电磁兼容EMC设计及测试技巧

经过企业内部相关负责人的评审之后，完善需求分析报告，然后是项目立项，项目立项需要组建项目组，把软件、硬件、结构、测试等人员安排到项目组中，分配各自的职责。项目开发的下一阶段是项目概要设计，将项目分解成多个功能模块，运用WBS分解结构对项目进行功能分解细化，根据工作量安排时间，安排具体人员。整理项目概要设计报告，总体对项目进行评估，确定使用电源类型，电源分布情况，电源隔离滤波方式，系统接地方式，产品屏蔽，产品结构采用屏蔽设计，采用屏蔽机箱机壳，分析信号类型，对雷电、静电、群脉冲等干扰采取防护措施。

产品概要设计报告出来后要经过相关人员评审，分析实现方式是否合理，实施方案是否可行，由评审人员给出评审报告，项目组结合评审报告对概要设计进行修改后，进入产品详细设计阶段，这阶段的内容包括原理图设计、PCB设计、PCB采购及焊接、软件编写、功能调试等过程，原理图设计应考虑到电磁兼容方面的影响，对板级电源增加滤波电容，对信号的接口部分增加滤波电路，根据信号类型，选择合适的滤波电路，若信号为低频型号，应选择低通滤波电路，计算合适的截至频率，选择对应的电阻、电容等。另对接口部分设计大电流泄放回路，设置防雷器件，做到第三级的防雷。

一、元器件选型

我们常用的电子器件主要包括有源器件和无源器件两种类型，有源器件主要指IC和模块电路等器件，无源器件主要是指电阻、电容、电感等元件。下面分别对这两种类型元件的选型、在电磁兼容方面要考虑的问题做一些介绍。

有源器件EMC选型

工作电压宽的EMC特性好，工作电压低的EMC特性好，在设计允许的范围内延时大（通常所说的速度慢）特性好一些，静态电流小、功耗小的比大的特性好，贴片封装的器件的EMC性能好于插装器件。

无源器件选型

无源器件在我们的应用中通常包括电阻、电容、电感等，对于无源器件的选型我们要注意这些元件的频率特性和分布参数。

无源器件在某些频率下，会表现出不同特性，一些电阻在高频时拥有电感的特性，如线绕电阻，电解电容的低频特性好，高频特性差，而薄膜电容和瓷片电容高频特性较好，但通常容量较小。考虑温度对元器件的影响，根据设计原理，选用各种温度特性的器件。

二、印制板设计

印制板设计时，要考虑到干扰对系统的影响，将电路的模拟部分和数字部分的电路严格分开，对核心电路重点防护，将系统地线环绕，并布线尽可能粗，电源增加滤波电路，采用DC-DC隔离，信号采用光电隔离，设计隔离电源，分析容易产生干扰的部分（如时钟电路、通讯电路等）和容易被干扰的部分（如模拟采样电路等），对这两种类型的电路分别采取措施。对于干扰元件采取抑制措施，对敏感元件采取隔离和保护措施，并且将它们在空间和电气上拉开距离。在板级设计时，还要注意元器件放置要远离印制板边沿，这对防护空气放电是有利的。

采样电路的原理图设计参见图1：

图1：采样电路设计。

电路的合理布局可以降低干扰，提高电磁兼容性能。按照电路的功能划分若干个功能模块，分析每个模块的干扰源与敏感信号，以便进行特殊处理。

印制板布线时，需要注意以下几个方面：

1、保持环路面积最小，例如电源与地之间形成的环路，减小环路面积，将减小电磁干扰在此回路上的感应电流，电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，降低干扰对系统的影响，提高系统的抗干扰性能。并联的导线紧紧放在一起，使用一条粗导线进行连接，信号线紧挨地平面布线可以降低干扰。电源与地之间增加高频滤波电容。

2、使导线长度尽可能的缩短，减小了印制板的面积，降低导线上的干扰。

3、采用完整的地平面设计，采用多层板设计，铺设地层，便于干扰信号泄放。

4、使电子元件远离可能会发生放电的平面如机箱面板、把手、螺钉等，保持机壳与地良好接触，为干扰提供良好的泄放通道。对敏感信号包地处理，降低干扰。

5、尽量采用贴片元器件，贴片器件比直插器件的电磁兼容性能要好得多。

6、模拟地与数字地在PCB与外界连接处进行一点接地。

7、高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。

8、电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角。

9、时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。

三、系统布线设计

印制板设计出来后，进行试制，焊接调试，系统装机，考虑电磁兼容设计因素，机柜结构、线缆设计需要注意以下几个方面：

1、机柜选用电磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地对系统进行屏蔽，降低外界电磁干扰对系统的影响。

2、总电源进线选用屏蔽电源线，并加磁环，屏蔽层在进入机柜处360度接地。

3、对系统外部信号线选用屏蔽线，屏蔽层机柜入口处良好接地。

4、设备外壳就近接机柜，避免交叉。

5、系统设置隔离变压器和ups，保证系统供应纯净电源。

6、严格将电源线和信号线分开，设备外壳的各个面之间和各个板子面板之间要良好接触，接触电阻要小于0.4欧，越小越好，保证设备外壳良好接大地，这样在有静电释放时，不会影响到系统的正常工作。

四、系统接地设计

接地是最有效的抑制骚扰源的方法，可解决50%的EMC问题。系统基准地与大地相连，可抑制电磁骚扰。外壳金属件直接接大地，还可以提供静电电荷的泄漏通路，防止静电积累。

1、地线的概念

安全接地 包括保护接地和防雷接地。

保护接地 为产品的故障电流进入大地提供一个低阻抗通道；

防雷接地 提供泄放大电流的通路；

参考接地 为产品稳定可靠工作提供参考电平，为电源和信号提供基准电位。

安全接地是为了当出现一些电气异常时，为大电流和高电压提供一个泄放的回路，主要是对电路的一种保护措施。参考地主要是信号地和电源地，是保证电路实现功能的基础。

2、接地方式

悬浮接地 对一个独立的与外部没有接口的系统来说一般也没有什么问题，但是如果该系统与其他的系统之间存着接口如通讯口和采样线，那么悬浮接地很容易受到静电和雷击的影响，所以一般电子产品大多不采用悬浮接地。

单点接地 当f<1MHz时可以选择单点接地，可分为并联单点接地和多级电路串联单点接地两种。

并联单点接地：每个电路模块都接到一个单点地上，每个单元在同一点与参考点相连。

多级电路的串联单点接地：将具有类似特性的电路的地连接在一起，形成一个公共点，然后将每一个公共点连接到单点地。

多点接地 当f>10MHz时会采用多点接地。 设备中的电路都就近以接地母线为参考点。

单点接地各电路接在同一点，提供公共电位参考点，没有共阻抗耦合和低频地环路，但对高频信号存在较大的地阻抗。多点接地为就近接地，每条地线可以很短，提供较低接地阻抗。1MHz~10MHz可根据实际需要选用哪种接地方法。

混合接地 是综合单点接地与多点接地的优点，对系统中的低频部分采用单点接地，对系统中高频部分采用多点接地。

信号线屏蔽接地 有高频和低频之分，高频采用多点接地，低频电缆采用单点接地。低频电场屏蔽要求在接收端单点接地，低频磁场屏蔽要求在两端接地。多点接地，除在两端接地外，并以3/20或1/10工作波长的间隔接地。

系统做到良好接地，才能有效的抑制电磁干扰，一个大的系统机柜首先要保证每个面接触良好，接触紧凑，其次是机柜内部设备要就近接地，避免二次干扰，就近泄放电磁干扰。接口屏蔽线要进行环接，再就近接机架。机柜下方设置接地铜排，系统总地线选用铜带比较好，对电磁干扰进行很好的泄放，保证了系统的正常运行。

电磁兼容测试

系统功能测试，满足现场功能需要后，进行电磁兼容测试，电磁兼容测试容易出问题是静电、群脉冲、浪涌、射频场传导等

1、静电抗扰度检测

参与了几个项目的静电抗扰度检测，对静电有一定认识。静电分为接触放电和空气放电，静电是积累的高压，当接触到设备的金属外壳时会瞬间放电，会影响到电子设备的正常工作，可能引起设备故障或重启，在安全性要求较好的场合这是不允许的。

静电会影响显示效果，可能出现显示闪烁或黑屏，影响正常显示和操作。静电还可能引起CPU工作异常，程序死机或重启。

如果在产品详细设计阶段采用电磁兼容的相关设计，做静电试验不必过分担心，通过设计，对静电积累的电荷进行良好的泄放，不会影响系统的正常工作。

2、电快速瞬变脉冲群抗扰度检测

电快速瞬变脉冲群是一系列的高频高压瞬变脉冲施加在设备上，观察设备是否受到其影响。防护群脉冲主要的方法是“疏导”“堵”，“疏导”就是提供泄放回路，是干扰在进入系统之前，泄放至大地，良好的屏蔽层接地，可以泄放大部分动干扰，“堵”是使群脉冲滤除在设备之外，增加磁环，效果明显，封闭磁环的效果好于对扣磁环，也可以将磁环加入到板级中，固定在印制板中，这样使设备更可靠。

对电源线、信号线、通讯线两端增加磁环，可以对群脉冲干扰进行防护。

3、雷击浪涌检测

雷击浪涌主要包含两个方面，一个是电源防雷，一个是信号防雷。

电源防雷主要是针对系统级而言的，系统级设计要按照三级防雷设计，总电源进入端设置电源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH 385），可以对系统的电源进行一级防护，电源经过电源防雷后，进入隔离变压器，隔离变压器可以对电磁干扰信号进行较好的防护，抑制其对系统的影响。后进入UPS，UPS可以滤除一部分干扰信号，这样电源再进入系统设备，电源是一种纯净的电源，可以使系统更好、更可靠的工作。

图2：系统电源部分设计示例。

信号防雷是对系统的信号通路进行防护，主要涉及的是板级设计，在板级设计中增加防雷器件，如气体放电管，增加TVS泄放回路，当有大电流时通过配套电阻和TVS、气体放电管泄放，对后级电路起到保护作用。而后信号进行光电隔离，再进入系统，系统可以采集到一个稳定的信号，使系统正常分析判断，正常发出指令，正常工作。另一方面就是设计较宽的信号范围，信号正常波动时，系统正常工作。

4、射频场感应传导的抗扰度检测

射感试验可能会对显示信号、采集驱动等造成影响，可能使显示闪烁或黑屏，影响设备操作，可能使采集驱动工作异常，采集不到需要的信号，无法驱动现场设备。

射频试验是0.15k～80M频率范围内对信号线、电源进行干扰，3级强度是10V/m。

射感防护的原则是将电源、信号线的屏蔽做好，屏蔽层良好接地，选择合适频率进行滤波，将干扰滤除。

5、辐射发射检测、射频场辐射抗扰度检测

该测试主要是测试系统的抗射频信号及整体屏蔽性能，只要系统做好良好的屏蔽，系统地线接地良好，系统就可以通过检测。

通过相关电磁兼容测试，产品就可以推向市场，进行试运行了，对试运行中出现的问题，进行汇总，以备产品的改进。

电子产品满足相关的电磁兼容测试标准，通过测试，才可以推向市场，用户才能放心使用，极大地减小因电磁干扰发生的事故，对企业的效益、产品的推广起到积极的作用。