电磁兼容设计

电磁兼容设计北京研究所硬件与光电子部周小军2003.6.25高速电路设计系列讲座之一主要内容电磁兼容概论电磁干扰源电磁干扰的耦合与传播电磁干扰抑制技术电磁兼容试验电磁场仿真简介第一部分电磁兼容概论什么是电磁兼容？即ElectroMagneticCompatibility，简称

EMC。定义：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁扰动的能力。目的：使电气装置或系统在共同的电磁环境条件下，既不受电磁环境的影响，也不会给环境以这种影响。是一门新兴学科。电磁干扰与电磁敏感性电磁干扰（EMI）：使电器设备或电子装置性能下降，工作不正常或发生故障的电磁扰动。

ElectromagneticInterference电磁敏感性（EMS）：设备在电磁环境中耐受干扰的能力。

ElectromagneticSusceptibilityEMC三要素电磁干扰源传播途径敏感设备

电磁干扰的原因既可以来自系统内部，又可以来自系统外部，分别称为系统内干扰和系统间干扰。产生干扰的原因是预定给某一线路的信号传到不需要此信号的一个或多个其它线路上。基本上，电磁干扰是由三要素组合产生的：意外的源、意外的传输路径和意外的响应。电磁干扰源任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称为电磁骚扰源。敏感设备（Victim）是指当受到电磁干扰源所发射的电磁量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降低或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁干扰源又是敏感设备。EMC设计目的电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一；是实现设备或系统规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证；是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。必须在设备或系统功能设计的同时,进行电磁兼容设计。国际通行证EMC设计方法接地（Grounding）屏蔽（Shielding）滤波（Filtering）隔离印制电路板的电磁兼容设计与EMC有关的国际组织IEC:InternationalElectrotechnicalCommissionCISPER:InternationalSpecialCommitteeonRadioInterferenceITU:InternationalTelecommunicationUnionETSI：EuropeanTelecommunicationsStandardsInstituteEN:EuroNorm-----CEmarkFCC:FederalCommunicationCommissionEMI的来源数字电路的电平转换过程产生方波信号方波包含频率范围宽广的正弦谐波分量，这些分量构成工程师所关心的EMI频率成分最高的EMI频率也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数EMI发射带宽计算公式为：

F=0.35/Tr

其中：F是频率，单位是GHz；Tr是单位为ns（纳秒）的信号上升时间或者下降时间第二部分电磁干扰源电磁干扰的特征规定带宽下的发射电平干扰源的频谱宽度和波形。信号的边沿越陡，频谱就越宽。干扰的出现率：周期性、非周期性、随机辐射干扰的极化、方向特性：在不同的位置、方向上，干扰的强度不一样电磁干扰的分类任何一个电子设备都可能是一个干扰源根据来源可分为：自然干扰和人为干扰根据作用时间可分为：连续干扰、间歇干扰和瞬变干扰功能性干扰和非功能性干扰根据干扰的传播途径可分为传导干扰和辐射干扰：传导干扰是指通过金属导体进行传播的干扰。辐射干扰是指通过空间电磁场进程传播的干扰。由于载流导体与周围场的相互作用，同一个源往往可以产生两者类型的干扰。电磁干扰源自然干扰源以其干扰源不可控制为特点，如电子噪声、天电噪声、地球外噪声等。它们所产生的电磁干扰，其统计特性变化很大，有时呈频谱平坦的高斯分布，有时又呈现偶尔发生的脉冲骚扰。这类骚扰是一种客观存在，只有掌握其分布及变化规律，才能有效控制。人为干扰源以其干扰源可控可知为特点，如各种发射机产生的杂散辐射等无线电骚扰，工业、科学、医疗设备产生的非无线电骚扰等。人为干扰源连续波干扰源：连续波骚扰源产生的电磁骚扰主要是纯的或窄带信号调制的正弦波，以及高重复频率的周期性信号，如时钟电路、信号发生器等。瞬态干扰源：工业、科学和医用设备，车辆、机动船和火花点火发动机装置，家用电器、便携式电动工具和类似电器、荧光灯和照明装置，脉冲、数字电路的开关噪声。功能性干扰和非功能性干扰功能性干扰是指某系统正常工作的同时,又直接构成对其它系统的干扰。如:无线电台、工业、科学、医疗设备等产生的骚扰。非功能性干扰指某系统正常工作时的“副产品”。如大功率开关、继电器等产生的骚扰。电磁干扰源总结第三部分电磁干扰的耦合与传播电磁干扰的传播途径即传输电磁干扰的通路或媒介。通常认为电磁干扰有两种传输方式：传导传输：必须在干扰源和敏感设备间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器，发生干扰现象。这个传输线路可包括导线、设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平面、电阻、电感、电容和互感元件。电磁干扰的传播途径辐射传输：通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合有三种：﹡A天线发射的电磁波被B天线意外接收，称为天线对天线耦合。﹡空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合。﹡两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线高频感应耦合。电磁干扰的传播途径在实际工中，两个设备之间发生干扰通常包含着许多途径的耦合。而且，干扰通常是相互的。目前对传导耦合的具体划分，许多资料还存在一些分歧，有的认为：传导耦合的传输电路只限于“电源线、信号线和导电部位如导线、接地平面等”，把电容性耦合和电感性耦合归属于辐射传输的近场感应耦合；而有的则认为电容、电感性耦合属于传导范畴；有的还认为导线间的分布参数耦合作为辐射耦合的一部分。传导耦合的基本原理按其原理可分为三种基本的耦合：电阻性耦合电容性耦合（电场）电感性耦合（磁场）在实际情况中，它们往往是同时存在、相互联系的。电阻性耦合是最常见最简单的耦合方式一般发生在两个电路的电流经过一个公共电阻时，一个电路在该供给电阻上的压降会影响另一个电路。共地阻抗耦合共线路阻抗耦合电容性耦合两个电路中的导体，但它们靠得比较近且有电位差的时候，它们的电场会对对方发生感应，相互作用，相互影响，这称为电场耦合。两个导体电场的耦合程度取决于导体的形状、尺寸、相互位置和周围介质的性质，也就是导体间的分布电容。感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。两导线间的电容耦合示意图C12C1GC2GRC1GC2GC12RVN＝V1V1j[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1电容耦合公式的化简R<<1/[j

(C12+C2G)]j[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1VN＝VN=jRC12V1

R>>1/[j

(C12+C2G)]

VN=V1[C12/(C12+C2G)]电容耦合噪声电压的抑制对于R比较小的情况：一般而言，噪声源的电压和频率是固定的，所以欲减小噪声电压，可将接收回路的电阻R减少，或减少耦合电容。对于R比较大的情况：导线2与地间的噪声电压由C12、C2G电容分压器决定，与干扰源的频率无关，其幅值比R很小时大得多。电感性耦合当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）链环，结果出现磁感应（感性）耦合。感应电流是原电流、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和2之间存在互感M12。电感性耦合示意图MR2RR1RR2VN＝d

12/dt=d(MI1)/dt=MdI1/dt＝jωMI1R1I1VNI1VNV1V1电感性耦合电感性耦合的噪声电压为：其中M为干扰源回路与接收器回路间的互感，它与接收器回路的面积、两回路的相对位置有关。一般而言，噪声源的频率和驱动电流是固定的，所以为了降低噪声电压，只有减小M12，电容、电感性耦合的机理MCICICILILR0RLR2GR2L电容、电感性耦合的区别在电场耦合时，噪声电压产生于接收器与地之间，干扰以位于接收器和地之间的电流源形式存在；在磁场耦合时，噪声电压产生于与接收器串联的导线中，干扰以串联于接收器中的电压源形式存在。鉴别方法：测量跨接接收器一端阻抗上的噪声电压，并减小该接收器另一端上的阻抗。如果所测的噪声电压减小，则为电干扰；如果所测的电压增加，则为磁干扰。电感耦合与电容耦合的判别IN=j

C12V1R2R1VVVN=j

M12I1R2R1～电容耦合电感耦合辐射耦合辐射电磁场是干扰耦合的另一种方式。除了从源有意辐射之外，还有无意辐射，如有短(小于λ/4)单极天线作用的线路和电缆，或者起小环天线作用的线路和电缆，都可能辐射电场或磁场。对于辐射耦合，近场与远场的概念是十分重要的。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可写为：近场和远场的辐射长度PCB上的两种辐射机理差模辐射共模辐射电流环杆天线共模电流和差模电流干扰电流在导线上传输有两种方式：共模方式和差模方式一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等，方向相反。一般有用信号都是差模电流。一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同。干扰电流在导线上传输时即可以差模方式出现，也可以共模方式出现。但共模电流只有变成差模电流后，才能对有用信号构成干扰。共模电流和差模电流差模电流辐射小环天线地平面电位2mV

200mV2mV~10mV10mV~20mV20mV~100mV100mV~200mV共模电流辐射单极天线差模辐射和共模辐射差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射。这种环路相当于小环天线，能向空间发射辐射磁场，或接收磁场。因此，必须限制环路的大小和面积。共模电流是由于电路中存在电压降，某些部位具有高电压的共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下产生共模电流，成为辐射电场的天线。这多数是由于接地系统中存在电压降所造成的。共模辐射通常决定了产品的总辐射性能。差模辐射当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，可设环电流为I，环面积为S，在距离为

的远场，测得电场强度为：E=131.6×10-16(f2SI)(1/)sin

E：电场强度（V/M）f：频率（Hz)S：面积（m2)I：电流（A）：距离（m)：测量天线与辐射平面的夹角（°）差模辐射与环电流和环面积成正比，与频率的平方成正比。因此，可采用下述三种方法控制差模辐射：1)减小电流幅度I；2)减小信号频率f及其谐波，加大数字信号上升/下降沿tr；3)减小环面积S，将信号线紧挨接地回线。如何减小差模辐射？E=2.6I

Af2

/D低通滤波器布线共模辐射共模辐射可用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟。对于接地平面上长度为l的短单极天线来说，在远场

处的电场强度为：E=410-7（fIl)(1/)sin式中l为天线长度（m）。共模辐射与频率f、共模电流I及天线长度l成正比，应分别予以限制，而限制共模电流I是减小共模辐射的基本方法。为此，需要做到以下几点：1)尽量减小激励此天线的源电压，既地电位；2)提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈；3)将共模电流旁路到地。采用接地平面就能有效地减小接地系统中的地电位。怎样减小共模辐射？

E=1.26

ILf/D共模滤波共模扼流圈减小共模电压使用尽量短的电缆共模滤波电缆屏蔽第四部分电磁干扰抑制技术主要的抑制方法屏蔽接地以上是抑制电磁干扰最主要的两种方法滤波隔离ESD抑制印制电路板的EMC设计接地接地的目的：消除各电路电流经过一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；避免受磁场和地电位差的影响，即使其不形成地环路。接地的含义可理解为一个等电位点或等电位面，它是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。接地主要有两个原因：安全；对信号电压有一个基准电位保护接地保护接地是指接大地，也就是将电气设备的外壳以低阻抗导体连接大地，当人员意外触及时不易遭受电击。机壳上的电压决定于Z1、Z2组成的分压器。如果机壳接地，Z2为0，机壳上的电位就为0了。信号接地信号接地除提供参考点之外，同时还可以大量消除噪声的干扰。由于噪声本身的不同特性，考虑接地时有不同的处理方法：单点接地（信号频率<1MHz）多点接地（信号频率>10MHz）信号频率在1M和10M之间时，如用一点接地其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。复合式接地单点接地系统或设备上仅有一点接地，在频率低于1MHz时，较适于单点接地。其接地方法可分为：串联单点接地：对噪声抑制不利，但易于布线。并联单点接地：需要较多的接地线，布线不易。串联单点接地若系统各线路上的电流变化太大，则不适用串联单点接地，因为这会导致过大的地干扰电压。注意使低电平工作的电路距接地点最近，使该点更接近地电位。并联单点接地并联单点接地最大的缺点是耗时费料，由于接地线太多太长，以至增加各地阻抗，尤其在高频范围中更加严重，同时太多的地线也会有场耦合，互相干扰。如果地线长度是波长的1/4奇数倍，地线阻抗变得很大，这时地线变成辐射天线。因此，建议地线长度小于波长的1/20，以降低辐射和接地阻抗。多点接地在高频(>10MHz)情况下，由于接地线的长度以及接地电路的影响，故单点接地无法达到去除干扰的效果，此时就得使用多点接地。此时接地线的长度亦应尽量缩短。下图各接地点可视为机壳或接地板：复合式接地复合式单点接地将线路或设备加以归类，同时使用串联与并联接地法，可同时兼顾降低干扰、节省用料。屏蔽电缆的接地0V电缆长度</20，单点接地电缆长度>/20，多点接地屏蔽屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。屏蔽按其机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽，相应的屏蔽体也有不同特性。电容耦合的全屏蔽屏蔽层不接地：VN=VS=V1[C1S/(C1S+CSG)]，与无屏蔽相同屏蔽层接地时：VN=VS=0，具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S电容耦合的部分屏蔽R很大时：VN=V1[C12/(C12+C2G+C2S)]C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR很小时：VN=jRC12

电场的屏蔽为了得到较好的电场屏蔽，要求：（1）尽量缩短被屏蔽导体伸出屏蔽体的长度，这样可使被屏蔽导体与干扰源导体间的耦合电容最小。（2）给屏蔽体良好的接地。若屏蔽体的长度小于1/20波长时，最好的方式是单点接地；若屏蔽体较长应采用较复杂的接地方式。注意：不接地或单端接地的屏蔽体对磁场的屏蔽不起任何作用，因为屏蔽体中没有电流的流动。屏蔽体与导线间的磁耦合屏蔽体与导线间的磁耦合均匀管状屏蔽体载有均匀轴向电流，中心导体中没有电流，则屏蔽体内没有磁场。屏蔽体中的电流所产生的所有磁通同时包围屏蔽体和内导体，所以屏蔽体与中心导体的互感等于屏蔽体的自感；由互易性，知中心导体与屏蔽体之间的互感等于屏蔽体的自感。注意：以上结论成立的前提是屏蔽体电流在屏蔽体的腔内不产生磁场。这要求屏蔽体必需是圆柱形的，屏蔽体电流均匀分布。屏蔽体的磁场屏蔽作用设屏蔽体电流Is是由干扰回路在屏蔽体内感应电压Vs产生而来，Ls、Rs为屏蔽体的电感与电阻。屏蔽体的磁场屏蔽作用在中心导体上感应的噪声电压为：因为有M＝Ls，上式可改写为：于是，可得到VN曲线。曲线的折点频率代表屏蔽体的截止频率，为：磁屏蔽噪声电压曲线屏蔽体的磁场屏蔽作用中心导体上感应的噪声电压在直流时为零，并在频率为5Rs/Ls(rad/S)时接近VS。如果让电流在屏蔽体内流动，则在中心导体上将感应一个电压，此电压在频率大于5倍屏蔽体截止频率时近似等于屏蔽体电压。电磁场屏蔽的机理电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式。H1/E1H0/E0电磁场屏蔽的机理屏蔽效能的计算屏蔽效能S＝A＋R＋B（dB）上式中A为吸收损耗，R为反射损耗，B为正或负的修正项；当A大于15dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波所引起的。上式中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数σ和导磁率μ，频率f（Hz）以及所存在的各种物理参数的函数。屏蔽材料底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射而不是吸收。对磁场的屏蔽需用铁磁材料，如高导磁率合金和铁，主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。在强电磁场环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。对于塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。插箱的屏蔽处理面板：金属U形面板面板之间加金属簧片面板插针：定位＋ESD泄放导轨上簧片：配合插针泄放ESD金属之间的搭接：簧片/导电衬垫搭接处导电氧化或电镀滤波元器件电容电感磁珠共模电感ESD抑制降低静电场的幅度和持续时间：接地、搭接切断静电场的传播途径：屏蔽、隔离提高电路对静电场的抗扰性能力：布线、滤波、软件等元器件（除指示灯、开关外）与面板保留一定的距离，不紧靠面板侧的边指示灯、开关的孔径适中，空隙小

尽可能使用高ESD防护等级的器件

注意保护地不要成环过压、过流的抑制过电压防护器件：放电管、压敏电阻、TVS过电流防护器件：PTC＋TVSPCB的EMC设计合理布局电地分割、模数分割叠层设计20H原则与3W原则电容的选取与放置布线原则时钟、关键线路、差分对的布线PCB布局原则模拟、数字电路分区高速、时钟信号是主要的干扰和辐射源，尽量布在内层高速、中速和低速数字电路分区

PCB叠层原则电源平面尽量靠近地平面，并且电源平面在内。布线层、尤其是高速信号至少与一个电地层相邻。20H原则20H原则：所有具有一定电压的印制板都会向空间辐射电磁能量，为减小这个效应，印制板的物理尺寸都应该比最靠近的接地板的物理尺寸小20H，其中H是两个印制板面的间距。按照一般典型印制板尺寸，20H一般为3mm左右。当电源层缩进20H时，电源平面对外的辐射强度下降70％。线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层地线层20H3W原则3W原则：当两条印制线间距比较小时，两线间会发生串扰。为避免发生串扰，应保证两线间的走线中心间距不小于3倍的走线宽度，即两个走线间边到边的距离必须大于单一走线宽度的二倍。3W原则的基本出发点是使走线间的耦合最小。注意：3W原则代表的是干扰电流中约70％的通量边界，要想得到约98％的通量边界，应使用10W原则。印制线条的宽度取决于线条阻抗的要求：太宽会减少布线的密度,增加成本太窄会影响传输到终端的信号的波形和强度电源线滤波器的基本电路共模扼流圈差模电容共模电容共模滤波电容受到漏电流的限制电源滤波器的特性损耗频率理想滤波器特性实际滤波器特性30MHz越来越受到关注第五部分电磁兼容试验电磁兼容试验抗扰度测试 测试在存在电磁干扰的情况下，设备、系列或分系统对外界干扰的抵抗能力。电磁发射测试 测试设备、系统或分系统发射的电磁能量对外界的干扰程度。详细内容请参考公司《电磁兼容测试指南》抗扰度测试参照IEC1000-4系列标准静电放电（ESD）抗扰辐射（RE）抗扰传导（CE）抗扰电快速瞬变脉冲群（EFT）抗扰雷击浪涌抗扰电压跌落、短时中断抗扰电磁发射测试参照CISPR22及EN55022系列标准，考察设备对外界的干扰度辐射发射传导发射EMC试验结果判定通过：在试验中，设备工作完全正常。

在试验中，设备受干扰影响产生了暂时性的功能降低，但撤消干扰后，设备的功能可以自动恢复正常。

在试验中，设备受干扰影响产生了暂时性的功能降低，但干扰撤消后，设备的功能需要人工复位后方能恢复。

不通过：在试验中，受干扰的设备产生了不可逆转的损伤，包括元器件的损伤、软件或数据丢失等。

静电放电（ESD）抗扰目的：模拟操作人员或物体在接触设备时放电及人或物体对邻近物体的放电，以考察被试设备抵抗静电放电干扰能力。前者是通过导体直接耦合，属于直接放电影响。后者是通过空间辐射耦合，属于间接放电影响。参照IEC1000－4－2标准试验对象：用户在使用、维护中可能触摸到的地方。

静电试验等级公司推荐一般选用等级3接触放电空气放电等级试验电压kV等级试验电压kV12122424363848415X特殊X特殊由储能电容（Cs）、放电电阻(Rd)和充电电阻(Rc)构成，模拟人体放电。ESD试验设备辐射抗扰目的：用以评定电子通讯设备或系统受到电磁辐射时的性能。

参照IEC1000－4－3考察对象:整机考察频段:80–1000MHz,1KHz80%幅度调制

试验设备：电波暗室(或电波小室)、射频信号发生器、功率放大器等。辐射抗扰性试验设置LoadEUTgeneratorAbsorberSeptum辐射抗扰性试验等级传导抗扰目的：评估通讯和电子设备的供电电源端口、信号和控制端口在受到射频电磁场传导骚扰信号干扰时的性能。试验等级：设备工作电磁环境较好，周围无大的辐射场，选取等级2，即试验电压3V。工作的电磁环境恶劣（如使用移动电话，附近有广播发射机等），选取等级3，即试验电压10V。扫频测量的频率范围为0.15～80MHz。

试验设备：信号发生器、功率放大器、耦合去耦器、电流夹、电磁夹等。

电快速瞬变脉冲群抗扰目的：验证通讯和电子设备对来自操作暂态过程(如开断感性负荷、继电器触头弹跳等)中的各种类型瞬变扰动的抗扰性。参照IEC1000－4－4考察对象:电源端口,保护地,信号端口和控制端口试验设备：瞬变脉冲群发生器，耦合去耦网络，容性耦合钳等。电快速瞬变脉冲群试验等级雷击浪涌抗扰目的：一般用来模拟被测设备在不同环境下遇到的间接雷击，或开关切换过程中所造成的电压和电流浪涌。参照IEC1000－4－5考察对象:电源口,信号口和控制口试验等级：直流电源：线－线0.5kV，线－地1kV。交流电源：线－线1kV，线－地2kV。电压跌落、短时中断抗扰目的：模拟由于供电电网、变电设备发生故障或负荷突然发生大的变动或负荷连续变化引起的电网电压瞬时跌落和短时中断,测试被测设备的抗扰性。参照IEC1000-4-11