當(dāng)代電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)難題及其解決方案

【摘要】本文基于對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試深入理解基礎(chǔ)上，結(jié)合大量電子設(shè)備的電磁兼容（EMC）工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)EMC設(shè)計(jì)、測(cè)試中比較棘手的難題，如抗靜電、輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾等，總結(jié)歸納出了一系列行之有效的解決方案，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中效果顯著。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容；EMC設(shè)計(jì)；靜電放電；輻射騷擾；傳導(dǎo)騷擾；整改措施

1.EMC概述

電磁兼容性，英文名稱(chēng)為“Electrom-agnetic Compatibility”，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC。在我國(guó)國(guó)家軍標(biāo)中給出了明確的定義。“設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)；它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)），因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)”[1]。由此可見(jiàn)，電磁兼容性指的是設(shè)備正常工作而又不相互干擾的存在于各類(lèi)電磁環(huán)境的自身質(zhì)量特性和耐受環(huán)境影響的特殊能力。由于其直接影響電子系統(tǒng)精度、可靠性、兼容性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等多方面，因而在當(dāng)代的電子、電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)中地位日益突出。EMC的概念最早來(lái)源于軍工行業(yè)，目前已涉及現(xiàn)代電子工業(yè)所有行業(yè)。就電子設(shè)備而言，在歐洲的CE認(rèn)證和美國(guó)的FDA認(rèn)證中都有關(guān)于EMC的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。本文從基本概念入手，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)EMC設(shè)計(jì)、測(cè)試中比較棘手的難題，提出了一些在實(shí)踐中切實(shí)有效的方法，希望能為電子設(shè)備設(shè)計(jì)同行們提供參考和借鑒，為國(guó)產(chǎn)電子設(shè)備EMC性能提高起到拋磚引玉的作用。

2.EMC設(shè)計(jì)難題及其解決方案

我國(guó)國(guó)內(nèi)設(shè)備廠(chǎng)商目前大多不具備良好的EMC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和EMC設(shè)計(jì)管理控制能力，因此在實(shí)際工程中，會(huì)遇到不少EMC難題，其中比較突出的有抗靜電、輻射干擾、傳導(dǎo)干擾等。本文主要就這三種日常比較棘手的難題及其解決方案總結(jié)如下。

2.1 靜電放電（ESD）難題及其解決方案

靜電在電子設(shè)備生命周期全過(guò)程中，無(wú)孔不入，防不勝防。電子設(shè)備因靜電出現(xiàn)死機(jī)、顯示不正常、甚至器件損壞是危害設(shè)備可靠性的大敵。尤其是便攜式電子設(shè)備靜電問(wèn)題更加突出。靜電對(duì)電子產(chǎn)品的危害機(jī)理復(fù)雜，防范困難。對(duì)于良好接地的可觸及導(dǎo)電部分的±4kV接觸放電，設(shè)備絕緣外殼一般是能夠抵御的，但是對(duì)于±8kV空氣放電和裸露的、接地不好的金屬部分或電鍍件、表面絕緣的金屬等，往往會(huì)存在很多問(wèn)題。

解決ESD的方案可以歸為4大類(lèi)：

（1）表面絕緣法，此方法的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)加大電氣間隙、爬點(diǎn)距離等方法，使得外部的靜電場(chǎng)不能對(duì)敏感的電子設(shè)備直接接觸放電或間接空氣放電，例如塑料外殼產(chǎn)品無(wú)縫隙設(shè)計(jì)或即使有縫隙但是縫隙到內(nèi)部電路有大于8mm的電氣間距或能抵御±8kV的薄型加強(qiáng)絕緣材料。這種方法尤其適合解決接觸放電問(wèn)題，但無(wú)法很好解決由于靜電場(chǎng)耦合造成的靜電場(chǎng)容性干擾問(wèn)題。

（2）靜電屏蔽法，通過(guò)法拉第籠的屏蔽法讓靜電無(wú)法進(jìn)入到金屬殼設(shè)備內(nèi)部。但由于設(shè)備需要散熱且有對(duì)外接口，因此，就演變成設(shè)備的孔、縫設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)靜電放電的典型上升時(shí)間為0.7～1ns，而輻射電磁波的主要能量集中在9次以下諧波，因此，一般抑制靜電耦合的最高頻點(diǎn)為14GHz，而根據(jù)常用的電磁場(chǎng)和天線(xiàn)理論，對(duì)于小于0.05λ的孔縫，能穿過(guò)的能量只有不到4%，因此，一般金屬散熱孔開(kāi)孔尺寸最好小于1.2mm；其實(shí)最關(guān)鍵的還是外部電纜的接口設(shè)計(jì)（見(jiàn)后2條）和縫隙設(shè)計(jì)（加導(dǎo)電襯墊）。

（3）濾波接地吸收法，分為內(nèi)部電路板與金屬外殼隔離、單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地等情況。其目的主要是讓靜電不至于通過(guò)接口電纜進(jìn)入內(nèi)部電路板上。隔離法是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以確保靜電很難沿著電纜進(jìn)入內(nèi)部時(shí)，通過(guò)電纜金屬接插件，讓靜電只在外殼流動(dòng)的設(shè)計(jì)，又叫能量釋放法，一般通過(guò)合理的PCB布線(xiàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得高能量的靜電電荷以電弧放電形式釋放掉。但需防止表面大的瞬態(tài)電流磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部的影響；單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地就是通過(guò)在接口增加ESD吸收或?yàn)a放器件（如齊納二極管、壓敏電阻等），例如在端口的電源或信號(hào)端增加差模或共模方式的ESD吸收器件，使得靜電流直接流到機(jī)殼，而保護(hù)內(nèi)部電路。一般接地面積需要達(dá)到一定的尺寸。

（4）絕緣、放電和導(dǎo)地相結(jié)合（一般系統(tǒng)最常用）。首先是設(shè)備的輸入輸出口，其次是設(shè)備的鍵盤(pán)、面板等有縫隙的部位。這些部位本身并沒(méi)有什么特別的地方，但是這些部位的縫隙附近如果存在未良好接地的導(dǎo)電體PCB板或元器件，±8kV空氣放電將空氣擊穿，就可能直接造成電路的異常工作，或由于火花放電（電弧放電）發(fā)出嚴(yán)重的射頻干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。這些問(wèn)題一般可通過(guò)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)避免。

2.2 傳導(dǎo)干擾難題及其解決方案

傳導(dǎo)干擾是指干擾源以傳導(dǎo)耦合的方式到達(dá)敏感設(shè)備。干擾源和敏感設(shè)備之間通常有三種耦合通路。分別是公共電源、公共地回路、信號(hào)線(xiàn)之間的近場(chǎng)感應(yīng)[2]。當(dāng)代電子設(shè)備中，較為顯著的傳導(dǎo)干擾來(lái)源于電源，目前開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛，但是其“開(kāi)關(guān)頻率”引起的輻射和傳導(dǎo)干擾卻無(wú)法忽視。當(dāng)然，如果電源設(shè)計(jì)考究，這些問(wèn)題也是可以很好地解決的，比如調(diào)整開(kāi)關(guān)波形產(chǎn)生電路、考量變壓器的設(shè)計(jì)、改進(jìn)共模和差模濾波器等等。除了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮之外，解決電源端口傳導(dǎo)騷擾和抗擾的最好方法是加專(zhuān)業(yè)的電源濾波器；同樣的，解決信號(hào)和控制端口的傳導(dǎo)干擾的最好方法也是加專(zhuān)業(yè)的信號(hào)濾波器。濾波器不僅能抑制電磁騷擾，更能保護(hù)外部的電磁干擾影響內(nèi)部電路。但僅靠濾波器又是錯(cuò)誤的，因?yàn)樵俸玫臑V波器也有其最大濾波能力，只有從騷擾源、傳播路徑共同配合設(shè)計(jì)，才是最佳設(shè)計(jì)。

2.3 輻射干擾難題及其解決方案

2.3.1 輻射干擾

輻射騷擾和輻射敏感度是EMC問(wèn)題的又一個(gè)很難解決的難題。不僅僅因?yàn)檩椛湎嚓P(guān)試驗(yàn)頻段寬，而且因?yàn)樵斐奢椛涓蓴_問(wèn)題的多途徑，例如噪聲源太強(qiáng)，路徑中的縫隙、導(dǎo)線(xiàn)、屏蔽效能大小和泄露程度等，敏感源敏感性高、抗擾度差，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)很難完好貫徹如一的執(zhí)行等，這些因素決定了很難徹底通過(guò)屏蔽、濾波、接地、管理等方式完全解決這個(gè)難題。因此，解決好輻射干擾問(wèn)題，是衡量產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

2.3.2 輻射干擾的解決方案

通?？紤]對(duì)干擾的抑制都是從干擾的三要素——干擾源、干擾途徑、敏感設(shè)備——去著手的，輻射干擾也不例外。首先是考慮降低干擾源的輻射強(qiáng)度，然后是切斷干擾耦合的途徑。

（1）板級(jí)輻射干擾抑制。輻射干擾的控制是從電路板的布線(xiàn)開(kāi)始的。為控制電路板的輻射，必須減小信號(hào)路徑形成的環(huán)形區(qū)域，這是一項(xiàng)極其艱巨的工作。在系統(tǒng)中，時(shí)鐘電流往往是最嚴(yán)重的輻射源。時(shí)鐘電流的全部能量都集中在由基頻為主的窄帶內(nèi)[3]。在布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡量減小載有系統(tǒng)時(shí)鐘電流的環(huán)的面積，所有時(shí)鐘都應(yīng)盡可能短地與地回路相連，如使用多層板布線(xiàn)時(shí)接地層就可起到這一作用。對(duì)于那些引到板外的時(shí)鐘信號(hào)，應(yīng)在板內(nèi)作LC濾波（參數(shù)的選擇上應(yīng)注意不要造成信號(hào)嚴(yán)重失真或幅度過(guò)低），以使時(shí)鐘信號(hào)盡可能少地載有高次諧波分量。此外，使用外殼接地的晶振也可減少時(shí)鐘帶來(lái)的輻射干擾。

（2）板間連接的輻射干擾抑制。除了電路板的輻射以外，板間互連電纜也可帶來(lái)嚴(yán)重的干擾。板間互連電纜有這么幾種：同軸、三芯、雙絞和帶狀電纜，它們減小輻射的能力依次減弱。通常處理時(shí)鐘信號(hào)的最佳途徑是使用同軸電纜，因?yàn)樵谒蓄?lèi)型的電纜中，同軸電纜芯線(xiàn)與屏蔽層之間具有最大的互感。但是因?yàn)閹铍娎|（扁平電纜）的連接效率較高，在許多的電子設(shè)備中都廣泛地使用帶狀電纜。這時(shí)電纜中地線(xiàn)的配置就相當(dāng)重要了，導(dǎo)線(xiàn)間最好的布線(xiàn)方式是：地-信號(hào)-地-信號(hào)-地，相間配置，這樣可以使每一信號(hào)的環(huán)面積都盡可能小，從而減弱輻射強(qiáng)度。帶狀電纜也可屏蔽，如覆蓋有很薄的鋁箔的屏蔽電纜，但是這種屏蔽電纜往往難以很好地端接（即具有360度環(huán)形連接），因此效果明顯降低。為減少板間連接電纜帶來(lái)的輻射干擾，還應(yīng)盡可能使電纜的長(zhǎng)度最短，這樣電纜的輻射效率會(huì)顯著下降，大量采用硬連接（直接插座或SMT焊接），可使板間連接造成的輻射減小。

（3）系統(tǒng)級(jí)的輻射干擾抑制。屏蔽是最重要的手段。不少醫(yī)療電子設(shè)備采用金屬外殼，這可以起到一定的屏蔽作用，降低設(shè)備對(duì)外界的輻射。系統(tǒng)級(jí)的輻射干擾抑制，不僅要從管理上管控各個(gè)單元的電纜輻射干擾電平（含設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)、工程安裝實(shí)現(xiàn)等），而且要對(duì)各單元的地環(huán)路影響、信號(hào)的阻抗適配度、屏蔽和濾波的搭接工藝進(jìn)行統(tǒng)一管理才行。所謂產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平是通過(guò)科學(xué)的管理保證的，管理方面不在本文詳述。

電磁屏蔽能效分為兩個(gè)方面，即屏蔽體對(duì)電磁波的反射損耗和吸收損耗[4]。同時(shí)電磁屏蔽效能又主要取決于兩點(diǎn)：屏蔽材料和屏蔽體的完整性。從EMC測(cè)試的角度看，只要條件允許，一般優(yōu)先考慮鐵（鋼）作為屏蔽材料，此外為提高其反射損耗，還可在表面鍍鋅或錫等材料。對(duì)于一些便攜式設(shè)備，由于有重量輕的要求，一般都使用塑料外殼，這種情況下通?？刹捎迷谒芰贤鈿?nèi)壁噴涂屏蔽涂料的方法來(lái)達(dá)到屏蔽的目的，一般要求噴涂后的表面電阻小于0.5 Ohm，這與不噴涂屏蔽材料的狀況相比，有明顯的改善。

另外，屏蔽體上各種電氣不連續(xù)處的屏蔽效能是決定總屏蔽效能的決定因素，因此在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意那些電磁能量泄漏最大的因素，如設(shè)備的通風(fēng)孔、線(xiàn)纜出入口、設(shè)備的外接電纜、機(jī)殼的接縫等。在屏蔽設(shè)計(jì)中，應(yīng)使直接縫隙和間接搭接縫隙的尺寸遠(yuǎn)小于所要抑制的電磁波的波長(zhǎng)λ，一般軍用設(shè)備要求縫隙不大于0.01λ，民用設(shè)備不大于0.05λ，通用經(jīng)驗(yàn)是必須小于0.25λ?？p隙的設(shè)計(jì)必須和電纜的濾波和搭接設(shè)計(jì)相結(jié)合考慮，以防顧此失彼。

還有值得一提的是，設(shè)備的傳導(dǎo)干擾與輻射干擾存在一定的關(guān)聯(lián)，這突出表現(xiàn)在AC/DC開(kāi)關(guān)電源上。當(dāng)開(kāi)關(guān)波形上出現(xiàn)較大的振鈴，除引起較大的傳導(dǎo)干擾外，還會(huì)帶來(lái)較大的輻射干擾。但與數(shù)字電路的時(shí)鐘引起的輻射干擾不同，它在高頻頻譜上沒(méi)有突出的單支峰，而是呈現(xiàn)出山坡?tīng)畹那€(xiàn)。當(dāng)采取適當(dāng)?shù)臑V波電路措施消弱振鈴后，其帶來(lái)的輻射干擾亦被消除。

3.結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備EMC工作的認(rèn)識(shí)，這項(xiàng)工作的重要性得到了越來(lái)越多的企業(yè)的共識(shí)。因此加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和學(xué)者之間的經(jīng)驗(yàn)交流和技術(shù)研討，勢(shì)必會(huì)推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代電子設(shè)備EMC工作的發(fā)展。本文在這里粗淺的談了一些對(duì)EMC設(shè)計(jì)中對(duì)一些難題的認(rèn)識(shí)，僅供大家參考，并誠(chéng)懇請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的EMC專(zhuān)家批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

[1]GJB72-85，電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語(yǔ)[S].

[2]威廉斯，李迪.電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：51-52.

[3]白云同.電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007：36-38.

[4]岳彥明，李建樓，郭衛(wèi)星. 某型中頻電源機(jī)箱的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2009，29（5）：127-129.

作者簡(jiǎn)介：胡詩(shī)妍（1971—），女，中國(guó)人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院講師，研究方向：風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)警。