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文章詳情
安規(guī)和EMC
日期：2024-10-19 08:28
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摘要：前言
經常聽到某些產品需要各種各樣的認證，或者在產品標簽上看到各種認證的標簽貼紙。例如，中國強制性的3C認證，另有美國的UL、歐洲CE等。這些認證既需要對產品的功能、性能參數(shù)進行測試，也需要對安規(guī)和EMC進行測試。本文將講解安規(guī)和EMC的測試內容，使工程師在設計時，能夠有目的地設計。一個產品的安規(guī)和EMC問題，不僅僅是PCB工程師的職責，也是結構工程師的職責(輻射發(fā)射、輻射抗擾度、靜電）。安規(guī)和EMC是一項系統(tǒng)工程，不能僅靠在測試中整改，而應貫穿需求分析、原理圖設計、PCB設計、結構設計之中。
何為安規(guī)、EMC
安...
前言
經常聽到某些產品需要各種各樣的認證，或者在產品標簽上看到各種認證的標簽貼紙。例如，中國強制性的3C認證，另有美國的UL、歐洲CE等。這些認證既需要對產品的功能、性能參數(shù)進行測試，也需要對安規(guī)和EMC進行測試。本文將講解安規(guī)和EMC的測試內容，使工程師在設計時，能夠有目的地設計。一個產品的安規(guī)和EMC問題，不僅僅是PCB工程師的職責，也是結構工程師的職責(輻射發(fā)射、輻射抗擾度、靜電）。安規(guī)和EMC是一項系統(tǒng)工程，不能僅靠在測試中整改，而應貫穿需求分析、原理圖設計、PCB設計、結構設計之中。
何為安規(guī)、EMC
安規(guī)主要是對產品**性方面的測試和要求，例如阻燃性、絕緣性、漏電、防塵防水等。
EMC（Electromagnetic Compatibility）電磁兼容性，指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）電磁干擾+EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾。如果是非高頻和射頻設備，EMC主要是電源方面的EMI（輻射 和傳導）問題。
設計前的準備
《產品需求說明書》：明確產品的功能、性能參數(shù)、安規(guī)標準和EMC標準。
安規(guī)標準文件
EMC標準文件
上面是EMC的所有項目：
1.輻射RE(Radiated Emission）:測試場地要求比較高，一般使用EMC暗室代替開闊場地測量。EMC暗室只有地面為反射面，其他面都安裝吸波材料，測試時，人員等不在暗室內，防止有干擾。輻射測量的信號在30MHz-1GHz。注意頻率，在150KHz～30MHz的干擾信號主要通過傳導泄漏，輻射量比較小（原因是信號波長有關）。
2.傳導CE（Conducted Emission）：傳導測量信號頻率在150KHz-30MHz。試驗前，接好所有線纜（電源、通信、IO等），待設備工作正常穩(wěn)定后，測試線纜上的傳導騷擾。
3.諧波（Harmonics）：設備工作時，向電網中傳輸?shù)碾娫锤叽沃C波的強度。難點
4.電源閃爍（Flickers）：
5.靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放電和間接放電。直接放電時對產品直接打靜電，模擬的是人體和其他帶電設備對產品進行放電時的情況。直接放電分為：接觸放電、空氣放電。產品外殼是金屬部分的，需要放電槍直接接觸金屬部位，塑料外殼需要空氣放電。間接放電比較有意思，把設備放在水平耦合板和垂直耦合板間，放電槍在耦合板上接觸放電，這樣在耦合板上就會形成電場，對設備進行干擾。
6.輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天線對設備進行輻射發(fā)射，測試。
7.電快速瞬變脈沖群EFT/B：設備附近或者設備所處的電網中，有感性負載切斷時，產生的脈沖。使用耦合板耦合在通訊和電源線上，脈沖群的能量會耦合到線纜上，產生電荷積累，對于沒有大地的設備（浮地系統(tǒng)），積累到一定程度，會導致數(shù)字邏輯電平錯亂、設備損壞等。
8.浪涌試驗（Surge）：對電源和信號都需要做浪涌測試。浪涌的能量遠大于脈沖群和靜電。干擾頻率寬度比較窄。一般使用壓敏電阻和保險電阻抑制。
9.傳導騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）：
10.工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工頻磁場（例如大型變壓設備）下對設備的影響，主要影響設備中的一些磁性設備，如線圈、霍爾器件。
11.電壓跌落/短時中斷DIP/interruptions：指設備所在的電網中突然接入大功率設備，導致電網電壓變低對設備的影響。IEEE中定義，電網電壓跌落10%~90%，持續(xù)10ms-1min后恢復正常。電網短路一般跌落幅度30%，輸電線在絕緣子處發(fā)生閃爍，或對地放電，一般跌落幅度60%。跌落、短時中斷都會導致繼電器復位、通訊錯亂、不顯示、設備復位等，需要添加大電容進行儲能，扛過中斷和跌落。
2、產品對EMC的標準要求？
中國強制3C認證，美國的UL、歐洲CE等。標準中對不同類型的產品有不同的等級，例如靜電有6kV、8kV、12kV、15kV等級別，按照具體需求進行EMC試驗。
3、產品EMC整改的思路？
要分析上述11中測試中，如何進行設計，才能提出如何整改。
輻射RE(Radiated Emission）
根源：EMI是高頻電流回路形成。走線長度大于波長的1/20，就會成為天線。
消除：傳播路徑、源頭方面考慮。
源頭：層疊設計、地平面的完整（布局、走線）、電源濾波、布線（阻抗連續(xù)）、提高頻信號上升沿和下降沿的時間。
傳導CE（Conducted Emission）
諧波（Harmonics）
電源閃爍（Flickers）
靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：
輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）
電快速瞬變脈沖群EFT/B：
浪涌試驗（Surge）：
傳導騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）
工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：
電壓跌落
4、產品整改時常用元器件的使用？
共模電感
當共模干擾從左向右經過時，根據右手螺旋法則，可以知道上面的線，產生的磁場是繞著鐵氧體順時針，下面的線，一樣。這樣，兩個線圈就會產生比較大的感抗，阻礙共模干擾信號的流出。
當正常信號經過時，例如電流，上面的線是電源正，下面的線是電源負，上面的線電流從左到右走，下面的線從右到左走。這樣，兩個線圈會產生方向相反的磁場，并抵消掉。所以，電感主要表現(xiàn)出阻抗。
共模電感在選用時，應考慮
瞬時大電流經過時，磁芯會不會飽和，要選用電流合適的共模電感。
高電壓經過時，漆包線的絕緣漆會不會被擊穿。漆包線的耐壓應該要測試，不能全信供應商。
線圈要盡可能單層，減小線圈的寄生電容。
共模電感的抑制頻率。主要根據使用環(huán)境中的共模干擾頻率決定。
由于繞線不能完全封閉，會產生部分差模電感，有時需要人為增加此部分差模電感，抑制差模干擾。
電感
電感量越大，其分布電容也越大，導致其對高頻信號的抑制作用降低，所以，電感的電感量是隨著信號的頻率變化的，在某個頻率點，阻抗才會達到*大。在選型時，應該查看其頻率電感特性曲線。
電感量越大，其諧振頻率越低。也就是說，其分布電容諧振在這個頻率點對交流的直通作用，抵消了電感的阻抗。
如果我們還要對抑制頻率進一步提高，那么我們*后選用的電感線圈就只好是它的*小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍，因此，磁珠比單圈電感線圈的工作頻率更高。
磁珠
磁珠是鐵氧體材料，高頻流過時，由于高感抗，轉化成熱能，低頻信號可以經過。與普通電感相比，具有更好的高頻抑制效果。
磁珠廣泛應用在電源、信號線路上，可以抑制靜電脈沖等。磁珠的單位是歐姆，可以在datasheet上查看頻率阻抗特性曲線圖，比如100MHz的頻率下，阻抗位1000歐姆，通常選用600歐姆阻抗以上的。另外，需要降額80%使用，另外，用在電源線路上，應考慮直流阻抗產生的壓降。
一般磁環(huán)居里溫度110℃，達到這一溫度以后立刻失去磁性，有如空氣介質一般；恢復室溫以后，磁性能發(fā)生了長久性改變，磁導率降低了10%。所以，在大功率電路中應用時，應該考慮這種可能出現(xiàn)的溫度環(huán)境，放置器件失效。
濾波電容
濾波電容在高頻應用時，應考慮其諧振（同物理意義上的共振）。對于高頻噪聲提供一個旁路，流通到地。
普通陶瓷電容的電容量會隨著溫度的變化而變化，但穿心電容更接近理想電容，在數(shù)百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心電容怕高溫和溫度沖擊，所以在焊接時，容易造成損壞。另外，穿心電容是三端電容：入、出、地。
5、EMC設計如何在設計過程的各階段開展？
電路設計（包括器件選型）、軟件設計、線路板設計、屏蔽結構、信號線電源線濾波、電路接地方式。
Tips：電磁兼容領域，要描述的幅度和頻率范圍都很寬，在圖形上用對數(shù)坐標更容易表示，而 dB 就是用對數(shù)表示。
對于功率，dB=10log()，對于電壓和電流，dB=20log()。
例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB 減法：10dB-5dB，實際就是兩個數(shù)值的相除，例如信噪比。
如何設計好EMC:
設計人員的水平
公司EMC設計規(guī)范
公司EMC負責人
在設計前期解決EMC問題
系統(tǒng)流程法(System Flow Method)
系統(tǒng)流程法，即主要在研發(fā)流程中融入 EMC 設計理念，在產品設計的各個階段進行 EMC 設計控制，把可能出現(xiàn)的 EMC 問題在研發(fā)前期進行考慮；設計過程中主要
從產品的電路（原理圖、PCB 設計），結構與電纜，電源模塊，接地等方面系統(tǒng)考慮 EMC 問題，針對可能出現(xiàn) EMC 問題進行前期充分考慮，從而確保產品樣品出來后能夠一次性通過測試與認證！
產品總體方案設計
產品詳細方案設計
產品原理圖設計
產品PCB設計
產品結構設計
產品初樣試裝
產品EMC摸底驗證
產品認證
設計Tips
1、設計階段進行EMC設計，成本和效果是*好的。
2、高頻電流環(huán)路面積越大，EMI越嚴重。高頻信號電流流經電感*小路徑。當頻率較高時，一般走線電抗大于電阻，連線對高頻信號就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環(huán)路產生的，*惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。
3、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的*重要途徑之二，就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。
經常聽到某些產品需要各種各樣的認證，或者在產品標簽上看到各種認證的標簽貼紙。例如，中國強制性的3C認證，另有美國的UL、歐洲CE等。這些認證既需要對產品的功能、性能參數(shù)進行測試，也需要對安規(guī)和EMC進行測試。本文將講解安規(guī)和EMC的測試內容，使工程師在設計時，能夠有目的地設計。一個產品的安規(guī)和EMC問題，不僅僅是PCB工程師的職責，也是結構工程師的職責(輻射發(fā)射、輻射抗擾度、靜電）。安規(guī)和EMC是一項系統(tǒng)工程，不能僅靠在測試中整改，而應貫穿需求分析、原理圖設計、PCB設計、結構設計之中。
何為安規(guī)、EMC
安規(guī)主要是對產品**性方面的測試和要求，例如阻燃性、絕緣性、漏電、防塵防水等。
EMC（Electromagnetic Compatibility）電磁兼容性，指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）電磁干擾+EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾。如果是非高頻和射頻設備，EMC主要是電源方面的EMI（輻射 和傳導）問題。
設計前的準備
《產品需求說明書》：明確產品的功能、性能參數(shù)、安規(guī)標準和EMC標準。
安規(guī)標準文件
EMC標準文件
1、EMC的基本測試項目
上面是EMC的所有項目：
1.輻射RE(Radiated Emission）:測試場地要求比較高，一般使用EMC暗室代替開闊場地測量。EMC暗室只有地面為反射面，其他面都安裝吸波材料，測試時，人員等不在暗室內，防止有干擾。輻射測量的信號在30MHz-1GHz。注意頻率，在150KHz～30MHz的干擾信號主要通過傳導泄漏，輻射量比較小（原因是信號波長有關）。
2.傳導CE（Conducted Emission）：傳導測量信號頻率在150KHz-30MHz。試驗前，接好所有線纜（電源、通信、IO等），待設備工作正常穩(wěn)定后，測試線纜上的傳導騷擾。
3.諧波（Harmonics）：設備工作時，向電網中傳輸?shù)碾娫锤叽沃C波的強度。難點
4.電源閃爍（Flickers）：
5.靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放電和間接放電。直接放電時對產品直接打靜電，模擬的是人體和其他帶電設備對產品進行放電時的情況。直接放電分為：接觸放電、空氣放電。產品外殼是金屬部分的，需要放電槍直接接觸金屬部位，塑料外殼需要空氣放電。間接放電比較有意思，把設備放在水平耦合板和垂直耦合板間，放電槍在耦合板上接觸放電，這樣在耦合板上就會形成電場，對設備進行干擾。
6.輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天線對設備進行輻射發(fā)射，測試。
7.電快速瞬變脈沖群EFT/B：設備附近或者設備所處的電網中，有感性負載切斷時，產生的脈沖。使用耦合板耦合在通訊和電源線上，脈沖群的能量會耦合到線纜上，產生電荷積累，對于沒有大地的設備（浮地系統(tǒng)），積累到一定程度，會導致數(shù)字邏輯電平錯亂、設備損壞等。
8.浪涌試驗（Surge）：對電源和信號都需要做浪涌測試。浪涌的能量遠大于脈沖群和靜電。干擾頻率寬度比較窄。一般使用壓敏電阻和保險電阻抑制。
9.傳導騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）：
10.工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工頻磁場（例如大型變壓設備）下對設備的影響，主要影響設備中的一些磁性設備，如線圈、霍爾器件。
11.電壓跌落/短時中斷DIP/interruptions：指設備所在的電網中突然接入大功率設備，導致電網電壓變低對設備的影響。IEEE中定義，電網電壓跌落10%~90%，持續(xù)10ms-1min后恢復正常。電網短路一般跌落幅度30%，輸電線在絕緣子處發(fā)生閃爍，或對地放電，一般跌落幅度60%。跌落、短時中斷都會導致繼電器復位、通訊錯亂、不顯示、設備復位等，需要添加大電容進行儲能，扛過中斷和跌落。
2、產品對EMC的標準要求？
中國強制3C認證，美國的UL、歐洲CE等。標準中對不同類型的產品有不同的等級，例如靜電有6kV、8kV、12kV、15kV等級別，按照具體需求進行EMC試驗。
3、產品EMC整改的思路？
要分析上述11中測試中，如何進行設計，才能提出如何整改。
輻射RE(Radiated Emission）
根源：EMI是高頻電流回路形成。走線長度大于波長的1/20，就會成為天線。
測試：在內部可以先對設備進行測試，使用頻譜儀，在設備開機和關機時各測試一次，結果相減，去除環(huán)境噪聲的影響。在設備內部，使用近場探頭，追蹤定位EMI的源。另外，瞬態(tài)EMI可能不好測試，但可能會引起復位、死機、通訊錯誤等。
消除：傳播路徑、源頭方面考慮。
源頭：層疊設計、地平面的完整（布局、走線）、電源濾波、布線（阻抗連續(xù)）、提高頻信號上升沿和下降沿的時間。
傳導CE（Conducted Emission）
諧波（Harmonics）
電源閃爍（Flickers）
靜電放電ESD（Electrostatic Discharge）：
輻射抗干擾RS（Radiated Susceptibility）
電快速瞬變脈沖群EFT/B：
浪涌試驗（Surge）：
傳導騷擾抗擾度CS（Conducted Susceptibility）
工頻磁場試驗PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：
電壓跌落
4、產品整改時常用元器件的使用？
共模電感
共模電感用于抑制共模干擾（指在兩根信號線上產生的幅度相等，相位相同的噪聲）。注意，下圖中的繞線方向。
當共模干擾從左向右經過時，根據右手螺旋法則，可以知道上面的線，產生的磁場是繞著鐵氧體順時針，下面的線，一樣。這樣，兩個線圈就會產生比較大的感抗，阻礙共模干擾信號的流出。
當正常信號經過時，例如電流，上面的線是電源正，下面的線是電源負，上面的線電流從左到右走，下面的線從右到左走。這樣，兩個線圈會產生方向相反的磁場，并抵消掉。所以，電感主要表現(xiàn)出阻抗。
共模電感在選用時，應考慮
瞬時大電流經過時，磁芯會不會飽和，要選用電流合適的共模電感。
高電壓經過時，漆包線的絕緣漆會不會被擊穿。漆包線的耐壓應該要測試，不能全信供應商。
線圈要盡可能單層，減小線圈的寄生電容。
共模電感的抑制頻率。主要根據使用環(huán)境中的共模干擾頻率決定。
由于繞線不能完全封閉，會產生部分差模電感，有時需要人為增加此部分差模電感，抑制差模干擾。
電感
電感可以抑制高頻信號，其等效電路如下：
電感量越大，其分布電容也越大，導致其對高頻信號的抑制作用降低，所以，電感的電感量是隨著信號的頻率變化的，在某個頻率點，阻抗才會達到*大。在選型時，應該查看其頻率電感特性曲線。
電感量越大，其諧振頻率越低。也就是說，其分布電容諧振在這個頻率點對交流的直通作用，抵消了電感的阻抗。
如果我們還要對抑制頻率進一步提高，那么我們*后選用的電感線圈就只好是它的*小極限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心電感，就是一個匝數(shù)小于1圈的電感線圈。但穿心電感比單圈電感線圈的分布電容小好幾倍到幾十倍，因此，磁珠比單圈電感線圈的工作頻率更高。
磁珠
磁珠是鐵氧體材料，高頻流過時，由于高感抗，轉化成熱能，低頻信號可以經過。與普通電感相比，具有更好的高頻抑制效果。
磁珠廣泛應用在電源、信號線路上，可以抑制靜電脈沖等。磁珠的單位是歐姆，可以在datasheet上查看頻率阻抗特性曲線圖，比如100MHz的頻率下，阻抗位1000歐姆，通常選用600歐姆阻抗以上的。另外，需要降額80%使用，另外，用在電源線路上，應考慮直流阻抗產生的壓降。
一般磁環(huán)居里溫度110℃，達到這一溫度以后立刻失去磁性，有如空氣介質一般；恢復室溫以后，磁性能發(fā)生了長久性改變，磁導率降低了10%。所以，在大功率電路中應用時，應該考慮這種可能出現(xiàn)的溫度環(huán)境，放置器件失效。
濾波電容
濾波電容在高頻應用時，應考慮其諧振（同物理意義上的共振）。對于高頻噪聲提供一個旁路，流通到地。
普通陶瓷電容的電容量會隨著溫度的變化而變化，但穿心電容更接近理想電容，在數(shù)百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心電容怕高溫和溫度沖擊，所以在焊接時，容易造成損壞。另外，穿心電容是三端電容：入、出、地。
5、EMC設計如何在設計過程的各階段開展？
電路設計（包括器件選型）、軟件設計、線路板設計、屏蔽結構、信號線電源線濾波、電路接地方式。
Tips：電磁兼容領域，要描述的幅度和頻率范圍都很寬，在圖形上用對數(shù)坐標更容易表示，而 dB 就是用對數(shù)表示。
對于功率，dB=10log()，對于電壓和電流，dB=20log()。
例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB 減法：10dB-5dB，實際就是兩個數(shù)值的相除，例如信噪比。
如何設計好EMC:
設計人員的水平
公司EMC設計規(guī)范
公司EMC負責人
在設計前期解決EMC問題
系統(tǒng)流程法(System Flow Method)
系統(tǒng)流程法，即主要在研發(fā)流程中融入 EMC 設計理念，在產品設計的各個階段進行 EMC 設計控制，把可能出現(xiàn)的 EMC 問題在研發(fā)前期進行考慮；設計過程中主要
從產品的電路（原理圖、PCB 設計），結構與電纜，電源模塊，接地等方面系統(tǒng)考慮 EMC 問題，針對可能出現(xiàn) EMC 問題進行前期充分考慮，從而確保產品樣品出來后能夠一次性通過測試與認證！
產品總體方案設計
產品詳細方案設計
產品原理圖設計
產品PCB設計
產品結構設計
產品初樣試裝
產品EMC摸底驗證
產品認證
設計Tips
1、設計階段進行EMC設計，成本和效果是*好的。
2、高頻電流環(huán)路面積越大，EMI越嚴重。高頻信號電流流經電感*小路徑。當頻率較高時，一般走線電抗大于電阻，連線對高頻信號就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環(huán)路產生的，*惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。
3、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的*重要途徑之二，就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。
