EMC兼容設(shè)計(jì)技術(shù)

會(huì)計(jì)學(xué)1EMC兼容設(shè)計(jì)技術(shù)EMC設(shè)計(jì)任務(wù)（1）

大的電子系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)需要用到力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、自動(dòng)控制、無線電電子學(xué)、能源等多種學(xué)科的專門和綜合知識(shí)，同時(shí)必須集構(gòu)形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)、電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)等綜合考慮。而電子系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)是與上述諸設(shè)計(jì)均相關(guān)的全局性問題。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)向高頻、高速、高靈敏度、高集成度發(fā)展；有時(shí)一臺(tái)設(shè)備中安裝有幾個(gè)單位研制的電路板，目前板級(jí)產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)收在工程上存在一些實(shí)際問題。更重要的是集成度提高的同時(shí)也使得系統(tǒng)內(nèi)部電磁環(huán)境異常惡劣。第1頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)任務(wù)（2）

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)首先是把用戶需求轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的性能和功能要求，確定初步研制計(jì)劃。接著把比較籠統(tǒng)的初步研制要求逐步劃分到若干個(gè)分系統(tǒng)直至成千上萬個(gè)具體研制任務(wù)，通過設(shè)備級(jí)研制、生產(chǎn)、測(cè)試驗(yàn)收以及總體電路設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)等復(fù)雜過程，才能把這些任務(wù)研究所得成果最終完成一個(gè)技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上合算、研制周期短、能協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的電子系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，并要求這個(gè)系統(tǒng)能有機(jī)地隸屬于更大系統(tǒng)的有效組成部分。電子系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)要融進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中。第2頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)程序（1）

EMC設(shè)計(jì)從分析任務(wù)的電磁環(huán)境和功能要求開始，首先在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)頻譜特性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)；重點(diǎn)編制EMC設(shè)計(jì)規(guī)范；包括確定系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求，明確電磁環(huán)境試驗(yàn)要求；對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各分系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)行EMC分析，預(yù)估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境狀況，選定現(xiàn)行有效的EMC標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際工程要求作適當(dāng)裁剪；提出電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)要求及對(duì)接地和搭接、布局和布線、屏蔽、濾波、隔離等設(shè)計(jì)技術(shù)的具體實(shí)施約定等。第3頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)程序（2）EMC設(shè)計(jì)分三級(jí)，電路組件級(jí)、設(shè)備和分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間；前兩級(jí)的工程實(shí)施是第三級(jí)的基礎(chǔ)，第三級(jí)的設(shè)計(jì)要求是前兩級(jí)的設(shè)計(jì)依據(jù)。EMC設(shè)計(jì)工程實(shí)施必須從元器件選擇、材料選用開始，搞好電路組件設(shè)計(jì)，PCB板設(shè)計(jì)和設(shè)備樣機(jī)研制；在設(shè)備驗(yàn)收的基礎(chǔ)上抓好總裝工藝進(jìn)行系統(tǒng)集成。在電子設(shè)備或系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是有源器件的正確選型和印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)。第4頁(yè)/共53頁(yè)62023/1/18設(shè)計(jì)師應(yīng)具備的設(shè)計(jì)理念（1）

EMC設(shè)計(jì)直接影響著系統(tǒng)的安全性、可靠性、系統(tǒng)精度、界面參數(shù)和環(huán)境控制等功能指標(biāo)。系統(tǒng)EMC問題不僅僅和電子設(shè)備的設(shè)計(jì)相關(guān)，而且與其結(jié)構(gòu)外形、總裝工藝、熱控等等也有直接關(guān)系。第5頁(yè)/共53頁(yè)72023/1/18設(shè)計(jì)師應(yīng)具備的設(shè)計(jì)理念（2）EMC設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，只有具備EMC意識(shí)的設(shè)計(jì)師才能提出性能價(jià)格比最佳的設(shè)計(jì)方案。電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須關(guān)注有源器件的開關(guān)速度等特性以及無源器件的非理想特性，因?yàn)殡姶鸥蓴_常常是由無源器件的無意接收和耦合引起的。第6頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(1)任何復(fù)雜的電子系統(tǒng)都是由最基本的電子單元組成。他們包括導(dǎo)線、連鍵盤、電阻器、電容器、電感器、鐵氧體器件和集成電路模塊等。任何電子單元都有最基本的電性能，稱為理想性能。但一旦他們被安裝在高頻電路中，由于他們自身的高頻特性，或由于寄生電容、寄生電感的存在使其呈現(xiàn)一些非理想特性，這些非理想特性與電子系統(tǒng)中的干擾現(xiàn)象相關(guān)。第7頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(2)

單根導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻在低頻時(shí)與材料（電導(dǎo)率）和截面積有關(guān)，而高頻時(shí)由于趨膚效應(yīng)使得可實(shí)際利用的截面積為環(huán)形，單根導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電阻隨頻率升高而變大。單根導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電感（內(nèi)感），由進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)部的磁通量引起，高頻集膚效應(yīng)作用，使其隨頻率升高而變小。第8頁(yè)/共53頁(yè)單位長(zhǎng)度電阻與頻率相關(guān)第9頁(yè)/共53頁(yè)P(yáng)CB連接盤與集膚效應(yīng)關(guān)系第10頁(yè)/共53頁(yè)單位長(zhǎng)度電感與頻率相關(guān)第11頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(3)

一對(duì)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電感（外感）是單位長(zhǎng)度導(dǎo)線間的磁通量與該磁通量產(chǎn)生的電流之比。電流需要構(gòu)成回路。能在兩點(diǎn)間傳輸信號(hào)的平行導(dǎo)體叫傳輸線。傳輸線可以是雙線、無限大平面上的單根導(dǎo)線或同軸線。源端可以是數(shù)字邏輯門、發(fā)射器。終端可以是電阻、電感、電容或非線性負(fù)載。第12頁(yè)/共53頁(yè)雙線傳輸線第13頁(yè)/共53頁(yè)平板上單根線和同軸線第14頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(4)

建立完整性信號(hào)概念，保證一個(gè)數(shù)字脈沖通過傳輸線傳輸時(shí)，能夠以要求的電平和波形到達(dá)接收器。工程上的實(shí)際情況是當(dāng)數(shù)字信號(hào)從一端傳遞到另一端時(shí)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延。傳輸線上的不連續(xù)和終端負(fù)載的不匹配產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象從而導(dǎo)致波形畸變。第15頁(yè)/共53頁(yè)相等傳輸路徑第16頁(yè)/共53頁(yè)不相等傳輸路徑導(dǎo)致時(shí)鐘偏移第17頁(yè)/共53頁(yè)高速數(shù)字信號(hào)由于邏輯錯(cuò)誤產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象第18頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(5)

工程上建立一個(gè)電子系統(tǒng)，在電路設(shè)計(jì)中不可避免地使用不同的分立元件、電阻器、電感器、電容器。影響元件高頻性能最重要因素之一就是元件連接引線的長(zhǎng)度。過長(zhǎng)的連接引線在高頻時(shí)會(huì)使元件性能偏離理想狀態(tài)。下面通過一些圖形了解包含引線的電阻器、電感器、電容器的阻抗特性，第19頁(yè)/共53頁(yè)含引線電阻的非理想特性（1）第20頁(yè)/共53頁(yè)含引線電阻的非理想特性（2）第21頁(yè)/共53頁(yè)不同頻率下電阻器的簡(jiǎn)化電路（1）第22頁(yè)/共53頁(yè)不同頻率下電阻器的簡(jiǎn)化電路（2）第23頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(6)

下面圖告訴我們包含引線的電容器有引線電感和等效串聯(lián)電阻部分。進(jìn)而告訴我們一個(gè)含引線的電容器只能旁路低于電容器自諧振頻率以下的噪聲電流。高于自諧振頻率的電容器呈現(xiàn)感性。第24頁(yè)/共53頁(yè)理想電容的頻率響應(yīng)第25頁(yè)/共53頁(yè)含引線電容的頻率響應(yīng)第26頁(yè)/共53頁(yè)帶1/2英寸引線的0.15微法幅頻特性第27頁(yè)/共53頁(yè)帶1/2英寸引線的0.15微法相頻特性第28頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(7)

下面圖告訴我們包含引線的電感器有引線電感、引線電容和寄生電阻部分。進(jìn)而告訴我們電感器與導(dǎo)線或連鍵盤串聯(lián)可以阻塞噪聲電流。只有當(dāng)噪聲頻率低于電感器自諧振頻率，一個(gè)含引線的電感器才呈現(xiàn)感性，同時(shí)還要電感器提供的阻抗大于負(fù)載阻抗時(shí)才有效。第29頁(yè)/共53頁(yè)理想電感的頻率響應(yīng)第30頁(yè)/共53頁(yè)含引線電感的頻率響應(yīng)第31頁(yè)/共53頁(yè)1.2微亨電感的幅頻特性第32頁(yè)/共53頁(yè)1.2微亨電感的相頻特性第33頁(yè)/共53頁(yè)大于負(fù)載阻抗串聯(lián)電感阻塞噪聲第34頁(yè)/共53頁(yè)元器件引線的磁場(chǎng)效應(yīng)第35頁(yè)/共53頁(yè)元器件引線的電場(chǎng)效應(yīng)第36頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(8)

電路或電磁輻射結(jié)構(gòu)電尺寸小于十分之一波長(zhǎng)時(shí)稱電小尺寸，可以用集總參數(shù)模型處理問題，它遵守基爾霍夫定律。當(dāng)電路的最大尺寸大于1/10波長(zhǎng)時(shí)，必須用麥克斯韋方程組解釋電磁場(chǎng)的分布特性。合理的低頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循“回流原則”，即流過低頻電纜束內(nèi)的供電或信號(hào)的往返電流代數(shù)和等于“零”。第37頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(9)

合理的低頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免“地回路”，包括直流“地回路”和通過較大電容耦合的交流“地回路“。電流總是要返回電流源（閉合）。但并不總是沿著電路圖指定的路徑返回，但一定是沿著最低阻抗路徑返回。圖11-6屏蔽電纜電流低于某個(gè)頻率電流流地線，高于某個(gè)頻率電流流經(jīng)屏蔽層。第38頁(yè)/共53頁(yè)信號(hào)返回路徑說明第39頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(10)

高頻情況下電阻器等效于電阻器與引線電感串聯(lián)后再與跨接在引線間電容相并聯(lián)構(gòu)成的電路。高頻情況下電容器等效于引線電阻與電感串聯(lián)后再串聯(lián)在電容器的兩側(cè)形成的電路。高頻情況下電感器等效于一個(gè)電容跨接在電感上同時(shí)在引線兩端串聯(lián)電阻形成的電路。第40頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(11)

高頻地線的阻抗包括電阻、電感兩部分。在EMC領(lǐng)域，認(rèn)為長(zhǎng)于

4的導(dǎo)線具有電壓、電流駐波效應(yīng)。電路頻率很高時(shí)，很短的走線也會(huì)產(chǎn)生明顯的輻射和感應(yīng)。地線阻抗的存在可能引發(fā)干擾。廣義天線概念是指從電磁場(chǎng)的觀點(diǎn)任何輻射元都可以看作天線效應(yīng)?！疤炀€集合”概念是指復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有時(shí)多付天線一起工作，它們之間有可能沒有直接的電氣上的聯(lián)系。人們常稱這些天線為“天線集合”。第41頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(12)

高頻接收電路內(nèi)部噪聲可能是放大器元器件和電阻噪聲，外部噪聲則多半來源于信號(hào)源、外界無線電波感應(yīng)交流聲、電容漏電流、接地線噪聲、電源紋波、開關(guān)切換引起的沖擊等等。一般來說在f<10MHz以外部噪聲為主，在f>100MHz時(shí)，以內(nèi)部噪聲為主。第42頁(yè)/共53頁(yè)建立EMC意識(shí)(13)

廣義阻抗匹配概念是電路間或設(shè)備間匹配都涉及到有用信號(hào)的傳輸和對(duì)無用信號(hào)或干擾的抑制。任何元器件、電纜、設(shè)備、天線間都存在耦合效應(yīng)。在EMC領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它所涉及的不僅是有用信號(hào)的傳輸，同時(shí)強(qiáng)調(diào)電路間或設(shè)備間對(duì)無用信號(hào)或干擾的抑制?？傮w給設(shè)備下達(dá)任務(wù)時(shí)應(yīng)該特別提醒產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在作設(shè)計(jì)方案時(shí)要盡量選擇獨(dú)立接口關(guān)系。

第43頁(yè)/共53頁(yè)452023/1/18EMC設(shè)計(jì)原則(1)EMC設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)整個(gè)壽命期的整體兼容性，從方案論證階段開始，貫穿到方案階段、工程研制階段、定型階段、總裝調(diào)試、使用運(yùn)行的整個(gè)壽命期。EMC設(shè)計(jì)應(yīng)遵從折衷原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不追求單臺(tái)指標(biāo)最好，單機(jī)設(shè)計(jì)不追求單項(xiàng)指標(biāo)最佳，以系統(tǒng)兼容為主要目的；如接收機(jī)靈敏度不是越高越好，在滿足電性能指標(biāo)前提下，適當(dāng)降低靈敏度可以提高系統(tǒng)抗干擾能力；又如發(fā)射功率不是越大越好，只要滿足電性能要求，適當(dāng)降額使用可以有效地控制無意發(fā)射。第44頁(yè)/共53頁(yè)462023/1/18EMC設(shè)計(jì)原則（2）EMC設(shè)計(jì)一定留有一定裕度，以確保系統(tǒng)的可靠性；但不是裕度越大越好。應(yīng)根據(jù)分系統(tǒng)的重要性提出合理要求，力求達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。依設(shè)備對(duì)系統(tǒng)性能的重要性，設(shè)備失效可能造成危害程度，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類。第45頁(yè)/共53頁(yè)472023/1/18EMC設(shè)計(jì)原則（3）系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)要重視把系統(tǒng)EMC要求分解到分系統(tǒng)和設(shè)備中去，設(shè)備和分系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)與該功能性設(shè)計(jì)同步進(jìn)行?？紤]設(shè)備和分系統(tǒng)EMC要求時(shí)，遵循對(duì)EMC標(biāo)準(zhǔn)剪裁處理，以防止過設(shè)計(jì)和欠設(shè)計(jì)。EMC設(shè)計(jì)考慮的越早，可采取的措施越多，也越易見效，顯然EMC經(jīng)費(fèi)使用也越少。第46頁(yè)/共53頁(yè)482023/1/18EMC設(shè)計(jì)原則（4）

在采取抑制干擾措施時(shí)，應(yīng)把建立良好接地、搭接系統(tǒng)和合理布線放在首位，這是既經(jīng)濟(jì)、又實(shí)惠的選擇；因?yàn)闉V波器昂貴，還會(huì)引入不可靠因素，屏蔽措施常帶來重量增加，這兩項(xiàng)使用時(shí)要慎重從事。重視采用回避和疏導(dǎo)等技術(shù)策略，常常收到事半功倍的效果，如注意采用例如對(duì)輻射方向作方位調(diào)整等回避和疏導(dǎo)等技術(shù)策略，靈活采用空間隔離和時(shí)間隔離等分隔技術(shù)。第47頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)要求

（1）為實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的性能，使其發(fā)揮最佳效能需要運(yùn)用技術(shù)手段，可采用的技術(shù)措施有接地、搭接技術(shù)，布局、布線技術(shù)，屏蔽技術(shù)，濾波技術(shù)等，推薦綜合設(shè)計(jì)法。在電子設(shè)備功能性設(shè)計(jì)時(shí)，必須控制設(shè)備的無意電磁能量發(fā)射，同時(shí)注意想方設(shè)法提高設(shè)備的抗干擾能力，以滿足EMC要求。EMC要求是用具體指標(biāo)來描述的，EMC要求是否達(dá)標(biāo)必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第48頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)要求

（2）EMC要求是由CERECSRS四類指標(biāo)分別量化和控制的。

EMC要求是否達(dá)標(biāo)必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。傳導(dǎo)發(fā)射/傳導(dǎo)敏感度與電源母線共阻抗耦合相關(guān)。電源母線阻抗只涉及兩個(gè)負(fù)載饋電線路的共用部分—電源線共阻抗。在考慮滿足傳導(dǎo)發(fā)射限制要求的時(shí)候，還要考慮其它因素，如電纜輻射的電磁場(chǎng)的影響等。

第49頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)要求

（3）輻射發(fā)射主要是由設(shè)備連接電纜和設(shè)備殼體上的電流流動(dòng)產(chǎn)生的。這些電流不是設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理或在接口電纜上傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)。它們可能是從設(shè)備某處耦合寄生到設(shè)備外部，并沿共模路徑流動(dòng)。這些電流會(huì)以如下方式耦合到受擾設(shè)備：（1）變壓器導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的耦合；（2）干擾設(shè)備的共模(CM)電壓經(jīng)電容耦合到受擾設(shè)備；（3）直接輻射到與干擾頻段相關(guān)的接收機(jī)天線中。第50頁(yè)/共53頁(yè)EMC設(shè)計(jì)要求

（4）電感和電容耦合稱為串?dāng)_。電容串?dāng)_已能得到有效控制。電感串?dāng)_也可以通過正確的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)得到控制。串?dāng)_在設(shè)備機(jī)