EMC设计与测试案例分析总结

lc160809

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分类专栏：硬件杂记文章标签：硬件工程

于 2025-03-31 15:28:26 首次发布

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EMC设计与测试案例分析总结

一、前言
二、架构、屏蔽与接地
三、电缆和连接器
四、滤波与抑制
五、 PCB的EMC设计

一、前言

1. 什么是EMC?

EMC( Electro Magnetic Compatibility, 中文解释为电磁兼容）是指电子、电器设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。
EMC的中心课题是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其它设备联系在一起时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。
无线电系统的EMC靠降低干扰源的发射值来实现，非无线电系统的EMC靠提高本身的抗干扰能力来实现。

2. EMC设计的内容有哪些？

产品的EMC标准和需求分析；
产品机械架构的EMC设计，包括产品中的电缆部分的设计；
电路原理图的EMC设计；
PCB Layout的EMC设计；
EMC测试过程中出现问题的改进；

3. EMC设计在产品研发流程中的切入点

概念阶段：《EMC机械架构设计风险分析报告》
定义阶段：《EMC测试计划》、《EMC机械架构设计风险分析报告》更新
开发阶段：《EMC机械架构设计风险分析报告》更新、《EMC单板设计风险分析报告》、《EMC电路原理图风险评估及PCB布局布线建议》、《PCB EMC审查报告》、《EMC摸底测试报告》、《EMC问题整改建议》
验证阶段：《EMC验证测试报告》、《EMC设计与测试总结》
发布阶段：《产品EMC认证报告》

二、架构、屏蔽与接地

1. EMC设计、测试与分析的主要思路

产品中功能正常工作电路是差模方式传递，而EMC测试（抗干扰测试和EMI测试）以共模为主。共模问题因跑出了PCB之外，而变成疑难问题；
EMI问题是差模的正常工作信号转换成共模信号“漏出去”的过程，如共地噪声、高速时钟、功率开关、阻抗不连续等；
ESD、BCI、EFT、辐射抗扰度测试等只是干扰源表现形式不一样，但是对电路的干扰原理都是一样的。它通常以共模的方式注入，最终转为差模电压与正常工作电平的叠加；
可以把“电流”当成EMC测试的主线，当EMI共模电流流入“等效天线”或LISN（传导骚扰的测量设备）时，就引起EMI问题；当抗干扰测试的电流注入到PCB时，就引起抗干扰问题；
产品的架构设计就是控制“电流”大小与路径，实现被注入的共模干扰“电流”不流向PCB板，EMI电流不流向“等效天线”或LISN。

2. 通过接地改变共模电流方向从而影响产品EMC抗扰度

在这里插入图片描述
上图为一个金属外壳产品，当EFT干扰从外部信号线注入到PCB中，PCB 0V与金属机壳采用不接地、接地方式1、接地方式2，以及在这三种情况下，金属机壳是否接PGND，分别会对PCB的抗扰度产生怎样的影响？

PCB 0V与金属机壳搭接方式	不搭接	搭接方式1	搭接方式2
金属机壳不接PGND	差	好	差
金属机壳接PGND	更差	不变	更差

接地位置：接地点靠近I/O端口；
EMC要求PCB的0V工作地与金属外壳之间直接等电位互联，当不能实现直接连接时采用Y电容连接，电容为1~10nF。不能直接连接的情况主要包含：
- 电源为AC输入，出于安全考虑，不能将L或者N接到机壳；
- PCB上有隔离电路，不能直接把隔离的工作地同时接到机壳。

3. 浮地并不能阻止共模电流进入产品

在这里插入图片描述
如上图所示，虽然EUT浮地，但是从线缆1中注入的共模干扰可以通过EUT电路板本身以及线缆2对PGND的分布电容C1和C2构成回路。C1≈10pF，C2≈50pF，那么分布电流可作如下估算：
Ic1 = C1dv/dt = 10pF x 4kV/5nS = 8A；
Ic2 = C2dv/dt = 50pF x 4kV/5nS = 40A；
那些流过共模电流的连接器应该集中放置在一个电路板的同一侧，这样可以使共模电流不流过整个电路板及其工作GND(0V)，分散的在电路板中放置连接器意味着EMC风险的增加。

4. 工作地（0V)与金属机壳直连是否会增加外部干扰（例如ESD)进入设备的风险？

在这里插入图片描述
当外部干扰直接注入金属机壳，PCB工作地和金属机壳分别采用不搭接、搭接方式1、搭接方式2，以及在这三种情况下，金属机壳是否接PGND，分别会对PCB抗扰产生怎样的影响？

PCB 0V与金属机壳搭接方式	不搭接	搭接方式1	搭接方式2
金属机壳不接PGND	差	很差	好
金属机壳接PGND	变好	变好	变好

5. 什么是屏蔽？

屏蔽的本质是对两个空间区域之间进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。有效的屏蔽需要注意以下问题：

让连接处采用有意搭接：在两块金属表面之间构造一个低阻抗的有意电气连接。
让孔缝的最长尺寸足够小：
（1）孔缝的长边与流过屏蔽体的共模电流方向平行；
（2）孔缝的最大尺寸不能超过以下两种情况下的最小尺寸：a. 电路最大工作票嫩绿波长的1/100; b. 当这个屏蔽体有共模干扰电流流过时，小于0.15米。

6. 接地阻抗要尽量控制小

在这里插入图片描述
某塑料机壳产品，有3根线缆，在线缆接口处用黄绿接地线分别接到PGND，因接地线阻抗引起共模电流流经PCB导致抗扰测试不通过。可以通过增加一块金属板连接三个接地点，然后金属板接PGND，减小接地阻抗。(黄绿接地线的等效电感大约为100nH/10cm，金属平面等效阻抗为3mΩ@100MHz)

7. 散热器与ESD的关系

在这里插入图片描述

分布电容是干扰传递的通道；
旁路共模电流流过被干扰区域是一种解决抗干扰问题的思路；
对于PCB板，共模电流大小才是真正干扰的大小，共模电压大小不能决定干扰大小；
即使干扰从壳体注入，PCB的工作地仍然需要与机壳在李娜节气附近互连。

8. 接地线接出来的辐射

在这里插入图片描述

PCB与金属外壳的互连要等电位，导线连接视为端口接地的EMC设计没有完成；
等电位互连要点：a. 采用有意搭接；b. 互联导体长宽比小于5；
防止接地点远离机箱电缆出口后带来的耦合问题；
产品系统的接地从壳体触发。

9. “悬空”金属的辐射

在这里插入图片描述
原因：高频噪声通过容性耦合的方式耦合到光纤的加强茎上，使得金属加强茎与内部噪声源之间存在共模电压，加强茎成为了一根单极天线。

“悬空”金属由于电位不确定，很容易被干扰电平所驱动，而成为发射天线或传递干扰的媒体；
杜绝产品中存在“悬空”金属体；
将任何金属件接至壳体或者PCB板的0V;

10. 小结

以共模电流流向（注意电流流动规律）指导产品的架构、屏蔽、接地设计；
好的机械架构设计总能使EMI共模电流不流向等效天线（如电缆）或LISN，EMS共模电流不流向PCB板；
PCB板与金属外壳的互联点应该靠近PCB外部的I/O端口，并等电位互连，电缆集中放置在PCB的同一侧；
缝隙或者导体直接穿透进出屏蔽体会因为导体中的电流而破坏屏蔽完整性，导致屏蔽失败；
屏蔽就是要实现EMI电流在金属壳体内流动和EMS电流在金属壳体外流动，电流流过外壳的高阻抗点（关注高阻抗搭接的判断依据），会导致电流在屏蔽体（或金属体）内外传递。

三、电缆和连接器

1. 产品中的电缆都是发射“天线”

电缆与天线一样，当波长与电缆导体的长度比拟时，会成为产品对外辐射的导体；
电缆的长度正好为电缆中传输信号波长的1/2时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器，即辐射最高；
在电子产品工作频率越来越高的今天，工作信号频率在波长与电子产品中任何一根电缆的长度可以比拟了；
电子产品的接地线也一样，不管你是否接地，只要长度与工作信号频率的波长可以比拟，都是辐射发射产生的天线。

2. 电缆是引入干扰的主要通道

从EMC抗扰度测试的原理可以看出，无论是IEC61000-4-4规定的电快速瞬变脉冲群抗扰度测试，还是ICE61000-4-6规定的传到骚扰抗扰度测试，干扰都是以共模的形式直接注入到线缆上的；
如果线缆是屏蔽电缆，那么干扰信号直接注入到屏蔽层上；如果电缆是非屏蔽电缆，则干扰直接注入在电缆的各个信号线上；
对于ESD和辐射抗扰度测试，电缆处于电磁场中时，此时电缆也可以成为接收天线，它与频率的关系与其成为辐射发射天线时一样，这样电缆上会感应出噪声电压。

3. 如何抑制电缆/连接器中的共模电流

线缆套磁环；
使用屏蔽的电缆：
- 将注入到电缆的共模干扰电流通过屏蔽层引导到大地（接地设备）或PCB板中的工作地GND(浮地设备），使屏蔽层中的信号和电缆接口得到保护，免受外界干扰；
- 为信号线中的EMI共模电流提供一个回流路径以抵消信号线产生的磁场。
  电缆的屏蔽层一般接到设备金属外壳，如果设备为塑料外壳则接到PCB的工作地（0V)上。塑料机壳的线缆屏蔽层接工作地，其作用只能消除A/B端因共模干扰额外产生的压差，并且它也无法抑制EMI，因为屏蔽层本身相当于一根地导线对外辐射。
  
  如果线缆出口处工作地和金属机壳搭接良好，那么可以不需要屏蔽电缆。
平衡电路：使用差分信号传输。

4. 产品内部的互连EMC问题与解决方案

在这里插入图片描述
产品内部互连连接器影响产品抗干扰能力的主要是互连连接器寄生电感导致在高频下的高阻抗。避免共模干扰电流流过互连连接器是解决产品内部互连EMC抗扰度问题的第一步。

5. “pigtail”对线缆的屏蔽效果有多大影响

pigtail相当于在低阻抗回路中插入了一段高阻抗的路径，降低了屏蔽效能。
pigtail破坏了内外导体的对称性，使得转移阻抗增大；
pigtail使得屏蔽层本身变成了天线。
屏蔽电缆的屏蔽层一定要360度搭接处理；
30MHz以上的频率下：
- 1cm长度的Pigtail存在30%的风险；
- 3cm长度的Pigtail存在50%的风险；
- 5cm长度的Pigtail存在70%的风险；
- 10cm长度的Pigtail可使线缆的屏蔽效能完全失效。

6. 被隔离的地之间需要跨接Y电容

如隔离模块、变压器等。

7. 小结

不要将电缆分散放置在不同的PCB板上，内部互联是产品中EMC薄弱环节，需要找出相应的解决方案。
屏蔽电缆屏蔽层接产品金属壳；塑料外壳产品接PCB的0V，塑料外壳产品在安装位置存在“接地”位置时，可接机柜或者机架。
屏蔽电缆双端“接地”。
屏蔽电缆屏蔽层360°与接地点“搭接”。
注意塑料外壳产品的屏蔽电缆屏蔽层接0V时产生额外的辐射。
注意：a.金属外壳连接器与“地”的搭接；2. 塑料连接器的ESD绝缘。

四、滤波与抑制

电容器具有ESL和ESR，共模电感还存在漏感，可当作差模电感。
Cx–>CMC–>Cy是电源端口滤波的最基本滤波形式。
AC/DC的接地电源需要10mH以上的共模电感，AC/DC的浮地电源需要20mH以上的共模电感；低电压的DC/DC电源共模电感值可降低。
150W, AC/DC电源的典型X电容是470nF~1uF，X电容随功率增大而增大。
滤波参数的设计计算仅适用于MHz以下，MHz以上的滤波效果取决于PCB Layout。
防雷器件各有优缺点，要注意扬长避短，同时要防止防护器件带来的负面影响。
气体放电管一旦导通，只需要低压就能维持继续导通，它不能用于两个高压线之间。
防浪涌器件的并联：
- 二级防浪涌需要考虑一级防浪涌电路的残压；
- 需要考虑两级防浪涌电路的响应时间；
- 两级防浪涌电路之间需要加高阻抗器件（空心电感、电阻、长走线）