电磁兼容（EMC）的基础知识

本文思维导图：

 

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EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容）是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。

 

EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）：自身产生的电磁干扰不能超过一定的限值。

 

EMS（Electro Magnetic Susceptibility，电磁抗扰度）：自身承受的电磁干扰在一定的范围内。

电磁环境：同种类的产品，不同的环境就有着不同的标准。

 

需要说明的是，以上都基于一个前提：一定环境里，设备或系统都在正常运行下。

 

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电磁干扰的产生原因：电压/电流的变化中不必要的部分。

 

电磁干扰的耦合途径有两种：导线传导和空间辐射。

 

导线传导干扰原因是电流总是走“最小阻抗”路径。以屏蔽线为例，低频（f<1kHz）时，导线的电阻起到主要作用，大部分电流从导线的铜线中流过；高频（f>10kHz）时，环路屏蔽层的感抗小于导线的阻抗，因此信号电流从屏蔽层上流过。

 

干扰电流在导线上传输有两种方式：共模和差模。

一般有用的信号为差模信号，因此共模电流只有转变为差模电流才能对有用信号产生干扰。阻抗平衡防止共模电流向差模转变，可以通过多点接地用来降低地线公共阻抗，减小共地线阻抗干扰。

 

空间辐射干扰分近场和远场。

近场又称为感应场，与场源的性质密切相关。

当场源为高电压小电流时，主要表现为电场；

当场源为低电压大电流时，主要表现为磁场。

 

无论是电场还是磁场，当距离大于λ/2π时都变成了远场。

远场又称为辐射场。远场属于平面波，容易分析和测量，而近场存在电场和磁场的相互转换问题，比较复杂。

 

这里面有问题的是如果导线变成天线，有时候就分不清是传导干扰还是辐射干扰？

低频带下特别是30 MHz以下的主要是传导干扰。或者可以估算当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要问题是辐射干扰。

 

干扰信号以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量，再以泄漏和耦合形式，通过绝缘支撑物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。

 

举例：900MHz，平面波的转折点在50 mm

 

电磁波辐射有两个必要条件：变化的电压/电流和辐射天线。两者缺一，都不会产生大量的辐射干扰。

 

有些资料会给出瞬态干扰的概念，顾名思义：时间很短但幅度较大的电磁干扰。瞬态干扰一般指各类电快速脉冲瞬变（EFT）、各类浪涌（SURGE）、静电放电（ESD）等三种。
 

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重点：消除其中任何一个因素就可以满足电磁兼容设计的要求。

切断耦合途径是最有效的电磁兼容处理措施。

 

了解下传播路径：
 

 

电磁干扰可以通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的传导干扰，也有通过空间直接传播的空间辐射干扰。这些干扰或者噪声并不是独立存在的，在传播过程中又会出现新的复杂噪声，这种问题叠加问题才是解决问题的难点。

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近场区，波阻抗与辐射源的位置、阻抗、频率及辐射源周围的介质有关；远场区，波阻抗等于电磁波传播介质的特性阻抗；在真空中，波阻抗为377Ω。

由377Ω想到自由空间的特性阻抗：

 

 

 

有个基础概念需要讲一讲：dB&dBm区别。dB之前的常提常见。dBm是功率相对于1 mW的值。

至于区别，上公式比较直接：

 

 

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环路

 

 

电流在传递路径与返回路径中形成的环路是PCB辐射发射的一个原因。

电子产品中任何信号的传递都存在环路，如果信号是交变的，那么信号所在的环路都会产生辐射，当产品中信号的电流大小、频率确定后，信号环路产生的辐射强度与环路面积有关，管控信号环路的面积可以控制EMC问题。

 

单点&多点接地

 

电子设备是否选择单点接地，主要取决于系统的工作信号频率和接地线的长度，即其表征量L/λ。L/λ<=0.1时，选择单点接地，单点接地的应用范围一般在300kHz以下，在有些场合也可用在1MHz以下。

当地线长度为1/4波长的奇数倍时，地线阻抗变得很高，产生天线效应，即地线像天线一样向外辐射噪声信号。若用一点接地，地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。

 

散热&屏蔽

 

 

屏蔽和散热是互相矛盾的，散热孔一般是一组孔洞，利用风扇进行强迫对流，这些孔洞将会引起电磁泄漏，使屏蔽效果下降，孔洞越大，屏蔽效果越差。通常系统的外壳都配置了散热孔，这种散热孔会影响整个系统的屏蔽性能。

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电磁兼容测试分为两大类：

一类是电磁干扰度（EMI）测试，测试电子产品系统对其他设备、对电磁空间的干扰发射情况。

一类是电磁抗扰度（EMS）测试，测试电子设备抵御空间电磁干扰的能力。

 

国家标准中EMI测试项目为2项，军用标准中EMI测试项目为7项，EMS测试项目为10项，军用保证EMS测试项目为12项。

列出不同数量测试项目，说明针对不同行业，有着不同要求，这个也好理解。问题是EMC测试有不同标准，各个行业再依据标准进行细化，确定自己满足的等级和要求。
 

 

EMI测试项目：
 

①传导骚扰（CE）测试（电源线、信号、控制线）

②辐射骚扰（RE）测试

③谐波（Harmonic）测量

④电压波动和闪烁（Fluctuation and Flicker）测量

EMS测试项目：
 

①静电放电抗扰度（ESD）

② 电快速瞬变脉冲群抗扰度（EFT）

③ 浪涌（SURGE）

④ 辐射抗扰度（RS）

⑤ 传导抗扰度（CS）

⑥ 电压跌落与中断（DIP）

 

 

EMI测试场地有半电波暗室、全电波暗室、开阔场三种。

 

产品相关EMC测试是必须的，产品EMC测试出现相关问题，整改方向：

1.静电抗扰度测试—>屏蔽

2.电快速瞬变脉冲群抗扰度测电源隔离，使用屏蔽双绞线&安装磁环。

3.浪涌（冲击）抗扰度测试安装浪涌抑制器

4.射频场感应的传导骚扰抗扰度测试屏蔽、接地、滤波

5.射频电磁场辐射抗扰度测试导电泡棉将线缆压紧，保持最小的缝隙。

6.传导发射电源隔离、滤波、接地、减小回路面积。

7.辐射发射出现超标屏蔽接地，检查连接，安装磁环，检查模拟设备。

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产品电磁兼容性设计，必须通过整体设计，从电路设计到元器件选型，从PCB制版到样机调试，从电子设备的测试到发布，每一步都要考虑有可能引起的电磁兼容问题，从产品最初规划到最后认证结束，每一步都要融入电磁兼容设计思想，才能真正管控好电磁兼容问题。