为什么你的产品总是在EMC测试中失败？如何规避认证失败？

“ 本文件总结了七个常见的 PCB 设计错误，这些错误可能导致产品在认证过程中失败，特别是在电磁兼容性（EMC）和射频（RF）方面。 ”

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什么是产品认证？

产品认证是一种由独立的第三方机构对企业的产品进行测试、检验和审核，以证明其符合特定的标准、技术规范或法规要求的活动。

产品认证主要可以分为两大类：

1. 强制性认证，也就是由国家法律法规强制要求执行的认证。比如中国的 CCC 认证、欧盟的 CE 标志都属于强制性要求。

2. 自愿性认证，即企业根据自身需求、客户要求或市场推广需要，自愿申请的认证。它不是法律强制的。比如美国的 UL 认证、德国的 GS 认证在很多情况下都属于自愿性认证。

不同国家和地区有自己的一套认证体系。如果您的产品计划销往全球，就需要了解目标市场的准入要求。以下是一些最常见的产品认证：

欧洲

• CE  (Conformité Européenne)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：欧盟（EU）及欧洲自由贸易联盟（EFTA）国家。

  • 简介：被视为产品进入欧洲市场的“护照”。产品贴上CE标志，即表示其符合欧盟在安全、卫生、环保和消费者保护等方面的一系列指令要求。它不代表质量好坏，而是代表满足了最基本的安全要求。

• GS (Geprüfte Sicherheit)

  • 性质：自愿性。

  • 适用地区：主要为德国，但在整个欧洲乃至全球都有很高的认可度。

  • 简介：“GS”意为“安全性已认证”。它是一项基于德国产品安全法的认证，比CE要求更严格，包含了对工厂生产流程的年审。因此，拥有GS标志的产品通常被认为具有更高的安全性和可靠性。

• RoHS (Restriction of Hazardous Substances)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：欧盟。

  • 简介：一项环保指令，旨在限制电子电气设备中某些有害物质（如铅、汞、镉等）的含量，以保护环境和人类健康。现在全球很多国家也推出了类似的法规。

北美地区

• FCC 认证 (Federal Communications Commission)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：美国。

  • 简介：主要针对所有会产生射频辐射的电子产品（几乎涵盖所有电子设备），以确保这些产品产生的电磁干扰（EMI）在规定范围内，不会影响无线电通信的安全。

• UL 认证 (Underwriters Laboratories)

  • 性质：自愿性（但在法律和市场上常被视为“准强制性”）。

  • 适用地区：主要为美国，全球认可度高。

  • 简介：全球最知名的安全测试和认证机构之一。UL标准非常严苛，专注于产品的安全性能。虽然法律上非强制，但大多数美国零售商和保险机构都要求产品通过UL认证，否则拒绝销售或承保。

• ETL 标志 (ETL Listed Mark)

  • 性质：自愿性。

  • 适用地区：美国和加拿大。

  • 简介：与UL类似，ETL也是产品安全的证明。如果一个产品带有ETL标志，说明它满足了和UL相同的安全标准。它是UL的一个有力竞争者，同样被广泛接受。

中国

• CCC 认证 (China Compulsory Certification)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：中国大陆。

  • 简介：被称为“中国强制性产品认证”，是中国政府为保护消费者人身安全和国家安全、加强产品质量管理、依照法律法规实施的一种产品合格评定制度。目录内的产品（如家电、电子设备、汽车零部件等）必须获得此认证才能在中国市场销售。

• CQC 认证 (China Quality Certification Centre)

  • 性质：自愿性。

  • 适用地区：中国。

  • 简介：由中国质量认证中心开展的自愿性产品认证业务。当产品不在CCC强制目录内时，企业可以通过CQC认证来证明其在安全、性能、环保等方面符合更高的标准，以提升品牌形象。

其他地区和国际体系

• PSE 认证 (Product Safety of Electrical Appliance & Materials)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：日本。

  • 简介：是日本的电器用品安全法认证，规定了特定电器产品必须通过安全认证才能进入日本市场。

• KC 认证 (Korea Certification)

  • 性质：强制性。

  • 适用地区：韩国。

  • 简介：韩国为了统一认证标志而推出的制度，整合了多个不同的强制性认证，涵盖了安全、健康、环境等多个方面。

• CB 体系 (IECEE CB Scheme)

  • 性质：国际互认体系。

  • 简介：这不是一个直接面向消费者的认证标志，而是一个电工产品安全测试报告的国际互认体系。企业在一个成员国的认证机构获得CB测试证书后，可以更便捷地转换为其他成员国的认证证书（如CE、UL、CCC等）

PCB 设计错误导致的认证失败

先来看一个长图：

在电子产品开发中，产品认证，特别是在电磁兼容性（EMC）与射频（RF）方面的合规性，是决定产品能否顺利上市的关键瓶颈。认证失败不仅会导致成本高昂的重新设计与额外的测试费用，更会严重拖延产品上市周期。

电磁兼容性（EMC）：布局设计的核心原则

多数认证失败的直接原因在于产品产生了过度的电磁辐射，或对外界电磁干扰表现出高度敏感性。其中接地和电源完整性是重中之重。

一个常见的设计缺陷是未能为高速信号走线提供连续、低阻抗的返回路径。

当信号路径下方缺乏完整的参考平面（例如，走线跨越分割的地平面），其返回电流将被迫绕行，形成一个较大的环路面积。这使得信号走线及其返回路径构成一个高效的偶极天线，从而向外辐射电磁噪声。同样，地平面的碎片化，因过孔或布线被过度切割而导致的不连续，也会中断返回路径，显著增加EMI风险。对于原型设计中常见的双层板，虽然成本低廉，但其通过敷铜形成的拼凑式接地网络，极易被信号走线分割，这些碎片化的接地区域可能演变为意外的辐射天线，而非噪声抑制屏障。因此，为确保认证成功，尤其对于包含无线功能的设计，采用具有专用、完整接地内层的多层板非常重要。

此外，噪声的源头管理同样关键。开关稳压器因其高频切换特性，是主要的噪声源之一。如果其布局不当，例如存在较长的开关环路或不良的接地连接，就会在宽频率范围内产生强烈的电磁辐射，严重影响EMC测试结果。同时，电源输入端口是传导骚扰进入或流出设备的主要通道，必须通过铁氧体磁珠、大容量电容或LC滤波器等手段进行充分滤波，以满足传导辐射标准。

认证的是产品，不是单个 PCB

产品认证的对象并非孤立的PCB，而是包含外壳、线缆、连接器在内的完整终端产品。在裸板状态下测试通过，但在装入外壳并连接线缆后失败，是极为常见的情形。外部接口，如USB、电源插孔或任何连接长导线的GPIO，都是潜在的“天线”，极易耦合噪声并向外辐射，或将外部干扰引入系统内部。因此，对这些接口进行适当的滤波、屏蔽和ESD保护是必不可少的。

同样，外壳本身也会对EMC和RF性能产生决定性影响。一个接地不良的金属外壳可能形成谐振腔，放大特定频率的噪声，或者本身变成一个巨大的辐射天线。因此，测试和验证必须在最终产品形态下进行，以确保结果的有效性。

射频（RF）与安全性的特殊考量

对于集成了蓝牙、Wi-Fi等无线通信功能的产品，天线的设计与布局直接关系到RF认证的成败。天线性能对周围环境极为敏感，若将其置于过于靠近地平面、金属外壳或其他高频噪声组件（如开关稳压器、晶体振荡器）的位置，会导致其阻抗失配、辐射效率降低、通信距离缩短，甚至因杂散发射超标而无法通过认证。即便使用预认证的无线模块，如果未能严格遵循其参考设计中关于天线周围接地间隙和禁布区的规定，同样会使模块的认证失效。

最后，对于涉及交流市电或高压电路的设计，安全认证是不可逾越的红线。必须严格遵守目标市场的安全标准，确保高压与低压电路之间有足够的物理隔离，包括满足爬电距离和电气间隙的要求。在布局时，应清晰划分高低压区域，并移除隔离带下方的任何铜箔，以防止潜在的安全隐患。

产品开发过程中的潜在问题

产品设计初期

• 忽略了 EMC 设计： 在PCB布局中，信号走线过长且没有实心回流路径（如跨越分割地平面），可能导致走线像天线一样辐射噪声。 

• 地平面碎片化（被过孔或布线切割），破坏低阻抗回流路径，增加辐射。

• 电源输入未进行充分滤波（缺少铁氧体磁珠、大容量电容或LC滤波器），导致传导发射问题。

• 开关稳压器布局不佳（长环路或接地不良），在宽频率范围内辐射，影响EMC结果。

• 依赖双层板设计： 尝试使用双层板进行认证产品设计，而不是具有专用内部地平面的多层板，这使得难以获得连续干净的地平面。

• 外部接口缺乏屏蔽或滤波： USB、电源插孔、天线甚至长GPIO等连接到外部世界的接口未添加铁氧体磁珠、ESD保护或共模扼流圈。

• 误解认证范围： 认为认证仅适用于PCB或电子元件，而非整个产品（PCB、外壳、布线、连接器等）。

• 天线放置或接地不良：将天线放置得离地平面、外壳或其他嘈杂元件太近，影响无线性能（如范围缩小、特性失谐）。

• 更改预认证模块天线周围的布局（尤其是接地间隙或禁区），可能使认证失效。

• 高低压之间缺乏隔离： 未在高压电路（连接到交流电源、电源转换等）和低压电路之间考虑爬电距离、电气间隙和隔离。

• 将噪声元件放置在敏感走线附近： 将开关稳压器、晶体振荡器、数字总线等高速或噪声元件放置在敏感模拟走线、天线或RF路径附近。

设计优化与测试准备阶段

• 积极进行EMC设计： 考虑发射和抗扰度，确保信号走线有连续参考地，避免地平面碎片化，在电源输入端添加适当滤波，优化电源供应布局。

• 选择合适的PCB层数： 对于需要认证的产品，使用四层或更多层板，并分配一个内部层作为专用地平面，以提供一致的回流路径。

• 为外部接口增加保护： 对所有外部接口添加滤波和保护，确保回流路径可靠。

• 整体产品考虑： 在设计时就将外壳、布线和连接器等纳入考虑，并计划测试最终组装好的产品，而不是裸板。

• 优化天线布局： 遵循参考布局，留出建议的天线间隙，避免附近布线，不要放置在金属部件下方。

• 确保高低压隔离： 关注爬电距离和电气间隙，移除隔离区域下方的铜箔，并遵循目标市场的标准。

• 优化元件布局： 将噪声和安静区域分组，在需要时使用屏蔽，并保持敏感的模拟和RF区域与高速数字区域物理隔离。

认证测试阶段

• 产品提交认证实验室： 产品进入耗时且昂贵的认证流程。

• EMC测试：如果设计辐射噪声过大或对干扰过于敏感，则会EMC测试失败（无论是美国的FCC还是欧洲的CE）。

• 如果板子单独通过，但连接电缆后失败，通常是由于外部接口缺乏屏蔽或滤波。

• 有意辐射体测试（针对无线产品）： 如果产品包含蓝牙、Wi-Fi或其他无线电，可能需要进行此测试。天线设计不佳可能导致杂散发射或辐射功率不足而失败。

• 安全测试（针对高压产品）： 如果有高压电路，需要考虑安全测试，如爬电距离、电气间隙和隔离。

结束语

学习完之后，是否对安规认证及 EMC 测试有了大概的了解？最后用一个小测验考验一下学习的成果。请用2-3句话简要回答以下问题。

1. 为什么在PCB设计初期考虑认证而非仅关注功能性至关重要？
2. 在EMC测试中，长信号走线若没有可靠的回流路径，为何会成为问题？
3. 双层板在认证中常遇到的一个主要问题是什么，以及它如何影响EMI？
4. 为什么说“误以为只需认证PCB”是一个常见的错误？产品认证的实际范围是什么？
5. 在带有无线电功能的PCB设计中，天线放置不当可能导致哪些主要认证问题？
6. 当产品包含高压电路时，为了通过安全认证，设计师需要重点关注哪两个关键物理距离？
7. 解释地平面碎片化对PCB设计中回流路径和辐射发射的影响。
8. 除了PCB板本身，哪些产品部件也会影响整体产品的认证结果？
9. 为了避免外部接口引起辐射发射问题，通常需要添加哪些类型的组件

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   参考文档：1. https://www.youtube.com/watch?v=Q8Dpxe19CbU