【可靠性】安规和EMC-第612期
第612期
前言
经常听到某些产品需要各种各样的认证，或者在产品标签上看到各种认证的标签贴纸。例如，中国强制性的3C认证，另有美国的UL、欧洲CE等。这些认证既需要对产品的功能、性能参数进行测试，也需要对安规和EMC进行测试。本文将讲解安规和EMC的测试内容，使工程师在设计时，能够有目的地设计。一个产品的安规和EMC问题，不仅仅是PCB工程师的职责，也是结构工程师的职责(辐射发射、辐射抗扰度、静电）。安规和EMC是一项系统工程，不能仅靠在测试中整改，而应贯穿需求分析、原理图设计、PCB设计、结构设计之中。
何为安规、EMC
安规主要是对产品安全性方面的测试和要求，例如阻燃性、绝缘性、漏电、防尘防水等。
EMC（Electromagnetic Compatibility）电磁兼容性，指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）电磁干扰+EMS（Electromagnetic Susceptibility）电磁抗干扰。如果是非高频和射频设备，EMC主要是电源方面的EMI（辐射 和传导）问题。
设计前的准备
《产品需求说明书》：明确产品的功能、性能参数、安规标准和EMC标准。
安规标准文件
EMC标准文件
1、EMC的基本测试项目
上面是EMC的所有项目：
辐射RE(Radiated Emission）:测试场地要求比较高，一般使用EMC暗室代替开阔场地测量。EMC暗室只有地面为反射面，其他面都安装吸波材料，测试时，人员等不在暗室内，防止有干扰。辐射测量的信号在30MHz-1GHz。注意频率，在150KHz～30MHz的干扰信号主要通过传导泄漏，辐射量比较小（原因是信号波长有关）。
传导CE（Conducted Emission）：传导测量信号频率在150KHz-30MHz。试验前，接好所有线缆（电源、通信、IO等），待设备工作正常稳定后，测试线缆上的传导骚扰。
谐波（Harmonics）：设备工作时，向电网中传输的电源高次谐波的强度。难点
电源闪烁（Flickers）：
静电放电ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放电和间接放电。直接放电时对产品直接打静电，模拟的是人体和其他带电设备对产品进行放电时的情况。直接放电分为：接触放电、空气放电。产品外壳是金属部分的，需要放电枪直接接触金属部位，塑料外壳需要空气放电。间接放电比较有意思，把设备放在水平耦合板和垂直耦合板间，放电枪在耦合板上接触放电，这样在耦合板上就会形成电场，对设备进行干扰。
辐射抗干扰RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天线对设备进行辐射发射，测试。
电快速瞬变脉冲群EFT/B：设备附近或者设备所处的电网中，有感性负载切断时，产生的脉冲。使用耦合板耦合在通讯和电源线上，脉冲群的能量会耦合到线缆上，产生电荷积累，对于没有大地的设备（浮地系统），积累到一定程度，会导致数字逻辑电平错乱、设备损坏等。
浪涌试验（Surge）：对电源和信号都需要做浪涌测试。浪涌的能量远大于脉冲群和静电。干扰频率宽度比较窄。一般使用压敏电阻和保险电阻抑制。
传导骚扰抗扰度CS（Conducted Susceptibility）：
工频磁场试验PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工频磁场（例如大型变压设备）下对设备的影响，主要影响设备中的一些磁性设备，如线圈、霍尔器件。
电压跌落/短时中断DIP/interruptions：指设备所在的电网中突然接入大功率设备，导致电网电压变低对设备的影响。IEEE中定义，电网电压跌落10%~90%，持续10ms-1min后恢复正常。电网短路一般跌落幅度30%，输电线在绝缘子处发生闪烁，或对地放电，一般跌落幅度60%。跌落、短时中断都会导致继电器复位、通讯错乱、不显示、设备复位等，需要添加大电容进行储能，扛过中断和跌落。
2、产品对EMC的标准要求？
中国强制3C认证，美国的UL、欧洲CE等。标准中对不同类型的产品有不同的等级，例如静电有6kV、8kV、12kV、15kV等级别，按照具体需求进行EMC试验。
3、产品EMC整改的思路？
要分析上述11中测试中，如何进行设计，才能提出如何整改。
辐射RE(Radiated Emission）
根源：EMI是高频电流回路形成。走线长度大于波长的1/20，就会成为天线。
测试：在内部可以先对设备进行测试，使用频谱仪，在设备开机和关机时各测试一次，结果相减，去除环境噪声的影响。在设备内部，使用近场探头，追踪定位EMI的源。另外，瞬态EMI可能不好测试，但可能会引起复位、死机、通讯错误等。
消除：传播路径、源头方面考虑。
源头：层叠设计、地平面的完整（布局、走线）、电源滤波、布线（阻抗连续）、提高频信号上升沿和下降沿的时间。
传导CE（Conducted Emission）
谐波（Harmonics）
电源闪烁（Flickers）
静电放电ESD（Electrostatic Discharge）：
辐射抗干扰RS（Radiated Susceptibility）
电快速瞬变脉冲群EFT/B：
浪涌试验（Surge）：
传导骚扰抗扰度CS（Conducted Susceptibility）
工频磁场试验PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：
电压跌落
4、产品整改时常用元器件的使用？
共模电感
共模电感用于抑制共模干扰（指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声）。注意，下图中的绕线方向。
当共模干扰从左向右经过时，根据右手螺旋法则，可以知道上面的线，产生的磁场是绕着铁氧体顺时针，下面的线，一样。这样，两个线圈就会产生比较大的感抗，阻碍共模干扰信号的流出。
当正常信号经过时，例如电流，上面的线是电源正，下面的线是电源负，上面的线电流从左到右走，下面的线从右到左走。这样，两个线圈会产生方向相反的磁场，并抵消掉。所以，电感主要表现出阻抗。
共模电感在选用时，应考虑
瞬时大电流经过时，磁芯会不会饱和，要选用电流合适的共模电感。
高电压经过时，漆包线的绝缘漆会不会被击穿。漆包线的耐压应该要测试，不能全信供应商。
线圈要尽可能单层，减小线圈的寄生电容。
共模电感的抑制频率。主要根据使用环境中的共模干扰频率决定。
由于绕线不能完全封闭，会产生部分差模电感，有时需要人为增加此部分差模电感，抑制差模干扰。
电感
电感可以抑制高频信号，其等效电路如下：
电感量越大，其分布电容也越大，导致其对高频信号的抑制作用降低，所以，电感的电感量是随着信号的频率变化的，在某个频率点，阻抗才会达到最大。在选型时，应该查看其频率电感特性曲线。
电感量越大，其谐振频率越低。也就是说，其分布电容谐振在这个频率点对交流的直通作用，抵消了电感的阻抗。
如果我们还要对抑制频率进一步提高，那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心电感，就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍，因此，磁珠比单圈电感线圈的工作频率更高。
磁珠
磁珠是铁氧体材料，高频流过时，由于高感抗，转化成热能，低频信号可以经过。与普通电感相比，具有更好的高频抑制效果。
磁珠广泛应用在电源、信号线路上，可以抑制静电脉冲等。磁珠的单位是欧姆，可以在datasheet上查看频率阻抗特性曲线图，比如100MHz的频率下，阻抗位1000欧姆，通常选用600欧姆阻抗以上的。另外，需要降额80%使用，另外，用在电源线路上，应考虑直流阻抗产生的压降。
一般磁环居里温度110℃，达到这一温度以后立刻失去磁性，有如空气介质一般；恢复室温以后，磁性能发生了永久性改变，磁导率降低了10%。所以，在大功率电路中应用时，应该考虑这种可能出现的温度环境，放置器件失效。
滤波电容
滤波电容在高频应用时，应考虑其谐振（同物理意义上的共振）。对于高频噪声提供一个旁路，流通到地。
普通陶瓷电容的电容量会随着温度的变化而变化，但穿心电容更接近理想电容，在数百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心电容怕高温和温度冲击，所以在焊接时，容易造成损坏。另外，穿心电容是三端电容：入、出、地。
5、EMC设计如何在设计过程的各阶段开展？
电路设计（包括器件选型）、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线电源线滤波、电路接地方式。
Tips：电磁兼容领域，要描述的幅度和频率范围都很宽，在图形上用对数坐标更容易表示，而 dB 就是用对数表示。
对于功率，dB=10log()，对于电压和电流，dB=20log()。
例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB 减法：10dB-5dB，实际就是两个数值的相除，例如信噪比。
如何设计好EMC:
设计人员的水平
公司EMC设计规范
公司EMC负责人
在设计前期解决EMC问题
系统流程法(System Flow Method)
系统流程法，即主要在研发流程中融入 EMC 设计理念，在产品设计的各个阶段进行 EMC 设计控制，把可能出现的 EMC 问题在研发前期进行考虑；设计过程中主要
从产品的电路（原理图、PCB 设计），结构与电缆，电源模块，接地等方面系统考虑 EMC 问题，针对可能出现 EMC 问题进行前期充分考虑，从而确保产品样品出来后能够一次性通过测试与认证！
产品总体方案设计
产品详细方案设计
产品原理图设计
产品PCB设计
产品结构设计
产品初样试装
产品EMC摸底验证
产品认证
设计Tips
1、设计阶段进行EMC设计，成本和效果是最好的。
2、高频电流环路面积越大，EMI越严重。高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时，一般走线电抗大于电阻，连线对高频信号就是电感，串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的，最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线，减小高频电流回路面积，尽量消除任何非正常工作需要的天线，如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。
3、环路电流频率f越高，引起的EMI辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二，就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f，即减小骚扰电磁波的频率f。
