电磁兼容设计
电磁兼容策略
电磁兼容有3个关注点：EMI、EMS、电源适应性。
1.EMI策略
EMI的两个要素：发射源、路径。EMI包含：传导发射、辐射发射。
l传导发射
Ø发射源：低频VCO、PLL、晶振、数字时序、开关电路、DC-DC转换，等。
Ø传递路径：电流从对外互联接口流出。
Ø能量形式：共模电流（多线），差模电流（单线）。
Ø处理策略：限带，切断发射源电流传递路径。
（1）电源双线：入口紧随共模滤波器，抑制共模，对差模也有一定的抑制；
电源入口共模抑制
（2）用电端：供电端退耦，1000pF以下，过大引起浪涌，恶化共地耦合。
用电端退耦
（3）对外互联：单端控制线、包括音频线、差分线对。
Ø线长l，导体线径r，双导线间距D，双绞线与平行线等同。空气导磁率u0=4π´10-7H/m。
单线寄生电感量计算公式：
（H）
平行线寄生电感量计算公式：
（H）
Ø单端线包含：LED指示，RS-232，按键开关，等。RS-232电压为数字脉冲，确定航空插头滤波电容原则：让RS-232波特率的7~10次谐波通过，以取得较好的上升下降时间。外接导线长度5米（与电缆长度关系密切），导线线径0.5mm，单导线寄生电感量可由公式计算（约9uH，双绞线寄生电感更小），阻抗120W。对于150kps左右的波特率，滤波电容C大约680pF，三端电容的电容值取等于航插电容，各取1/2，总电容值还必须低于RS232 Transciver的最大负载电容。
Ø双端差分线包含：耳机、话筒音频线，USB，LAN，RS-422，RS-485等。其中USB、LAN的速率很高，带宽很宽，对波形的上升速率要求不高，让波特率的5次谐波通过即可，以降低前后符号间串扰，获得较清晰的眼图。双绞导线长2m，导线线径0.5mm，绝缘层厚度等于导体线径，2m长双绞线寄生电感约0.65uH。10Mbps速率的限带电容很小，约30pF，航空插头滤波电容+PCB限带电容<30pF。RS-422，RS-485让波特率的5~7次谐波通过，根据带宽决定电容大小。
耳机、话筒音频线按差分线处理。
共模电感的特点：强耦合，共模阻抗大；存在漏感，差模阻抗较小。对共模的抑制大，对差模的抑制小（对差模有衰减）。
单端控制线EMI策略
双端差分线EMI策略
航空插头内带穿心电容
（4）天线：包括GPS、北斗、发射天线，等。
天线口处理
l辐射发射
Ø发射源：高频VCO、PLL、晶振、高速数据时钟、高速开关电路、DC-DC转换的高次谐波，等。
Ø传递路径：寄生天线电磁辐射、从对外互联接口留出，再以连线为寄生天线电磁辐射。
Ø能量形式：共模电流（多线），差模电流（单线）。
Ø处理策略：屏蔽、切断发射源电流传递路径。
屏蔽：封闭金属腔是最佳屏蔽工具，金属的厚度、材料、频率共同决定屏蔽效能，0.5mm厚的铜腔对1GHz的电磁场屏蔽效能只有20dB左右。
业界有一种通用PCB叠层办法：表层（top & bottom）只放器件，不走线，全部过孔到内层布线，表层铺铜，电源层、布线层比GND层内缩大于10倍介质厚度，降低边沿辐射（边沿开放），用这种方法，低频电磁辐射大约可以降低20dB，高频电磁辐射大约可以降低5~10dB。
限带：限带就是级联低通、带通滤波器，切断高频电流泄漏路径，将泄漏频率置于阻带区。
退耦：射频电路随路就近退耦，防止高频电流往外泄漏，等效于缩短高频路径，减小高频回路面积，降低天线效应。
【提示】军标EMC比民标严，军标EMI考察频谱10kHz~18GHz（最高频率的10倍），民标150kHz~最高频率的10倍；EMI泄漏场强比民标严约8~10dB，航天严于机载，机载严于车载，车载严于船载。我国3C与欧盟CE的EMC基本等价，军标严酷层度与美标FCC相近。
2.EMS策略
EMS的三个要素：干扰源、路径、被 干扰源。
EMS考核内容增加ESD、浪涌。
EMS是EMI作用的结果，过程与EMI相反，考查抵御外来骚扰的能力，需要处理的都是输入端。
处理策略：同EMI，有2大类处理策略：控制线输入端，全局复位端。复位端必须可靠，在电源未跌落之前，不应受干扰激励而复位。
控制电路输入端处理
EMS有传导和辐射两种骚扰注入形式，传导通过电源、控制线、数据线、天线、耳机、话筒线耦合注入，辐射通过天线注入或者通过场耦合从电路板注入。
手持设备：天线、按键等所有外露端口都要能经受15000V空气放电，或8000V接触放电（100pF储能电容放电）。
非手持设备：外接天线端能够承受二次雷击（800~1600V），其它外漏接口经受15000V空气放电，或8000V接触放电（100pF储能电容放电）。
手持设备天线内导体金属不要外漏，ESD易失败。
【提示】：EMS考核的骚扰强度等级严于EMI，凡EMI不合格，EMS基本上也会不合格，EMI合格，EMS可能还不合格。比如采用屏蔽腔，既改善辐射EMI，又改善辐射EMS；滤波既改善传导EMI，又改善传导EMS。
3.电源问题
电源也要考核两个方面：设备污染供电电源（电源EMI）、受外来电源污染，影响设备效能（电源EMS）。电源问题以差模形式出现。
（1）电源谐波
主要针对交流供电，整流桥的非线性会增加电源高次谐波，能量以传导形式传递。
（2）电源噪声
主要考核开关电源，开关电源的PWM产生强烈的开关噪声，主要以电流传导形式污染电源，辐射形式较轻微。
（3）电流浪涌
设备的开、关机，发射机的开启、关闭使电源的电流以脉冲形式变化，由于电源线的寄生电感存在，使电源线呈现较大的反电动势，叠加在电源电压上，引起电压浪涌；同时电感充磁后，电流不会短时间消失，会寻找泄放途径，主要是滤波电容、电阻。
（4）电压跌落
当大功率设备的负荷不平稳，特别是负荷呈开关状态、突发脉冲状态，一方面非平稳电流在电源线（电阻）上产生变化的电压降，另一方面在电源线（电感）上产生变化的反感生电动势，引起电源电压的起伏变化。
电压跌落还有一种情况是供电设备的负载能力不足，因瞬间过载，使输出电压降低。
（5）电源谐振
电源回路电感/电容的比值太大，在外来电流浪涌的冲击下，或自身重开关负载的冲击下，电感、电容回路欠阻尼，使电源回路产生衰减式振荡，污染电源。
Ø处理策略
l电源入口处必须有足够的滤波电容及低通滤波器，提高抗电源跌落能力，降低电源谐波（交流）。电容储能计算：
（J）
电容放电释放能量计算公式
（J）
电感储能计算公式
（J）
电感放电释放能量计算公式
（J）
l电源入口处必须有大功率容限TVS或电压限幅MOS管，抑制浪涌电压。电池设备因为有电池这个巨大的电源缓冲池，几乎没有浪涌电流也没有浪涌电压，但前级充电电路存在。
l计算电源回路的阻尼状态，必要时在大电感上并联10W量级功率电阻，或大电容正极串联0.1W量级功率电阻。
l数字全局复位控制器，根据电压跌落下限设置复位门限，一旦电压跌落超过门限，影响设备正常运行，复位全设备。为使设备复位充分，一些无全局复位端的部件也能被复位，可先断电100~300ms，再上电，整机上电时间持续数秒。（电压跌落允许设备复位，但不允许设备出现运行错误，更不允许人工复位）
4.电源适应性
考核电源的电压波动范围、频率波动范围。
直流供电：在要求的电压范围内，设备的功能、性能达到研制要求，全温范围均满足。
交流供电：在要求的电压、频率范围内，设备的功能、性能达到研制要求，全温范围均满足。
电源的浪涌、跌落也属于电源适应性的范畴。
5.接口连接器
分两类接口：对内接口、对外接口。
（1）对内接口
设备可能由数块PCB组成，每块PCB之间需要互联。每块PCB都要满足EMI、EMS要求。
措施：接口线隔离、退耦、滤波（EMI、EMS）、限幅（ESD）。
主要目的是：数字基带侧、RF侧相互抑制来自对方的泄漏串扰。
内部互连
（2）对外接口
外部连接器的电气性能有标准、协议约束，有三类连接器：电源、（差分）数据、控制、光端。
光端连接器在电磁兼容上没有任何限制，只有光功率、波长约束。
电源连接器：严格的做法，采用内带穿心电容的航空插头，端子粗壮，各端子的对地电容量0.01~0.1uF（所有端子电容必须相等）。可活动端（外接电缆侧）采用孔式（female），固定端（设备侧）采用针式（male）。
（差分）数据线连接器：严格的做法，采用内带穿心电容的航空插头，端子细、少，各端子的对地电容量10~100pF（所有端子电容必须相等）。可活动端（外接电缆侧）采用孔式（female），固定端（设备侧）采用针式（male）。
控制线连接器：严格的做法，采用内带穿心电容的航空插头，端子细、密，各端子的对地电容量100~1000pF（所有端子电容必须相等）。可活动端（外接电缆侧）采用孔式（female），固定端（设备侧）采用针式（male）。
（3）射频接口
RF接口也有内外之分，内接口：IF in/out、clock in/out、RF in/out；外接口：天线、功放输出。
Ø内接口
遵循：交流耦合，阻抗匹配，开路、短路、错插不会产生损坏、危害。相同类型的连接器，尽可能采用female/male区分，防止插错。
内部RF接口
Ø外接口
遵循：防雷击、误接DC不损坏，滤波器限带。
