科普好文：電磁兼容原理、方法及設(shè)計！

電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

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接地是電子設(shè)備的一個很重要問題。接地目的有三個：

（1）接地使整個電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。

（2）防止外界電磁場的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。

（3）保證安全工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機(jī)殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連，當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V電壓時，將發(fā)生致命危險。

因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。

電路的接地方式基本上有三類，即單點接地、多點接地和混合接地。單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點。其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。多點接地是指某一個系統(tǒng)中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。接地平面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個系統(tǒng)的地導(dǎo)線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等。

混合接地是將那些只需高頻接地點，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。

屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散；用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

因為屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

屏蔽體材料選擇的原則是：

（1）當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流（P=I2R，電阻率越低（電導(dǎo)率越高），消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。

（2）當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。

（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。

（1）濾波

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。

濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平，因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡(luò)無論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強(qiáng)接收設(shè)備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網(wǎng)絡(luò)能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號進(jìn)入電路。對高頻電路可采用兩個電容器和一個電感器（高頻扼流圈）組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類很多，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器能消除不希望的耦合。

（2）正確選用無源元件

實用的無源元件并不是“理想”的，其特性與理想的特性是有差異的。實用的元件本身可能就是一個干擾源，因此正確選用無源元件非常重要。有時也可以利用元件具有的特性進(jìn)行抑制和防止干擾。

（3）電路技術(shù)

有時候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)。平衡電路是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對地或?qū)ζ渌鼘?dǎo)線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導(dǎo)線所檢拾到的干擾信號相等。這時的干擾噪聲是一個共態(tài)信號，可在負(fù)載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點網(wǎng)絡(luò)，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊?，采用電路技術(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。

這主要是按照電磁兼容設(shè)計的先后順序來考慮的，從先到后可分為以下幾層：

（1）元器件的選擇和PCB設(shè)計，這是關(guān)鍵的；

（2）接地設(shè)計，這是主要的手段。以上兩層如果設(shè)計的好，可完成電磁兼容的80%以上的工作。

（3）屏蔽設(shè)計；

（4）濾波設(shè)計和瞬態(tài)騷擾抑制。以上兩層是輔助手段，多為事后補(bǔ)救措施，也是我們最不提倡的。

（5）可根據(jù)實際電路需要，結(jié)合以上幾層來綜合設(shè)計。

主要根據(jù)構(gòu)成干擾的三要素從下幾方面來保證電磁兼容。

2.1在不同等級上保證電磁兼容

1）從元器件級上來說，當(dāng)是無源元件時，考慮

（1）工作頻帶以外的元件參數(shù)與工作頻帶上的有很大的區(qū)別；

（2）插件元件的末端引線有電感存在，當(dāng)高頻時這個電感易發(fā)生電磁兼容問題；

（3）元件有寄生電容，寄生電感，在電路上表現(xiàn)為分布參數(shù)，在分析電路時也要考慮由它帶來的等效電路。當(dāng)是有源元件時，工作中產(chǎn)生的電磁輻射也會以傳導(dǎo)電流的方式成為干擾源，當(dāng)是非線性元件時還可能發(fā)生頻譜成分的變化，這種變化也會引起干擾。

2）從設(shè)備級上來說，主要是保證減少對敏感設(shè)備的耦合，可考慮

（1）增加脈沖前沿時間以減少干擾的頻寬；

（2）消除電路中震蕩器產(chǎn)生的諧波及信號的諧波；

（3）限制干擾輻射或消除干擾的傳播途徑。

3）從系統(tǒng)級上來說，主要是靠組織或系統(tǒng)工程的方法來保證，因為有可能在單個設(shè)備上的電磁兼容得到了改善，但同時卻影響了其它設(shè)備的工作條件，使得其它設(shè)備的性能指標(biāo)變壞，此時需要從系統(tǒng)上折中考慮，另外，重要的一點是電磁兼容設(shè)計必須得到系統(tǒng)總體設(shè)計的高度重視。

2.2減小導(dǎo)線之間的耦合

主要是從增大導(dǎo)線之間的距離，使用屏蔽，使用雙絞線或使用屏蔽加雙絞這幾個方面來考慮。

2.3接地

主要應(yīng)考慮

（1）接地導(dǎo)線及公共線的阻抗應(yīng)最小，最好小于產(chǎn)品最高工作頻率的λ/20以內(nèi)；

（2）接地導(dǎo)線應(yīng)采用橫截面為管形的接地線；

（3）可靠接地，并防止連接點形成氧化層；

（4）使用一點并聯(lián)接地（低頻用）或者多點接地（高頻用）。

2.4屏蔽

當(dāng)是低頻磁場時，主要考慮磁屏蔽，當(dāng)屏蔽層越厚，材料導(dǎo)電率越高，屏蔽效能越好；當(dāng)是高頻磁場、電場或電磁場時，主要考慮用薄金屬屏蔽并良好接地。另一個值得注意的是在線纜制作時，要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有?360度的完整搭接，不能出現(xiàn)“豬尾巴”現(xiàn)象，否則效果大大打折扣。

2.5濾波

主要考慮

（1）抑制工作頻帶以外的干擾；

（2）在信號電路中用吸收濾波器消除無用的頻譜成分；

（3）在電源電路（尤其是開關(guān)電源中），操縱電路，控制電路，以及轉(zhuǎn)換電路中消除產(chǎn)生的干擾。在工程實際中，一個最值得注意的地方是電源濾波器的安裝，常見的濾波器的錯誤安裝如圖2所示。

2.6電子設(shè)備的空間位置

由于各種電子設(shè)備的接收特性以及干擾源設(shè)備的輻射特性都具有一定的方向性和一定的作用距離，可以利用這些特性適當(dāng)安排電子設(shè)備在設(shè)備空間中的位置以避免干擾和被干擾，即注意確定電子設(shè)備之間的空間距離和位置的格局。

除了元器件的選擇和電路設(shè)計外，良好的印制板（PCB）布線在電磁兼容設(shè)計中也是一個非常重要的因素。既然PCB是系統(tǒng)的固有成分，在PCB布線中增強(qiáng)電磁兼容性不會給產(chǎn)品的最終完成帶來附加費用，從這一點來說也是非常經(jīng)濟(jì)的。

3.1注意電磁兼容設(shè)計的帶寬

在EMC中，除了基本頻率外，還需考慮諧波因素，通常取十倍頻，但在數(shù)字電路中卻有些不同，比如在時鐘電路和邏輯門電路中，輻射帶寬與數(shù)字信號的上升沿或下降沿有關(guān)系，而不是數(shù)字信號的重復(fù)周期，其關(guān)系為：rtF?/1max?，其中rt是脈沖的上升沿時間。例如，典型時鐘驅(qū)動的邊沿速率是2ns，此時，maxF≈160MHz，再考慮十倍頻，則此時鐘電路可能產(chǎn)生直到1.6GHz的輻射帶寬。所以在選擇器件時要選擇慢速的邏輯器件系列，因為器件對電磁輻射貢獻(xiàn)的大小與工作頻率無直接關(guān)系而只取決于邊沿速率（這和從電路功能設(shè)計上選擇快速器件是矛盾的，在電路設(shè)計時需要折中考慮）。還有從器件的抗擾能力上來說，CMOS器件是最好的，因為它的噪聲容限高。從封裝上來說，BGA是最好的，因為它的引線很短。脈沖信號的頻譜如圖3所示。

3.2注意用于PCB電磁兼容設(shè)計的電路與電路原理圖不同

主要是由于PCB的電路原理圖沒有考慮電路中元件及PCB線條的分布參數(shù)，如分布電感，分布電容，分布互感，分布互電容以及傳輸延遲等項。例如導(dǎo)線在高頻時等效于電感和電阻的串聯(lián)。開關(guān)速度越高，對負(fù)載阻抗的要求就越高，要求時鐘驅(qū)動器的輸出阻抗必須等于時鐘線條的波阻抗，通常時鐘驅(qū)動器都要加串聯(lián)電阻，經(jīng)驗值一般為10～30Ω。

3.3注意PCB布線原則

（1）20-H原則，決定印制線條間的距離，表述如下：所有的具有一定電壓的PCB都會向空間輻射電磁能量（如圖4a），為減小這個效應(yīng)，PCB的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的接地板的物理尺寸小20H（其中H是兩層PCB的間距），即3mm左右，這樣可使輻射強(qiáng)度下降70%（如圖4b）。20-H原則示意圖如圖4所示：

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，采用20-H規(guī)則后會大大提高PCB的自激頻率。

（2）3-W原則，它決定PCB的電源層與邊沿的距離，表述如下：當(dāng)兩條印制線的間距較小時，兩線之間會發(fā)生電磁串?dāng)_，從而使電路功能失常。為避免這種影響，應(yīng)保持任何線條間距不小于三倍的印制線條寬度，即3W，W為印制線條寬度。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求。

（3）保證信號在PCB上可靠的傳輸，確保信號的完整性。這里面主要的問題一般包括時延、阻抗不匹配、地彈跳、串音等。這不但影響到電子器件的穩(wěn)定工作，還會產(chǎn)生電磁干擾。一般在高速邏輯設(shè)計中最容易碰到時延問題，處理不好會產(chǎn)生不希望的脈沖干擾。傳輸時延對信號的影響如圖5所示。

3.4注意確定PCB布線層數(shù)

首先在設(shè)計中要有一個重要的概念，就是每個布線層最好與實平面（電源或接地）相鄰。原則：

（1）電源平面應(yīng)靠近接地平面并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板之間的電容作電源的平滑電容，同時地平面還可以對電源面的輻射電流起到屏蔽的作用。

（2）數(shù)字電路和模擬電路分開。數(shù)字地和模擬地之間可以不開槽，但須有一個完整的統(tǒng)一的地平面，且嚴(yán)格按數(shù)字部分和模擬部分分區(qū)。

（3）中間層的印制線條形成平面波導(dǎo)，在表面層形成微帶線，兩者傳輸特性不同。

（4）電路尤其高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨安排，遠(yuǎn)離敏感電路。

（5）信號面應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰，這樣是為了產(chǎn)生通量對消作用。

（6）不同層所含的雜散電流和高頻輻射電流不同，布線時應(yīng)區(qū)別對待。對于雜散電流可以用去耦電容，對于高頻輻射電流可以通過減小回路面積。

以下是常見的PCB層設(shè)計，供參考（S表示信號層，G表示地層，P表示電源層）。四層板：S1，G，P，S2

六層板：S1，G，S2，P，G，S3

八層板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4

十層板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6（但S4對電源噪聲敏感）

3.5注意PCB接地設(shè)計

1）首先，要建立分布參數(shù)的概念。高于一定頻率時，任何金屬導(dǎo)線都可看成是由電阻和電感構(gòu)成的器件，所以，接地引線具有一定阻抗并且構(gòu)成電氣回路，不管是單點接地還是多點接地都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正地或機(jī)架。

2）接地方法

（1）單點接地。如果元件，電路的工作頻率小于1MHz時，單點接地是很好的方式，但當(dāng)頻率升高時，連接線電感作用突出，此時接地阻抗將升高，當(dāng)接地線的長度為周期信號四分之一波長的奇數(shù)倍時，不但阻抗高，還會成為輻射電磁能量的天線。

（2）多點接地。高頻電路均采用多點接地，此時可使接地阻抗達(dá)到最小，可將射頻電流由接地平面分流到金屬地板上去，因為實體金屬板有較低的電感分量會形成低阻抗回路。

（3）數(shù)字電路應(yīng)當(dāng)作為高頻模擬電路處理，也應(yīng)該保持低電感接地，并使用高質(zhì)量退耦電容（0.1uF并聯(lián)0.001uF相差兩個數(shù)量級）接地。

（4）接地與信號回路，射頻電流總要找一條道路回饋到起始點去，在電磁兼容設(shè)計中，通?？偸鞘垢咚龠壿嬰娐繁M可能靠近底版，接地板安裝，以便更好減少高頻輻射環(huán)路。接參考地的地線長度一定要很短，短到產(chǎn)品最高工作頻率的λ/20以內(nèi)。

（5）接地次序，由于一般是電源地騷擾（或噪聲）最大，故它應(yīng)先接到參考地（這樣做的目的是讓參考地先把騷擾吸收掉），然后再送到模擬地和數(shù)字地上去。

3.6注意PCB中電容的設(shè)計

EMC中的電容可分為退耦電容，旁路電容，和容納電容。退耦電容主要是用來濾除高頻器件在電源板上引起的輻射電流，為器件提供一個局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值，通常陶瓷電容被用來作為退耦電容，其值取決于最快信號的上升時間和下降時間例如，對于33MHz的時鐘信號，可以使用4.7uF到100uF的電容，對于100MHz的時鐘信號，可以使用10uF的電容；另外，工程上也要考慮ESR對退耦能力的影響，一般選擇ESR值低于1歐姆的電容。旁路電容能消除高頻輻射噪聲，通常鋁電解電容和鉭電容比較適合做旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流要求，一般在10-470uF范圍內(nèi)，若PCB板上有許多集成電路，高速開關(guān)電路和具有長引線的電源，則應(yīng)選擇大容量的電容。容納電容是用來解決開關(guān)器件工作時電源電壓會發(fā)生突降的問題。

總之，選擇電容時，不但應(yīng)該選擇溫度系數(shù)好的，還要選擇等效串聯(lián)電感小的（小于10nH）和等效串聯(lián)電阻小的（小于0.5Ω）電容。從材質(zhì)上說，低于50MHz時一般選擇Z5U材質(zhì)，它性能穩(wěn)定，介電常數(shù)大，電容容量大，大于50MHz時一般選擇NPO材質(zhì)，它介電常數(shù)小。通常工程上的實際做法是一大一小（指電容值）兩個電容并聯(lián)使用。

3.7注意PCB過孔的設(shè)計

在布線時盡量少穿過孔，因為過孔阻抗和線阻抗不一樣，存在阻抗突變，從而產(chǎn)生駐波使信號變壞，容易形成輻射，尤其是在時鐘需要穿層時，要做技術(shù)處理，時鐘線跨層時的處理如圖6所示。