會(huì)有生命危險(xiǎn)的產(chǎn)品和元器件來(lái)說(shuō)，這類情況是絕對(duì)不能發(fā)生的。正是為了進(jìn)行充分的驗(yàn)證并提供安全放心的產(chǎn)品和元器件，從元器件制造商到終端產(chǎn)品制造商，各行各業(yè)的工程師們都在努力研究電磁兼容性（EMC）。

那么為什么直到如今電磁兼容性（EMC）還是如此受關(guān)注呢？

對(duì)于電磁干擾（EMI）來(lái)說(shuō)，與工作頻率的日益提高有很大關(guān)系。與很久以前100MHz被視為超高速的時(shí)代不同，如今產(chǎn)品工作頻率為1GHz~10GHz的情況并不少見(jiàn)。當(dāng)然，其諧波分量是電磁干擾（EMI）的源頭，因此電磁干擾（EMI）的頻段范圍變得更寬。此外，頻率越高，越容易產(chǎn)生輻射，因此需要更加注意。

對(duì)于電磁敏感性（EMS）來(lái)說(shuō)，電源電壓下降是影響因素之一。5V邏輯和0.9V邏輯相比，它們的H電壓和L電壓之間的電壓差（VIH/VIL）完全不同。如果電源電壓低，對(duì)電磁噪聲的抵抗力就會(huì)降低。

而且，構(gòu)成半導(dǎo)體集成電路（IC）的元器件數(shù)量也逐年增加。如今是在一枚硅芯片上能夠配置5億～10億個(gè)晶體管的時(shí)代了。因此，出現(xiàn)電磁兼容性（EMC）問(wèn)題的位置更多，概率也更高。隨著微細(xì)化和高度集成化的發(fā)展，根據(jù)摩爾定律，未來(lái)，只要半導(dǎo)體集成電路（IC）的集成度繼續(xù)提高，電磁兼容性（EMC）問(wèn)題就會(huì)繼續(xù)惡化。

在現(xiàn)場(chǎng)，工程師們已經(jīng)深切意識(shí)到，過(guò)去不用格外注意電磁兼容性（EMC）也沒(méi)有問(wèn)題，但是對(duì)于最近的產(chǎn)品和元器件來(lái)說(shuō)，一旦不好好處理電磁兼容性（EMC）問(wèn)題，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此準(zhǔn)確地說(shuō)，現(xiàn)在的狀況不是“正在關(guān)注”而是“不得不關(guān)注”，這樣說(shuō)可能更接近現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：湯梓紅