浅谈EMC电磁兼容设计—概念篇

心月心叶

1、EMC的概念

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，按设计要求正常工作的能力。就世界范围来说，电磁兼容性问题已经形成一门新的学科，也是一门以电磁场理论为基础，包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘科学，同时也是一门实践性比较强的学科，需要产品工程师具有丰富的实践知识。
电磁兼容的中心课题是研究如何控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其他设备联系在一起工作时，不导致设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。
一个设计理想的电子设备或者系统应该既不发射任何不希望的能量，又应该不受任何不希望有的能量的影响。当然，在电子设备或系统出厂前，衡量其EMC性能好坏的主要依据就是EMC测试结果。这些测试，就是衡量一个产品模拟产品在实际工作环境中发生的一些骚扰和干扰，如下图所示：


一般电子产品设计时不考虑EMC问题，就会导致EMC测试失败，以致不能通过相关法规的认证，而不能出厂销售。即使这种产品应用到实际工作环境中，也会出现一些实际问题。因此，在实际应用中，需要不断地研究出实用的方法来消除电磁干扰和骚扰。例如，工程师们根据需求设计出了效果良好的滤波电路，置于产品I/O接口的前级，可使大多数因传导而进人系统的干扰噪声消除在电路系统的人口处;设计出了隔离电路（如变压器隔离和光电隔离等）解决通过电源线、信号线和地线进人电路的传导干扰，同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰;设计出了能量吸收回路，从而减少电路、器件吸收的噪声能量;或通过选择元器件和合理安排电路系统，使干扰的影响减小。
目前，衡量一个产品的EMC的性能主要从以下两个方面来考虑。
(1）EMI (Electro Magnetic Interference)——电磁干扰性能。即处在一定环境中的设备或系统正常运行时，不应产生超过相应标准所要求的电磁能量干扰。这样的电磁干扰有：

• 从电源线传导出来的电磁骚扰;
  
• 从信号线、控制线传导出来的骚扰;
  
• 从产品壳体（包括产品中的所有电缆）辐射出来的骚扰;
  
• 从电源端口传导出来的谐波电流（Harmonic);
  
• 电源端口产生的电压波动和闪烁（Fluctuation and Flicker)。
  

（2）EMS Electro Magnetic Susceptibility)—电磁抗扰度性能。即处在一定环境中的设备或系统正常运行时，设备或系统能承受各种类型的电磁能量干扰。这种电磁能量干扰主要有：

• 静电放电（ESD）;
  
• 电源端口的电快速瞬变脉冲群;
  
• 信号线、控制线端口的电快速瞬变脉冲群;
  
• 电源端口的浪涌和雷击;
  
• 信号线、控制线端口的浪涌和雷击;
  
• 从空间传递给产品壳体的电磁辐射;
  
• 电源端口传入的传导干扰;
  
• 电源端口的电压跌落与中断。
  

EMC 设计则是在产品设计过程中，利用一定的设计技巧和额外的技术手段提高产品的EMC性能（包括产品的抗干扰能力和产品的抗骚扰水平)，并能在一定环境中按照产品的设计期望正常运行。为了衡量到达实际应用环境前产品的EMC性能，则需要进行EMC测试。对应于以上产品各项EMC指标，EMC测试通常也有如下两个方面。
(1）EMI电磁干扰测试

• 电源线传导骚扰（CE)测试;
  
• 信号、控制线传导骚扰（CE）测试;
  
• 辐射骚扰（RE）测试;
  
• 谐波电流（Harmonic）测试;
  
• 电压波动和闪烁（Fluctuation and Flicker）测试。
  

(2）EMS电磁抗扰度测试

• 静电放电（ESD)抗扰度测试;
  
• 电源端口的电快速瞬变脉冲群（EFT/B)抗扰度测试;
  
• 信号线、控制线的电快速瞬变脉冲群（EFT/B）抗扰度测试;
  
• 电源端口的浪涌（SURGE)和雷击测试;
  
• 信号线、控制线的浪涌（SURGE）和雷击测试;
  
• 壳体辐射抗扰度（RS)测试;
  
• 电源端口的传导抗扰度（CS)）测试;
  
• 信号线、控制线的传导抗扰度（CS)测试;
  
• 电源端口的电压跌落与中断测试（DIP)。
  

2、EMC设计理念

在电子产品的设计中，为获得良好的EMC性能和成本比，对产品进行EMC设计是重要的。
电子产品的EMC性能是设计赋予的。测试仅仅是将电子产品固有的EMC性能用某种定量的方法表征出来。对于企业规范化EMC设计来讲可按照以下3步实现。
第1步：应在研发前期考虑EMC设计。
如果产品设计前期不考虑EMC问题，仅寄希望于测试阶段解决（表现为通过整改来解决设计成型产品的EMC问题，这样大量的人力和物力都投入在后期的测试/验证、整改阶段)。那么，即使产品整改成功，大多情况下还是会由于整改涉及电路原理、PCB设计、结构模具的变更，导致研发费用大大增加，周期大大延长。
只有在前期产品设计过程中考虑与预测EMC问题，把 EMC变成一种可控的设计技术，并行和同步于产品功能设计的过程，才能一次性地把产品设计好。
第2步：通过设计提高电子产品的EMC性能，绝对不是企业内 EMC专家一个人所赋予的，因为EMC绝对不可能脱离产品硬件、结构等实物而存在。
因此，要使设计的电子产品一次取得良好的EMC性能，就需要提高产品设计工程师的EMC经验与意识问题。如硬件工程师，除了原先必须掌握的电路设计知识外，还应该掌握EMI和EMS抗干扰设计的基本知识;PCB设计工程师需要掌握相应的器件布局、层叠设计、高速布线方面的EMC设计知识;结构工程师也需要了解产品结构的屏蔽等方面的设计知识。
因为这些共同参与产品设计的工程师，要去实现EMC专家在产品设计过程中所提出的意见，就要理解、领会EMC专家所提出的建议的奥秘，并与各自领域的设计特点相结合，将所有EMC问题的萌芽消灭在产品设计阶段。只有所有参与产品设计的开发人员共同提高EMC素质，才能设计出具有高性能EMC的电子产品。
第3步：企业要自己建立一套规范的EMC设计体系和设计分析方法。
企业要自己建立一套规范的EMC设计体系和设计分析方法，即在研发流程中融入EMC设计分析及风险评估的过程，在产品设计的各个阶段进行EMC的评估和分析控制，把可能出现的EMC问题在研发前期进行考虑，并预测EMC测试的失败风险。
针对可能出现的EMC问题进行前期充分考虑，并找到解决方案，从而确保产品设计结束后能够一次性通过测试与认证。当然，这对于企业来讲，也将减少不必要的人力及研发成本，缩短产品上市周期。