EMC整改報告

一、EMC概述

1.EMC設計主要針對EMI+EMS，常見的EMI測試包括電源線的傳導騷擾（CE）和輻射發射（RE）測試，EMS測試包括：ESD、電源線的EFT、電源線的雷擊和浪涌測試、電源線的抗擾度測試;三要素是干擾源、耦合途徑、敏感器件；主要對策：疏（濾波、接地）和堵（屏蔽）

2.用高頻的視角看問題

3.所有信號都是從地流回去的

4. 共模干擾與差模干擾：共模干擾往往是指同時加載在各個輸入信號接口段的共有的信號干擾。共模干擾是在信號線與地之間傳輸，屬於非對稱性干擾。共模干擾好比兩個人同時向前或者向後推你，於此相對的差模干擾則是一前一後在拉你。

二、EMC測試模型：

1. 輻射發射測試：

一般都是先將水平和垂直做一遍測試，這時主要是測峯值，然後在針對峯值讀點，讀點測的是平均值，TUV等認證時也是讀點；

2.傳導騷擾測試：

2.1 需要的儀器：接收機、LISN網絡（三相、單相）、參考接地，一個重要的條件是一個2m*2m以上面積的參考地平面，並超出EUT邊界至少0.5m;一般在屏蔽室內進行，如下圖

2.2 電源口傳導騷擾測試的拓撲圖如下,此時構成了一個環路，成爲了天線，此處應注意電源線和接地線之間的面積，並且儘量將EUT的接地線接到LISN上，而不要就近接到參考地金屬板上（50R上產生的壓降就是所測量的共模傳導騷擾測試的結果）

3. 靜電放電抗擾度測試：

Cs代表人體電容，Rd代表手握鑰匙或者其他金屬工具的人體電阻。

4. EFT(電快速瞬變脈衝羣測試)

5. 浪涌測試：包括電源線上的和信號線上的

5.1 電源線及信號線測試框圖如下：

5.2 電源線浪涌發生器及波形如下：

三、對策：

1. 輻射：

輻射的泄露途徑：一種是設備內部的電磁能量通過機箱的孔縫泄露；一種是設備的連接線充當天線來發射

1.1 機箱泄露：

1.1.1 元件、IC、走線都可能成爲輻射源，頻率越高越容易輻射；

1.1.2. 機箱主要分爲非屏蔽的塑料機箱和有屏蔽效果的金屬機箱或在內部噴塗一層金屬的塑料機箱這兩種；非屏蔽機箱會直接將輻射泄露出去，屏蔽效果不好的話，屏蔽層上的孔縫也會成爲天線

1.1.3. 對策：屏蔽層儘可能的完整，即使有孔縫，也要保證孔縫長度不足以成爲設備內最高頻率的天線（一般要求孔縫長度應爲：1＜λ／20(商用設備，屏蔽效能20dB)或1＜λ／50(軍用設備，屏蔽效能28dB)，λ爲設備內可能輻射的最高頻率的波長

）

1.1.4. 現場調試：

1.1.4.1如果是金屬機箱

首先，確定泄露途徑，是機箱還是連接線，拆除設備的連接線，對比拆除輻射的強度，若無明顯變化，則顯然主要是機箱泄露；然後，近場探測找到泄露點，用頻譜儀進行近場探測不同的頻率，找到輻射較強的點，即爲泄露點（之一）；再次，針對泄露點貼金屬導電帶或銅箔，並使其與機箱的金屬表面（地）有良好接觸，若有明顯改善，在後續修改孔縫的尺寸，如添加導電襯墊、採用波導、縮短連接螺絲的間距等。

1.1.4.2 如果是非金屬機箱

近場探測元器件走線等，找到輻射源後，對元器件添加屏蔽，修改時鐘頻率，或者修改走線，減小走線環路等。

1.2 設備連接線的輻射：

1.2.1 I/O連接線或者控制線成爲天線，沒有負載時只有共模電流沒有差模電流，連接線作爲天線主要是以共模電流輻射爲主，共模電流產生的磁場方向相同磁場疊加變得更強。

1.2.1.1 共模電流輻射的條件：

產生共模電流輻射的條件一是要有共模驅動源，二是要有共模天線。

任何兩個金屬體之間只要存在射頻電位差就構成共模輻射系統，兩個金屬體分別是它的不對稱振子天線的兩個極。射頻電位差即爲共模驅動源，它通過不對稱振子天線向空間輻射電磁能量。

由於C=εs/4πkd；當頻率達到MHz級時nH的小電感和pF級的小電容都將產生重要影響。兩個導體連接處的小電感能產生射頻電位差，例如圖 2中的數字地和模擬地之間的連接線的小電感，圖3 中機殼與印刷板之間連接線的小電感等都是產生共模驅動源的根源。沒有直接連接點的金屬體也可能通過小電容變成天線的一部分，例如圖5中的散熱片與開關管是絕緣的，但可以通過它們之間的小電容在射頻頻率上連接起來，構成共模天線的一部分。

共模天線的一個極必定是設備的外部連接線，另一個極可以是設備內部PCB的地線、電源面、機殼、散熱片、金屬支架等等。

1.2.2 共模電流輻射有三種類型：電流驅動型、電壓驅動型、磁耦合型。

1.2.2.1 電流驅動型：

差模的電壓源在迴路地上產生壓降，成了驅動源；有了源還差天線，天線就是除了此迴路地以外的與他連接的地線和外接線纜（天線上走的是共模電流，由於它是由Idm產生的，so叫電流驅動型）；這裏告訴我們地線要儘可能的低阻抗，少感性；圖1爲電流驅動模型，圖2圖3爲舉例

1.2.2.2 電壓驅動型：

由差模電壓源直接驅動天線的兩個部分，即上金屬部分與下金屬部分

1.2.2.3 磁耦合型：

1.2.2.4 還有一種情況需要格外注意，屏蔽電纜“豬尾巴”引起的輻射，舉例及驅動模型如下

1.3 輻射調試對策總結：

1.3.1i. 利用頻譜儀等確定是機箱泄露還是連接線輻射

1.3.2. 機箱泄露：找到泄露點加以屏蔽；連接線輻射：加磁環等

1.4. 輻射發射的對策：

1.4.1.干擾源的類型：dV/dt or dI/dt(繼電器、電機、數字信號陡峭的沿等)

1.4.2.天線：走線長度是信號波長的1/4的整數倍時,走線成爲天線（v=λf），eg電機驅動板上的相線，氣泡傳感器的發射接收線。

1.4.3.帶長線輸出的接口：信號，磁珠阻斷髮射+電容吸收高頻or共模濾波器；電源：在長電線的兩端各添加一個0.01uF或0.001uF旁路電容，以吸收高頻，共模濾波器使用場合如總電源入口，差分信號如485等。

1.4.4.環路和PCB走線、過孔都能有電感，因此要求小環路（電源環路->去耦電容的走線與接地），短走線（IO和晶振，），少過孔（也可在附近打地過孔，提供較近的迴路）

1.4.5.電源去耦：電源的環路儘量小，以較小電源上高頻噪聲的發射，電路中RF的能量是和 I*A*f成正比的，I是電源迴路中的電流，A是迴路的面積，f是電流的頻率

1.4.6.地的佈局：地層要放在主要元件層的下方，這能更好的吸收靜電和吸收高頻

1.4.7.元件佈局和走線不相容的元件和信號線（數字與模擬、高頻與低頻、大電流與小電流、高壓與低壓）應儘量遠離，不要平行走線，不同層上走線要互相垂直；

1.4.8.高速的角度看問題：高速信號線要考慮阻抗匹配，走線要保持阻抗保持不變，避免出現寬窄不一、過孔等；

1.4.9.對於電場耦合的輻射要儘量降低電路的阻抗，磁場耦合的輻射要增加電路的阻抗

1.4.10. 屏蔽：採用屏蔽電纜或帶屏蔽的連接器，要保證電纜屏蔽層與插頭的金屬外殼要360度搭接，不能出現“豬尾巴”現象，且與插座及機殼屏蔽層有良好搭接

2. ESD:

2.1ESD讓產品失效的三個要素：瞬時涌入的大電流（熱效應及EMI），電壓波動，靜電輻射場強

2.2 ESD的基本原理和對策的基本思想:靜電放電是一種高能量款頻譜的電磁騷擾，頻譜範圍可以達到數百兆赫茲（波形是連續的），稍微長一點的導線都可能形成有效的感性耦合，也會與產品內部的導體（兩個金屬板即構成了電容）或通過寄生電容產生容性耦合；泄放到地；

2.3 基本對策：ESD的上升沿0.7ns-1ns, di/dt –>磁珠/電感+電容，TVS，瞬時電流在2KV時7.5A，8KV時達到30A；

2.3.1 電容 TVS要良好的接地，並且對信號的走線不要太長；

2.3.2 需要通過長線和主板連接的小板，且較靠近整機外部，如1800的指示燈板，最好在長線的兩端都加TVS（這裏主要是考慮到導線在高頻時的感性及TVS的使用技巧）;

2.3.3 設備的裸露金屬：在接大地時，要單點接地，避免星形接地，以免形成較大環路，增加射頻噪聲，降低EMC性能，同時此處的大地要考慮和工作地及板上信號的安全距離和爬電距離，如電源板及電機驅動板下的與泵門把手相連處。

2.3.4 接地：地層要儘可能的完整，保持電阻不變；外層與地層儘可能的多打地過孔，以保證泄放的暢通；

2.3.5 信號輸出加緩衝，便面CPU1的iO與CPU2的io直連，如1800的主與電源板

3. 軟件的EMC

3.1 軟件干擾舉例：

3.1.1 微控制器無響應；

3.1.2 編程計數器失控

3.1.3 執行意外指令

3.1.4 地址指向錯誤

3.1.5 子程序執行錯誤

3.1.6 寄生復位

3.1.7 寄生中斷

3.1.8 I/O失靈

3.2 軟件故障的後果舉例：

3.2.1 意外指令

3.2.2 上下文丟失

3.2.3 進程中的意外分支

3.2.4 中斷丟失

3.2.5 數據完整性丟失

3.2.6 輸入測量值錯誤

3.3 軟件的EMC預防技術：

3.3 .1 看門狗：復位後儘快使能看門狗，勿在中斷中刷新看門狗

3.3 .2 保護未使用的存儲區：用代碼填充未使用的存儲區（指令冗餘）；此代碼用以強制看門狗復位或者跳轉到已知的程序（軟件陷阱）

3.3 .3 輸入濾波：算術平均濾波、滑動平均濾波、中位值濾波、去極值平均濾波

3.3 .4 管理未使用的中斷向量：對未使用的中斷向量分配有效的中斷程序地址，並在中斷程序中能有效返回

3.3 .5 針對AD：採取濾波措施，並存儲在RAM中

3.3 .6 頻繁刷新寄存器：涉及的寄存器爲時鐘控制寄存器或IO配置和數據寄存器（這些寄存器接近於芯片輸出焊盤），尤其是在驅動程序或者LCD顯示中

3.3 .7 針對不用的IO口：最好配置爲輸出低電平，這樣不僅可以降低功耗，還可以避免其成爲發射源

3.4. 軟件的EMC自動恢復技術：

3.4. 1 將上下文保存在RAM中：

3.4. 2 使用看門狗：用看門狗檢查各個軟件程序的運行時間，一旦出現異常則立即復位或轉到軟件復位程序

3.4. 3 使用復位標誌標識復位源：區分各種復位源，以實現快速恢復

4. EFT

4.1關於EFT的對策一般從三個方面入手：

1）改變EFT電流的流向，使其不經過產品中的敏感電路

2）在EFT干擾電流還未到達敏感電路之前進行抑制，如在電源入口處添加對EFT有抑制作用的濾波器

3）增加電路本身的抗干擾能力

其中，1）和3）是在產品最初設計時就要考慮的，2）是產品後期解決EFT的最有效最簡單的方法，比如在電源入口處加磁環，並在其上繞幾圈，但，在繞線時要使輸入輸出端原理，注意線間的耦合。

四.一些常見概念：

4.1 過孔的寄生參數：

4.1.2 過孔的寄生電容：過孔的寄生電容會給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時間，降低了電路的速度，並且隨着過孔的增加，電容實現的是並聯，即電路的速度越來越慢。

過孔本身存在着對地的寄生電容，如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑爲D2,過孔焊盤的直徑爲D1,PCB板的厚度爲T,板基材介電常數爲ε,則過孔的寄生電容大小近似於：C=1.41εTD1/(D2-D1)；

舉例來說，對於一塊厚度爲50Mil的PCB板，如果使用內徑爲10Mil，焊盤直徑爲20Mil的過孔，焊盤與地鋪銅區的距離爲32Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF。

4.1 .2 過孔的寄生電感：寄生串聯電感會削弱旁路電容的貢獻，減弱整個電源系統的濾波效果。

一個過孔近似的寄生電感：L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指過孔的電感，h是過孔的長度，d是中心鑽孔的直徑。從式中可以看出，過孔的直徑對電感的影響較小，而對電感影響最大的是過孔的長度。上面的例子，可以計算出過孔的電感爲：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。

4.1 .3 對策：信號線儘量不換層，若一定要換層，可在過孔周圍多打地過孔，以提供較近的迴路；電源和地的過孔要就近打孔，且走線儘可能的短而粗

4.2. 電源及地佈局佈線：

4.2. 1 去耦電容、儲能電容、磁珠的放置：一般來說，電源附件要加去耦電容，針對強驅動的還要添加儲能電容，磁珠用來抑制外部的干擾，從外部到電源腳的放置順序是：磁珠、儲能電容、去耦電容；

4.2. 2 走線及過孔原則：就近過孔、短而粗的走線以保證足夠小的環路，使得電感特性足夠小

4.2. 3 CPU的地和電源：儘量少打過孔以保證地平面的完整；周圍的元件除了去耦電容外和晶振，不要放得太近

4.2.4 連接器上用多根地線，大電流敏感信號輸入輸出等要分開；

4.3 模擬地與數字地

4.3.1 離散信號和連續信號的區別：在規格書上，數字信號的0和1有一定的電平範圍，即允許的波動範圍較大，再比如AD採樣等電路的輸入信號有很多mv級別，這時就需要電源的穩定

4.3.2 數字信號的構成：方波是由N多個正弦波疊加而成，即方波含有很豐富的頻率成分

4.3.3 接地方式：

4.3.3.1 低頻模擬信號地：除加粗和縮短地線之外，電路各部分採用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由於地線公共阻抗而導致的部件之間相互干擾

4.3.3.2 高頻數字電路地：接地線應接成閉環路（若單點接地，相對於高頻信號而言，地線已經足以成爲天線了）,但環路不能太大，以免在強磁場時產生感應電流：簡單地說，就是你的接地線,最後應該是閉合的,而不能是有一端或多端開放.這樣來形容吧:你的佈線完成後,地線的情況應該是個"口"字或者"凸""凹"等字的形式,不要是"U"或者"L"之類的.

4.3.3.3 鋪地

1.對於不同信號的板子不同處理,比如高頻的要鋪網狀地,低頻的可以鋪實地.

2.鋪地的作用:減少信號回地電阻,對信號增加屏蔽功能,消除干擾,增加PCB硬度,美觀(導線或PCB走線的直流阻抗雖然在mR以下，但是在高頻時導線的感性會使其擁有很大的阻抗，這樣有電流流過時就會產生很大壓降，長寬比小於3的不帶孔和縫隙的金屬板或PCB平面可以在100Mhz時仍保持3mR的小阻抗，對於TTL電平，可以吸收高達600A的脈衝電流）。

3.數字地和模擬地採取單點接地的方式：低頻時影響不大，不同種類地之間用0歐電阻相連；高頻時，用磁珠 0R等都會在ESD和EFT等測試中產生壓降，從而產生嚴重問題。

3.對於鋪地的形狀和區域,要具體問題具體分析.要看你利用鋪地的那種功能.當然首先不能違反地線的走線規則.對於一塊PCB可以分不同的區域鋪地,不能讓干擾通過同層或者其他層的地而引入到其他區域中.做到模數分開,強弱分開（別A的地有一部分在B的電源下面）.

4.地線星狀分佈,大電流回地儘量短,並避免與小電流地接觸.高頻信號和模擬信號可以有地伴行......

5.單點接地：實現等電位連接，高頻時尤其要注意最後用長寬比<3的完整地平面來實現等電位

4.4 實心銅與網格銅

4.4.1 較低頻時，敷實心銅；較高頻時，敷網格銅。

4.4.2 PCB製造商建議我們，設計時大面積鋪銅時候，最好用網格的，實心的在PCB過波峯焊時容易出現受熱變形

波峯焊是讓插件板的焊接面直接與高溫液態錫接觸達到焊接目的，其高溫液態錫保持一個斜面，並由特殊裝置使液態錫形成一道道類似波浪的現象，所以叫"波峯焊"

4.5 差模與共模

4.5.1 差模例子：電源板與主控板連線之所以要紮緊或者有些場合使用雙絞線，是因爲信號線對地是差模電流流動，一來一回，兩個方向的電流產生的磁場也是反向的，可以相互抵消，越近效果越好; 電線或者地環路上的壓降->差模干擾，如功放的滋滋聲，如ADC採樣

4.5.2 共模例子：如果在計算機常用的扁平饋線中抽取相鄰的兩根導線，線長1米，導線對上分別加以共模和差模電流，在離導線對3米處按GB9254規定測量騷擾場強。實驗表明如果該處場強要達到B類設備的限值(30~230 MHz時爲40 dBμV／m)，則差模電流要求爲20 mA，而共模電流只要8μA，兩者相差2500倍。由此可見，共模電流輻射的抑制是非常重要的。

4.6 電感與磁珠

4.6.1 磁珠的構成及用途：採用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結而成，專用於抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峯干擾，還具有吸收靜電脈衝的能力。

4.6.2 磁珠的主要參數：

4.6.2.1 標稱值：因爲磁珠的單位是按照它在某一頻率產生的阻抗來標稱的，阻抗的單位也是歐姆，一般以100MHz爲標準，比如我們公司的風華的600R磁珠，就是指在100MHz的時候磁珠的阻抗爲600歐姆。

4.6.2.2 額定電流：額定電流是指能保證電路正常工作允許通過的電流，比如風華的600R的磁珠額定電流是0.3A（實際通流能力>0.3A）。

4.6.3 電感和磁珠的區別：

4.6.3.1 構成：一匝以上的線圈習慣稱爲電感線圈，少於1匝（導線直通磁珠）的線圈習慣稱之爲磁珠；電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換（消耗）器件，將高頻轉化爲熱能；磁珠可以理解成電阻和電感的串聯；磁珠有很高的電阻率和磁導率，他等效於電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化。他比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現阻性，所以能在相當寬的頻率範圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。

4.6.3.2 用途：磁珠主要用於消除高頻噪聲，象一些RF電路，PLL，振盪電路，含超高頻存儲器電路（DDR SDRAM，RAMBUS等）都需要在電源輸入部分加磁珠，或者信號線纜（最近的C6 1800 1500），電感多用於LC振盪或低頻電源迴路的濾波；EMC方面：磁珠主要用於抑制電磁輻射干擾，而電感用於這方面則側重於抑制傳導性干擾

4.6.3 多孔磁珠：有的磁珠上有多個孔洞，用導線穿過可增加組件阻抗（穿過磁珠次數的平方），不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力不可能如預期的多，而用多串聯幾個磁珠的辦法會好些。

4.7 TVS