EMC定义 +EMC问题定位整改

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EMC 检测（电磁兼容性检测）的全称是 Electro Magnetic Compatibility，其定义是设备和系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC 检测包括两个方面的要求：电磁敏感度（EMS）测试 +电磁干扰（EMI）测试。
EMS，全称为Electro Magnetic Susceptibility，是指在一定环境中机器设备和系统具有对所在环境中存在的电磁干扰有一定程度的抗扰度的能力。

EMS（电磁敏感度）测试项目包括：
1.静电放电抗扰度测试（ESD）：空气放电和接触放电
2.辐射抗扰度测试（RS）
3.传导抗扰度测试（CS）
4. 快速脉冲群抗扰度测试（EFT）
5. 冲击（包括雷击和浪涌）抗扰度测试（Surge）
6.工频磁场抗扰度试验
7.电压跌落短时中断和电压渐降抗扰度（Dips）

EMI，全称为Electro Magnetic Interference，是指任何在传导或电磁场伴随着电压、电流的作用而产生会降低某个装置、设备或系统的性能，或可能对生物或物质产生不良影响之电磁现象，即电磁干扰。
EMI（电磁干扰）测试项目包括：
1.辐射发射测试（RE）
2.传导发射测试（CE）
3.骚扰功率测试
5. 电流谐波测试
6. 电源谐波测量
7. 闪烁测试

根据经验其中常见不合格项目为：静电放电、快速脉冲群、传导抗扰度和辐射发射。
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例子1：打开电视时，室内的日光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为电视打开的瞬间大量电流流向电视机，电压骤然下降导致使用同一电源的日光灯受到影响。
例子2：在手机来电时，话筒会出现失真伴有刺耳的“吱吱”声或者电视/电脑屏幕出现闪烁，这些是因为你手机通讯的电波从空间耦合到话筒、电视/电脑接收天线上使其受到干扰。
像例子1中由一个设备中产生的电压/电流变化通过电源线、信号线传导并影响其他设备时，将这个电压/电流的变化称为传导干扰；
而像例子2中通过空间传播并对其他设备产生无用电压/电流，造成危害的干扰称为辐射干扰。
了解了电磁兼容的概念，我们再一起来看看电磁兼容由何组成~
下面是实际测试的一些测试结果：
电快速瞬变脉冲群测试：

传导发射测试（CE）：

CE-L火线

CE-N零线

辐射发射测试（RE）：

RE-H峰值

RE-V平均值
常见问题：
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常见问题：
1.接地不良导致接地阻抗过高
有人作过统计，接地阻抗过高被列为医疗设备各大EMC问题之首。接地设计中往往忽视了接地线的高频特性，低频时不认为很长的导线，在高频时会呈现较高的高频阻抗，引起共模电流。所以设计时要避免过细、太长的接地线路。用导线和编织线接地不是一种好的选择，因为高频时它们大都呈现高阻抗性。较好的做法是用长宽比至少为5：1的接地片。

2.电源滤波器安装问题
滤波器在机箱中安置的位置一般尽量靠近边缘一角，出入线和输出线要分开布置，不要离得太近，导致输入与输出线路串扰。尤其要注意确保良好接地，较小的接地电阻能提高共模滤波效果。

3.电源滤波器的滤波电容设计问题
有时为了消除电源线路上的共模骚扰，设计人员有意加大滤波器共模干扰抑制电容（电源线对地电容），但是电容过大会导致漏电流超标。改善的办法是加大串联电感阻抗。选择购买滤波器时，应该选择医用设备专用滤波器。

4.设备内部线路布置不当
内部线路布局显得更加重要，比如强电与弱电、数字电路与敏感的模拟电路和生理弱小信号传输线之间、PCB多层板之间、甚至高频振荡元器件之间都要分开，合理布置。稍不注意就会引起线路之间相互耦合以及元器件之间的相互串扰。一旦引起电路内部串扰，整改起来非常困难。

5.医用电气设备EMC措施与电气安全之间的抉择
产品的电磁兼容设计中增加的许多措施，必须考虑电气安全标准的符合性。
如：增加滤波电路、抗扰度防护器件需考虑对于剩余电压、漏电流、电介质强度等项目的影响。
增加接地、屏蔽等措施需考虑对于接地阻抗、产品安全分类的影响等。

6.抑制电磁骚扰的方法
抑制电磁骚扰首先是找出骚扰源及其传播途径，并有针对性地采取措施，达到抑制电磁骚扰发射的目的。有时，简单地改变一下骚扰源和敏感设备的方位距离就能避免干扰。然而，从产品设计角度出发，还是要未雨绸缪，做一个系统的EMC设计。EMC设计中，抑制电磁骚扰的基本方法是接地、滤波和屏蔽，被称为抑制电磁骚扰的“三大法宝”。事实上，这“三大法宝”经常不是孤立应用的。

7.提高产品抗扰度的主要措施和方法
◆瞬变干扰吸收器件：这类器件最基本的使用方法是直接与被保护的设备并联，以便对超过预定电压值的情况进行限幅或能量转移。属于这一范畴器件有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和固体放电管等。
◆隔离变压器：隔离变压器分为是一种应用得比较多的电源线抗干扰器材。人们利用其在电路中的电气隔离作用，有效地避免了地环路电流带来的骚扰。为了获得较大的共模衰减，在变压器初级和次级线圈之间加上屏蔽，并且良好接地，通常能做到60到80dB的共模衰减量。目前国内外都已经把超级隔离变压器作为标准化产品，所谓超级，实际上就是分别把初级线圈和次级线圈屏蔽了，中间屏蔽层接地。这种超级变压器，既有一般的隔离变压器作用，又有抗共模、差模骚扰能力。
◆不间断电源：不间断电源可以解决由于电源突然失电而造成设备的故障问题。在电压中断、跌落试验时，及时切换提供电源，避免设备出现故障。

8.PCB设计原则
◆布局规则：电路布局的一个原则，就是应按照信号流向的关系，尽可能做到使关键的高速信号走线最短，其次考虑电路板的整齐、美观。时钟信号尽可能短，若时钟走线无法缩短，则应在时钟线的两侧加屏蔽地线。对于比较敏感的信号线，也应该考虑屏蔽措施。
◆布局规则：时钟电路具有很大的对外辐射，会对一些敏感电路产生干扰，因此布局时应让时钟电路远离其它无关电路，远离I/O电路和电缆连接器。
◆低速数字I/O电路和模拟I/O电路应靠近连接器布放。
◆下面是基本要点：
1）区域分割，不同功能种类的电路，应该位于不同区域，如对时钟电路、数字电路、模拟电路、借口电路、电源等进行分区。
2）应该采用基于信号流的布局，使关键信号和高频信号的连线最短，而不是首先考虑电路板的整齐、美观。
3）功率放大器与控制驱动部分远离屏蔽体的局部开孔。
4）晶振，芯片的去耦电容就近对应的IC放置。
5）基准电压源（模拟电压信号输入线、A/D变换参考电源）要尽量远离数字信号。
◆器件摆放规则：电路板上晶振是很强的辐射源，除了对晶振的电源进行滤波处理，信号走线进行控制外，在晶振外壳下方投影面积范围之内应该铺大面积铜皮，为高频干扰通路提供回流路径。
PCB 单板上接口连接器很多，而且都是金属壳体，这时应该注意，金属壳体接地管脚需要接地处理，不能够悬空！
◆地线回路原则：环路最小规则，即信号线其回路构成的环路面积要尽可能小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。
串扰规则：串扰是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的互相干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施有：
加大平行线的间距。
在平行线间插入接地的隔离线。
减少布线层与地平面的距离。
◆3W规则：为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心距不少于3倍线宽时，则可保持70%的电场不互相干扰，称为3W规则。如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10W规则。
20H规则：是指电源层内缩，当然也是为抑制边缘辐射效应。电源层与地层之间的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H（电源和地之间的介质厚度）为单位，若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地边沿内；内缩100H则可以将98%的电场限制在内。
◆走线规则：高频时钟线走线要遵循如下原则：地线护送、与数据线基本等长、在发送侧串联阻尼电阻、不走直角、手工布线。（注意：阻抗匹配十分重要，所以要根据实际情况调整阻尼电阻的值，而不是完全依据Datasheet使用固定值）。
◆高速信号的特性阻抗连续规则：高速信号，在层与层之间切换的时候必须保证特性阻抗的连续，否则会增加EMI的辐射，即：同层的布线的宽度必须连续，不同层的走线阻抗必须连续。高速时钟线和信号线要尽可能短，并尽量避免跳层。
◆走线方向的控制规则: 相邻两层间的走线必须遵循垂直走线的原则，否则会造成线间的串扰，增加EMI辐射,当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。
◆走线跨分割问题：高速数字信号在走线过程中需要有一个完整的地或电源平面保证其回流。但实际过程中电源平面或地平面需要分割，这时就一定要注意走线不能跨分割，这样会导致回流面积增大，对外辐射增强；下图就是在布线过程中没有注意高速走线跨分割问题，需要改善走线。
◆要确保PCB与机壳的接地点以最小阻抗的方式搭接：如果是用螺母接地，要保证螺丝孔导电良好，不要喷漆。
注意机壳的开孔不要过长，要小于λm/20。否则开孔会变成最有效的天线对外辐射。
◆还需要注意为了机壳能够密闭良好，要确保弹点导电良好，有足够的硬度与弹性和机壳保持良好接触（这是机械设计工程师常常忽略的地方，没有注意接口缝隙的泄露）。
电脑机箱后面挡板需要使用弹片（最好使用双层挡板不易变形），要确保弹点接触良好；或者使用导电泡棉可以有效解决RE问题和ESD问题。
◆某一CT产品中的控制电路，在RE测试时候750M频率点超过限值3dB。
整改方法：经过近场测量分析，辐射来源于接口缝隙。经过计算，750M频率的λm/20=2cm，所以开口应该小于2cm。内部用金属弹片将开口分割为小于2cm的缝隙，问题得以解决。
◆高速信号线要使用屏蔽线缆：注意屏蔽线必须要屏蔽完整，一定不能出现”猪尾巴”现象,如有必要可以在线缆的两端进行360度接地。（这是屏蔽线设计中经常遇到的问题，很多工程师会忽略这点）

◆线缆布局：要将高速线与低速分开，交流与直流走线，避免互相干扰，可有效降低线缆对外辐射。
机箱内部走线：要避免跨过PCB上高速电路区域，最好贴着机壳固定走线，以减少线缆和地之间的分布电容。
◆医用电气设备在正常工作时，会同时向周围空间辐射骚扰，导致我们产品EMI测试不能通过。在解决产品辐射发射问题过程中，需要了解辐射发射的原因，这样才能更好有效解决问题。
一般产品的对外辐射干扰分为共模发射与差模发射。
◆差模辐射和共模辐射模型
分析共模发射和差模发射对抑制骚扰电平是非常重要的，通常把线地的发射定义为共模发射，模型如下：

◆差模辐射模型
由单板上环路走线对外的辐射，我们一般称之为差模辐射。如下图所示：

◆EMI干扰源头
一般产品的干扰源头为时钟，开关电源，继电器，马达等，同时由时钟输出到数字芯片，数字芯片输出的数字信号都可能导致产品的辐射发射超标！

◆EMI耦合途径分析
单板上的干扰源，主要是通过传导和辐射的方式，直接或间接导致系统辐射超标。
比如：时钟信号通过空间辐射耦合到电缆，再通过电缆空间辐射到天线接收，最终导致产品辐射发射超标。
了解了具体辐射的耦合途径，我们就可以有针对性进行整改。
◆辐射发射整改前准备:
了解测试配置状况，特别注意接口情况；
了解产品的电路模块；
了解辅助设备情况；
准备好整改所用元器件；
准备好定位问题思路，没有思路的整改会浪费大量人力物力。
整改的前提是定位，没有定位过程的整改就像无头的苍蝇一样到处乱撞，有的时候即使问题搞定了，工程师们也不知道哪些整改措施是必须的，哪些是多余的（带来附加成本）；
定位有两种手段：一种是直觉判断，需要完全依靠工程师积累的EMC经验来判断，另一种是比较测试，依靠测试仪器和EMC经验的结合来对问题进行详细的定位判断。
问题定位三步曲：
1、首先确定是否是电缆（信号/电源）导致超标；

2、定位是否是结构屏蔽不良导致超标；

3、定位是否是单板导致超标。

◆
干扰源头分析
开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。
工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。
◆
干扰源头定性
对于导致超标的干扰在定位之前需要分清是共模干扰还是差模干扰？还是两者兼而有之？
根据开关电源产生共模、差模干扰特点，将整个频率范围划分为3个部分，即
0.15~0.5MHz 差模干扰为主；
0.5~5MHz 差、共模干扰共存；
5~30MHz 共模干扰为主。
◆
静电整改与定位：

◆TVS管原理
TVS管是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的相应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它两端的电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。
TVS管应用
处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。
TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。许多器件在承受多次冲击后，其参数及性能会发生退化，而只要在工作在限定范围内，二极管将不会发生损坏或退化。
◆
压敏电阻简介
压敏电阻是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻工作电压值时，压敏电阻阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。
器件比较
压敏电阻也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压-电流（阻抗表现）关系，截止电压可达最初中止电压的2~3倍，这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护，如电源回路。而TVS管具有更好的电压截止因子，同时还具有较低的电容，这一点对于手持设备的高频端口非常重要，因为过高的电容会影响数据传输，造成失真或是降级。TVS管的各种表面封装均适合流水线装配的要求，而且芯片结构便于集成其他的功能，如EMI和RFI过滤保护等，可有效降低器件成本，优化整体设计。另外压敏电阻在多次冲击后性能会有所下降、寿命不如TVS。

EFT问题定位与整改：
◆电快速瞬变脉冲群的起因
电路中，机械开关对电感性负载的切换，通常会对同一电路的其他电气和电子设备产生干扰。
经研究，这种干扰的特点是，脉冲成群出现，脉冲重复频率较高，脉冲波形的上升时间短暂，但单个脉冲的能量较小，一般不会造成设备故障，但使设备产生误动作的情况经常出现。
容易出问题场合
1）电力设备或监控电网的设备
2）使用在工业自动化环境下的设备
3）医疗监护等检测微弱信号设备
因点快速脉冲群造成设备故障的几率较小，但使设备产生误动作的情况经常可见，除非有合适的对策，否则较难通过。

◆根据国外专家的研究，认为脉冲群干扰之所以会造成设备的误动作，是因为脉冲群对线路中半导体器件结电容充电，当结电容上的能量积累到一定程度，便会引起线路（乃至设备）的误动作。
◆干扰性质
脉冲群抗扰度试验的本质是共模试验。试验发生器来的信号电缆芯线通过可供选择的耦合电容加到相应的电源线（L1、L2、L3、N、及PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。这就表明脉冲群干扰实际上是加载电源线与参考地之间，因此加在电源线上的干扰是共模干扰。
既然是共模干扰，就一定要与参考接地板关联在一起，离开了参考接地板，共模干扰将加不到受试设备上去。
其次，既然脉冲群抗扰度试验是抗共模干扰试验，这就决定了试验人员在处理干扰（提高受试设备的抗扰度性能）时，必须采用针对共模干扰的有效措施。
◆解决思路
脉冲群抗扰度试验的共模性质，决定了整改思路。
改变干扰电流路径
尽可能快速的把共模干扰泄放到大地，降低干扰信号对地阻抗
加大干扰信号对设备电路特别是敏感电路的共模阻抗
减少PCB单板环路，减小EFT干扰空间耦合的可能性。
加大阻抗——通过共模电感，磁环，PCB加大距离
减小阻抗——靠对地加电容
减小环路——PCB设计走线对地环路减小
◆ 常用器件
磁环
电容
共模电感
其他器件：TVS管、叠层压敏电阻等
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