EMC、CE 标志、IEC801：到底是怎么回事

本文探讨了电磁兼容性 （EMC），自 1996 年 232 月以来，电磁兼容性在形式上的重要性越来越大。我们在这里讨论进入欧盟 （EU） 市场的所有设备必须具备的特殊要求和标准，并从 EMC 的角度考虑获得“CE”（Communauté Européene）标志的要求。专为满足这些要求而设计的新一代RS-15产品体现了ADI公司为在IC级别实现EMC而采取的措施。这些措施包括内置保护电路，以提供远远超过以前可用的免疫水平;对超过<> kV的静电放电（ESD）的抗扰度已通过新的和更严格的测试方法测量。我们还讨论了过压和电气快速瞬变（EFT）保护。从发射的角度来看，我们研究了电磁辐射以及我们在IC中为消除昂贵的屏蔽程序而采取的措施。

欧盟电磁兼容指令：1989年89月，欧盟发布了一项理事会指令336/92/EEC，涉及成员国内投放市场的产品的电磁兼容性。后来的修正案31/1/EEC将强制遵守推迟到1996年<>月<>日。该指令适用于容易造成电磁干扰或本身受这种干扰影响的设备，因此适用于所有电气或电子产品。它超越了更熟悉的FCC B类排放控制要求，因为它还解决了抗扰度和排放问题。虽然该指令仅适用于在欧盟境内销售的产品，但该标准可能会在全球范围内采用。

符合欧盟电磁兼容性
指令要求产品

对其他来源的排放具有很高的内在免疫力

将不良排放保持在非常严格的范围内 制造商有责任满足法规;从1年1996月<>日起，在欧盟销售的所有电子产品必须通过显示CE标志来显示一致性。

定义：

电磁兼容性（EMC）：能够在电磁辐射环境中运行，并且不会过度影响电磁辐射环境。当这个目标达到时，所有的电子设备在彼此面前都能正常工作。

电磁干扰 （°EMI）：一个设备发出的电磁能量导致另一个设备的性能下降。

电磁抗扰度或敏感性（EMS）：对电磁能量存在的耐受性。

电磁兼容测试：全面的EMC评估需要同时测试EMI和EMS。需要不同的测量方法和测试方法，它们在单独的标准中指定。发射的能量可以通过电源线或I / O电缆传导，也可以通过空间辐射。它可以从沿着电缆传导开始，然后在屏蔽不足时进行辐射。同样，电磁抗扰度或敏感性必须针对传导和辐射干扰进行测试。传导干扰包括静电放电 （ESD） 和电快速瞬变 （EFT）。

排放测试并不新鲜，但直到现在，免疫测试才成为商业产品的强制性要求——这是欧盟法规的结果。商业免疫测试的标准，包括进行和辐射，已经发展了几年。

IEC1000-4-x 抗扰度规格：欧洲的基本EMC抗扰度标准来自国际电工委员会（IEC）。多年来，内容和文档编号不断发展。在最新一轮中，IEC已将IEC1000-4-x分配给以前称为IEC801-x系列的抗扰度标准系列。例如，处理ESD抗扰度的规范，以前称为IEC801-2，现已成为IEC1000-4-2。

 

命名法	主题
IEC1000-4	电磁兼容性电磁兼容
IEC1000-4-1	免疫测试概述
IEC1000-4-2	静电放电抗扰度 （ESD）
IEC1000-4-3	辐射射频电磁场抗扰度
IEC1000-4-4	电快速瞬变 （EFT）
IEC1000-4-5	雷电浪涌
IEC1000-4-6	传导射频干扰高于 9 kHz

 

电磁兼容和 I-O 端口

据估计，高达75%的EMC问题与I-O端口有关。I-O端口是一个开放的网关，用于静电放电或快速瞬态放电进入设备，以及通过I-O线路上的杂散信号传导或I-O电缆辐射使干扰信号逸出。因此，连接到端口的I-O收发器器件的EMC性能对整个封装的EMC性能至关重要。

I-O 端口的电磁敏感性：I-O端口特别容易受到EMI的损坏，因为它们在“正常”操作期间可能会受到各种形式的过电压。简单地插入或拔下带有静电荷的电缆可能会损坏收发器。RS-232串行端口特别容易受到攻击 标准串行端口使用裸露的 9 路公头 D 连接器。连接器上的引脚非常容易接近，使其成为意外放电的主要目标。ESD 损坏可能是由于在穿过铺有地毯的房间后简单地拿起笔记本电脑造成的。

确保I-O端口（包括RS-232）的ESD抗扰度的传统方法是使用某种形式的电压钳位结构，例如Tranzorbs或限流电阻器。集成电路损坏是由电流过大引起的，通常是由高电压引起的。可以使用电流分流或电流限制来实现保护。

当前改道：可以通过将一些电流转移到外部接地来保护集成电路，通常具有提供电压钳位的结构。电压钳必须快速接通，并能够安全地处理从IC转移的电流。Tranzorbs是一种受欢迎的选择，但它们价格昂贵且占用空间。例如，RS-232端口有八条I-O线，每条线都需要单独保护;保护元件通常比收发器本身占用更多的面积。在当今的笔记本电脑中，成本和电路板空间都必须最小化，这远非理想。外部钳位结构的另一个缺点是I-O线路上的容性负载较重。这限制了最大数据速率，并且数据边缘的充电/放电会导致电池消耗，这是便携式设备的另一个严重缺点。

电流限制：使用简单串联电阻的限流保护是一种常用选择，因为可能遇到的过电压相对较低。但对于电压可能高达15 kV的ESD保护，这不是一个可行的选择。将电流保持在安全限值（200 mA左右）所需的电阻值会很高，以至于无法正常工作。偶尔使用其他限流元件，如热敏电阻;但同样，保护是以输出阻抗为代价实现的。电流限制通常与电压箝位结合使用，以实现良好的折衷，提供高水平的保护，但不会降低正常工作规格。尽管如此，外部结构在便携式低成本设备中是不可取的。

I-O 端口上的 EMC 辐射：人们可能不认为RS-232端口可能是违规者，因为数据速率相当适中。但排放确实是一个令人担忧的问题，原因有很多。

近年来，传输速度比最初预期的RS-10速度提高了232倍。现在常见的V.34调制解调器要求数据速率超过115 kbps。现在出现了更高速的调制解调器，将速率推高到133 kbps。ISDN将其推高到230 kbps。更高的频率，加上高电压，转化为更高的发射水平。向基于电荷泵的单电源收发器的转变催生了片上高频时钟振荡器。最新一代基于电荷泵的产品使用0.1μF电荷泵电容器以节省电路板空间，但代价是振荡器频率更高，导致更高的辐射水平。高压开关 （20 V）、高频以及驱动长且通常为非屏蔽电缆是 EMI 故障的秘诀，除非非常小心。RS-232电缆是一种非常有效的天线，即使是耦合到RS-232电缆上的低电平噪声也会产生明显的辐射。

“修复”与预防

很多时候，EMC问题是在产品设计周期的后期发现的，需要昂贵的重新设计，包括屏蔽、额外的接地、电压钳位结构等。这种“创可贴”修复可能既费时又费空间，价格昂贵，而且缺乏成功的保证。它有助于在设计周期中尽早了解和消除潜在的EMI问题，包括辐射和抗扰度。 在可能的情况下，包括已经过合规性测试和特征描述的产品会很有帮助，这样您就可以知道您正在运行的极限有多近。

ADM2xxE系列†RS-232接口收发器产品（模拟对话30-3，第19页）是设计时将EMC合规性作为重要考虑因素的器件示例。高水平的固有抗EMI以及低水平的辐射发射减少了系统设计人员的麻烦。优点包括低成本、节省空间、内置坚固性和低排放。

片上抗扰度：片上 ESD、EFT 和 EMI 保护结构确保符合 IEC1000-4-2、IEC1000-4-3 和 IEC1000-4-4 的要求。所有输入和输出均可承受高达 ±15 kV 的静电放电和高达 ±2 kV 的快速电瞬变。这非常适合在电气恶劣环境中或经常插入或拔出RS-232电缆的设备。它们还不受高 R-F 场强 （1000-4-3） 的影响，允许在非屏蔽外壳中运行。

所有这些固有保护意味着可以消除昂贵的外部电路，从而节省成本和电路板空间;更少的组件意味着更高的系统可靠性;并且保持数据传输速度，通常受到外部保护的影响。

保护结构：所用保护结构的简化版本如下所示。它基本上采用两个背靠背二极管。在正常工作条件下，这些二极管中的一个或另一个是反向偏置的。如果I-O引脚上的电压超过±50 V，则会发生反向击穿，电压被箝位，从而转移流经二极管的电流。由于RS-232信号线是双极性的，摆幅通常在Š10 V至+10 V之间，因此需要两个二极管。发射器输出和接收器输入使用相同的保护结构。接收器输入端接的5毫欧姆电阻也有助于电流转移。

二极管必须能够耗散ESD脉冲中存在的能量。它们必须能够高速开关，安全地耗散能量，并占用最小的芯片面积。下图说明了如何实现这一点，是用于接收器输入和发射器输出的实际结构。每个焊盘周围的环形结构体现了P-N结，以最小的芯片面积实现了最佳的电荷分布。

根据 IEC1000-4-2 测试 ESD 保护：这种结构符合IEC1000-4-2的测试要求，比更常见的MIL-STD-883B或人体模型测试要严格得多。大多数半导体制造商使用的这种传统的ESD测试方法旨在测试产品在处理和电路板制造过程中对ESD损坏的敏感性。他们没有充分测试产品对真实世界放电的敏感性。每个引脚都相对于所有其他引脚进行测试，模拟在处理过程中或使用自动插入设备可能发生的放电类型。这些测试与IEC测试之间存在重要差异。

IEC1000-4-2 与 MIL-STD-883B：IEC测试在放电能量方面要严格得多。下面显示的是ESD测试发生器的简化原理图。电容器C1通过R1充电至所需的测试电压。然后，C1中的能量通过R2排放到被测器件中。峰值电流和放电能量由R2和C1决定。该表显示，对于IEC测试，R2从1.5毫欧姆降低到330欧姆，导致峰值电流增加>4倍。此外，C1从50 pF增加到100 pF增加了150%。此外，应用于I-O引脚的IEC1000-4-2测试是在向器件通电时进行的，以检查潜在的破坏性闩锁，这可能是由ESD瞬变引起的。

因此，IEC测试更好地代表了真实世界的I-O放电，其中设备在通电的情况下正常运行。但为了让您高枕无忧，应执行这两项测试，以确保在处理和制造期间以及以后的现场服务期间提供最大的保护。

IEC1000-4-4（以前称为 IEC801-4）电气快速瞬态抗扰度：电快速瞬变是由于开关和继电器中的电弧触点而发生的。IEC1000-4-4 中定义的测试模拟了例如功率继电器断开感性负载时产生的干扰。由于高反电动势（Ldi/dt），产生电弧。由于开关打开时触点反弹，电弧实际上是突发;因此，线路上出现的电压由极快的瞬态脉冲组成。IEC1000-4-4中定义的快速瞬态突发测试尝试使用此处所示的波形模拟此类事件引起的干扰。

波形由 15 ms 突发 2.5 至 5kHz 瞬变组成，以 300 ms 的间隔重复。这些瞬变使用1米电容箝位耦合到I-O线路上。施加高达 2 kV 的电压，具有所示的快速转换时间。这可能会立即损坏连接到I-O线路的未受保护的IC，或者导致性能下降并导致延迟故障。上述保护方案用于ADM2xxE，可将过压箝位至安全水平。

IEC1000-4-3（以前称为 IEC801-3）辐射抗扰度：本规范描述了测量方法并定义了对辐射电磁（EM）场的抗扰度。它最初旨在模拟由便携式无线电收发器等源产生的电磁场，这些源产生连续波辐射电磁能量。此后，其范围已扩大到包括杂散电磁能量，可以从荧光灯、晶闸管驱动器、感性负载等辐射。

在抗干扰性测试中，设备以多种方式之一用电磁场照射。集成电路使用某种形式的带状线电池可以方便地进行测试，该带状线单元由两个平行板组成，它们之间会产生电场。高功率RF放大器产生磁场，其频率从80 MHz扫描到1 GHz。被测器件放置在电池内并暴露在电场中。电池内的场强监测器提供反馈，以在频率变化时保持恒定的场电平。定义了三个严重性级别，场强范围为 1 至 10 V/m。结果的分类方式与IEC1000-4-2类似。

排放：EN55 022，CISPR22定义了信息技术（IT）设备的辐射和传导干扰的允许限值。该标准的目标是最大限度地减少这两种类型的辐射，例如由涉及高频开关电流的开关电路产生的辐射。为了便于测量和分析，假设传导发射在30 MHz以下占主导地位，辐射发射在30 MHz以上占主导地位。

减少排放的最佳和最简单的方法是从源头上减少排放;例如，ADM2xxE系列中使用的电荷泵设计的主要目标是最大限度地降低开关瞬变，而无需任何额外的滤波或屏蔽元件。这减轻了系统设计人员的任务，通过消除外部滤波器和其他高频抑制或屏蔽元件来节省成本和空间，并完全避免滤波连接器，这通常是昂贵的最后手段。

审核编辑：郭婷