标准结构篇：4）EMC电磁兼容

本章目的：电磁兼容EMC概念，及预防控制手段。

1.前言：电磁兼容EMC概述

电磁兼容是一门新兴的综合性学科。电磁兼容学科主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。

有电子产品开发经验的朋友，都有过深刻而痛苦的体会，辛辛苦苦设计好所有产品工作，等到样机打样试机时，要么电磁辐射超标，要么旁边突然有人打个手机，设备莫名其妙的“挂”了，出现各种异常、宕机、严重的直接冒烟等。 

在全球市场化和国际贸易更加频繁的今天，如果电子产品EMC指标不符合国际和使用国家的相关标准，就被列入不合格产品，无法出售，更谈不上电子产品的价值。

2.电磁兼容EMC概念

电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）：是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并且并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

因此，EMC包括两个方面的要求：

一方面是指设备在正常运行过程中，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；

另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

所以引申出两种概念：

2.1 电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference)

EMI是指电磁骚扰导致电子设备相互影响，并引起不良后果的一种电磁现象。

2.2 电磁敏感性EMS（Electromagnetic Susceptibility)

EMS是指设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程度，即设备对周围电磁环境敏感程度的度量。电磁敏感意味着电磁环境已经造成设备性能的降低。

3.EMC结构设计目的

EMC结构设计的目的是为了保证产品在指定的测试规格条件下，正常工作并达到产品的可靠性目标，从而满足对产品EMI和EMS等限制性要求。

EMC设计目标是可靠性目标的一部份。

4.电磁干扰三要素

①电磁骚扰源：指产生电磁骚扰的元件、器件、设备或自然现象；

骚扰是一种电磁能量，干扰是骚扰产生的结果或后果。

② 耦合途径或称耦合通道：指把能量从骚扰源耦合到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介；

③ 敏感设备：指对电磁骚扰产生响应的设备。

所有的电磁干扰都是由上述三个因素的组合而产生的。把它们称为电磁干扰三要素。
如下图所示

由电磁骚扰源发出的电磁能量，经过某种耦合通道传输到敏感设备，导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果。这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。

电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即对电磁骚扰源、耦合通道和敏感设备的研究。

4.EMC设计流程

EMC结构在机械各个行业都有运用。依据产品的不同，其结构变动较大，所以就很难有固定的标准。但总体的设计轨迹还是有轨迹可寻的，其细节部分有很多对应的标准及文档资料可以找到。设计这种有轨迹可以遵守的特征，按照总章的流程设计即可。

1）设计要求的明确与分析；（针对事物的问题所在）

2）对症选用合适标准和文档资料；

3）照章办事；

4）专业化的表现；

5）特征优化：书面形式的上升空间；

6）平时的积累，为第二步做准备。

4.1 设计要求的明确与分析；（针对事物的问题所在）

机械也有很多的子行业，不同国家不同行业对EMC的要求是非常不一样的。如下图所示：

 

EMC设计必须满足需求规格书和测试的要求。

若有需求规格书，规格书中必定有对EMC的详细规定。如GM对EMC的规定：

Electromagnetic Compatibility (EMC) Performance:Shall conform to GMW309*, GMW309*, andGMW310*.

所以设计之前规格书的解读是非常重要的（虽然常常被从业者忽视）。

若是自行设计或没有规格书，需要根据国家行业要求收集相关的测试标准，所以产品注重质量的话会反而更加麻烦，但可以参考同行业有实力公司的规格书。

设计要求得到的方法具体做法详见：

①高阶篇：4.1）QFDI（客户需求转换为设计要求）

了解自身所处的行业环境，明确EMC设计要求，是做好设计的第一步。

4.2 对症选用合适标准和文档资料

EMC结构设计流程分两步：

4.2.1 选用合适结构的EMC设计

要使产品具有良好的电磁兼容性，需要专门考虑与电磁兼容相关的设计内容。

最常用也是最基本的电磁兼容控制技术是接地、布板、屏蔽、滤波。此外平衡技术、低电平技术等也是电磁兼容的重要控制技术。随着新工艺、新材料、新产品的出现，电磁兼容控制技术也得到不断的发展。

因为各行业对EMC的要求会有很大不同，所采用的主要手段也大不相同，如作者所见，车用电子产品采用金属屏蔽罩的就较少，而智能手机却有一堆。所以建议对比标杆产品，选用合适的EMC结构。这里切记自性心爆棚，随意跨行业选用EMC设计结构，有利有弊的。

理由详见：

①高阶篇：1）标杆产品的拆解和分析(benchmarking)

②高阶篇：4.3.3）DFMEA现有设计：预防控制与探测控制

 作者会在下面的一个小节中单独列举EMC的结构设计手段，作为参考运用。

4.2.2 选用此种EMC结构对应的标准

EMC结构设计严格标准是很少，作者所见的EMC文档资料多为参考性质。设计时需要具体精确到EMC结构的细节特征，并在此结构范围下再次细化标准的寻找，直到找到最小特征的标准为止。

如采用金属屏蔽罩结构，选用合适供应商之后，可参考供应商提供的标准，如：

4.3 照章办事

4.3.1 耐心解读标准

因为EMC结构的标准不完善，就算是好的供应商提供的标准也很难说是正确完美的，所以通读、理解、梳理这些不完善的标准很需要耐心和专业素养。

4.3.2 作图

材质，尺寸与公差，测试等要求，都是要在图纸上表现。规范的图纸是实力的体现。

4.3.3 计算书

EMC当然也是可以计算的，如下图所示。

但基本上以测试为准，实际测试和计算结果有时候会出入很大。

还有，某些EMC细节特征设计需要公差控制，所以对应公差分析的计算书是需要的。

4.4 专业化的表现

1）图纸

一个产品与PCB板相关的图纸可以说都是EMC结构的设计。

2）计算书；

①EMC辐射相关计算书：PCB、电缆等。（若真的需要）

②公差分析计算书

审计评审时请检查这两份东西。

4.5 特征优化：书面形式的上升空间

以书面形式表达EMC结构的优化设计方法，可以写在计算书中。
EMC结构的优化方向有：
1）EMC设计方法的更换：依据DFA原则，更少的零件能减少装配时间，增加可靠性。所以若能用布板的方式达到EMC控制的效果，就不需要采用金属屏蔽罩。其他如镁合金的金属外壳也可以考虑代替塑胶壳+导电布等。
2）零件结构的简化：如合理的布板能简化金属屏蔽罩的结构。

3）材料成本：如喷涂导电粉时是否一定要用银粉，是否能用铜粉，或用其他EMC设计手段替代等。

4.6 平时的积累，为第二步做准备。

因为没有能一步一步按部就班的设计标准，平时的积累就尤为重要了。

具体理由见对症设计总章节吧，这里就不阐述了。

5.EMC电磁兼容结构设计的方法

5.1 接地

接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外辐射干扰；反之错误的接地反而会引入严重的干扰，甚至使电子设备无法正常工作。

许多电磁干扰问题是由地线产生的，因为地线电位是整个电路工作的基准电位，如果地线设计不当，地线电位就不稳，就会导致电路故障。地线设计的目的是要保证地线电位尽量稳定，从而消除干扰现象。

5.1.1 接地的概念

电子设备中的“地”通常有两种含义：一种是“大地”，另一种是“系统基准地”。接地就是指在系统的某个选定点与某个电位基准间建立低阻的导电通路。

“接大地”就是以地球的电位作为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、线路选定点等通过接地线、接地极等组成的接地装置与大地相连接。

“系统基准地”是指信号回路的基准导体（电子设备通常以金属底座、机壳、屏蔽罩或粗铜线、铜带作为基准导体），并设该基准导体电位为相对零电位，

但不是大地零电位，简称为系统地。

接地的目的有两个：

一是为了安全，称为保护接地。电子设备的金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。

二是为电流返回其源提供低阻抗通道，称为工作接地。

5.1.2 接地的种类

实际上，各种地线都存在电气上或是物理上的联系，不一定有明确的划分。在地系统中，有时一个地既承担保护地，又承当防雷地的作用；或既承担工作地，又承当保护地的作用。而不同功能的地连接，针对的电气对象不同，其处理方式的侧重点还会有所差异。

1）保护接地

保护接地是为了保护设备、装置、电路及人身的安全，防止雷击、静电损坏设备，或在设备故障情况下，保护人身安全。因此在设备、装置、电路的底盘及金属机壳一定要采取保护接地。

保护地保护原理是：通过把带故障电压的设备外壳短路到大地或地线端，保护过程中产生的短路电流使熔丝或空气开关断开，从而达到保护设备和人员安全的作用。

2）工作接地

工作地是单板、母板或系统之间信号的等电位参考点或参考平面，它给信号回流提供了低阻抗通道。

信号质量很大程度上依赖于工作接地质量的好坏。由于受接地材料特性和其他技术因素的影响，接地导体的连接或搭接无论做的如何好，总有一定的阻抗，信号的回流会在工作地线上产生电压降，形成地纹波，对信号质量产生影响；信号越弱，信号频率越高，这种影响就越严重。尽管如此，在设计和施工中最大限度地降低工作接地导体的阻抗仍然是非常重要的。

5.2 布板

无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响，或者电路之间产生相互干扰，线路板都是问题的核心，因此设计好线路板对于保证设备的电磁兼容性具有重要的意义。

线路板设计的目的就是减小线路板上的电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性，减小线路板上电路之间的相互影响。

5.3 屏蔽

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。对于大部分设备的EMC设计而言，屏蔽都是必要的。

特别是随着电路工作的频率日益提高，单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。而且一般如果在结构设计时没有考虑电磁屏蔽的要求，很难将屏蔽效果加到产品上。所以，对于现代电子产品设计，必须从开始就考虑屏蔽的问题。

屏蔽有两个目的，一是限值内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。

5.3.1 主要屏蔽材料和方案

电磁波经过一种材料会产生如下图3种情况：反射、吸收和透过。

 

所以屏蔽材料必须拥有反射或吸收的特性。

目前主流的电磁屏蔽解决方案材料有：
不锈钢、铜箔、铝箔、导电涂料、电磁波吸收材料（铁氧体、镍粉、碳黑、羰基铁等）。

屏蔽是结构工程师对电子产品是一种非常实用的手段，特别是消费类电子产品，如手机，用的非常多，下面作者就举一些实例：

1）金属屏蔽罩

2）铜箔蔽
 

3）电磁屏蔽毡

4）电镀导电屏蔽层

5）喷涂电磁屏蔽涂料

 

6）镁合金外壳

镁合金是功能化与结构化相结合，既能实现电磁屏蔽功能，又能实现工程结构承重的带有“智能化”特性的屏蔽材料。但这种方法对电磁屏蔽作用存在一定的争议，暂时不要将其做主要方法。

5.3.2 屏蔽体上孔缝的影响

实际上，屏蔽体上面不可避免地存在各种缝隙、开孔以及进出电缆等各种缺陷，这些缺陷将对屏蔽体的屏蔽效能有急剧的劣化作用。理想屏蔽体在30MHz以上的屏蔽效能已经足够高，远远超过工程实际的需要。真正决定实际屏蔽体的屏蔽效能的因素是各种电气不连续缺陷，包括：缝隙、开孔、电缆穿透等。屏蔽体上面的缝隙十分常见，特别是目前机柜、插箱均是采用拼装方式，其缝隙十分多，如果处理不妥，缝隙将急剧劣化屏蔽体的屏蔽效能。

5.3.3 电缆的屏蔽设计

如果导体从屏蔽体中穿出去，将对屏蔽体的屏蔽效能产生显著的劣化作用。这种穿透比较典型的是电缆从屏蔽体中穿出。如图2-6所示。

电缆穿透的作用是将屏蔽体内外通过导线连通，等效于两个背靠背的天线，对屏蔽体的屏蔽有极大的影响。

为了避免电缆穿透对屏蔽体的影响，可以从几个方面采取措施：

1）采用屏蔽电缆时，屏蔽电缆在出屏蔽体时，采用夹线结构，保证电缆屏蔽层与屏蔽体之间可靠接地，提供足够低的接触阻抗。

2）采用屏蔽电缆时，用屏蔽连接器转接将信号接出屏蔽体，通过连接器保证电缆屏蔽层的可靠接地。

3）采用非屏蔽电缆时，采用滤波连接器转接，保证电缆与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

4）采用非屏蔽电缆时，电缆在屏蔽体的内侧（或者外侧）要足够短，使干扰信号不能有效地耦合出去，从而减小了电缆穿透的影响。

5）电源线通过电源滤波器出屏蔽体，保证电源线与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

5.4 滤波

对于任何设备而言，滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一。

//不同于屏蔽，滤波的手段更需要电控工程师使用。

因为设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线，因此，设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的，而外界干扰往往也是首先被导线接收到，然后串入设备的。滤波的目的就是消除导线上的这些干扰信号，防止电路中的干扰信号传到导线上，借助导线辐射，也防止导线接收到的干扰信号传入电路。

5.4.1 滤波电路的基本概念

滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈构成的频率选择性网络。为了减小电源和信号线缆对外辐射，接口电路和电源电路必须进行滤波设计。

滤波电路的效能取决于滤波电路两边的阻抗特性，在低阻抗电路中，简单的电感滤波电路可以得到40dB的衰减，而在高阻抗电路中，几乎没有作用；在高阻抗电路中，简单的电容滤波电路可以得到很好的滤波效果，在低阻抗电路中几乎不起作用。在滤波电路设计中，电容靠近高阻抗电路设计，电感靠近低阻抗电路设计。

电容器的插入损耗随频率的增加而增加，直到频率达到自谐振频率后，由于存在导线和电容器电极的电感在电路上与电容串联，于是插入损耗开始下降。

5.4.2 电源EMI滤波器

电源EMI滤波器是一种无源双向网络，它一端接电源，另一端接负载。在所关心的衰减频带的较高频段，可把电源EMI滤波器看作是“阻抗失配网络”。网络分析结果表明，滤波器阻抗两侧端口阻抗失配越大，对电磁干扰能量的衰减就越是有效。由于电源线侧的共模阻抗一般比较低，所以滤波器电源侧的阻抗一般比较高。为了得到较好的滤波效果，对低阻抗的电源侧，应配高输入阻抗的滤波器；对高输入阻抗的负载侧，则应配低输出阻抗的滤波器。

普通的电源滤波器对于数十兆以下的干扰信号有较好的滤波作用,在较高频段,由于电容的电感效应,其滤波性能将会下降。对于频率较高的干扰情况，要使用馈通式滤波器。该滤波器由于其结构特点，具有良好的滤波特性，其有效频段可以扩展到GHz，因此在无线产品中使用较多。

滤波器的使用，最重要的问题是接地问题。只有接地良好的滤波器才能发挥其滤波作用，否则是没有价值的。滤波器使用要注意以下问题：

1）滤波器放置在电源的入口位置；

2）馈通滤波器要放置在机箱（机柜）的金属壁上；

3）滤波器直接与机柜紧密连接，滤波器下面不能涂保护漆；

4）滤波器的输入输出引线不能并行，交叉。

6.后话

智能产品可以没有电机，但一定有PCB板，所以EMC结构设计是必备技能了。面试时被问起别忘了“地板屏滤”的口诀。