电磁兼容的设计方法介绍(一)

电磁兼容的设计方法介绍电磁兼容的设计方法介绍(一一) 作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 4 更新时间：2006-11-13 一前言 关于电磁兼容的要求目前世界上大多的先进国家都已经有管制的法规并有相关的符合要求的单位若产品无法符合要求规定往往无法 销售到该地区的市场因此多数的电子产品在销售前都必须经过电磁兼容的测试若无法通过则需要经过适当的修改来符合相关的规定。 本文主要是说明在电子产品设计的阶段如何考虑避免电磁干扰的产生和增加产品耐干扰的程度从许多的经验得知若能在设计开始 的阶段就能适当的做好电磁兼容的防制往往可以节省事后大量的修改时间和金钱的尤其在现代产品汰换期非常短若不能快速的通过 EM C 的测试很容易影响到市场上的高机。 目前市面上介绍 EMI&EMC 相关的书籍也算是林林总总但是在实务运用上总是会感觉有一段的差距许多的读者虽然将一些经典的书 籍读的很彻底但是一面临实际产品无法符合 EMI 要求或开始作产品设计时都会有一种不知从何下手的感觉。 太多的重点反而没有重点太多的理论反而没有理论,所谓执简御繁 知其要者一言以终不知其要流散无穷,为使读者能有一清楚 的认识与实务上的充分掌握笔者参考 Isidor 于 1992 年在 Compliance Engineering 杂志所发个的 Designing for Compliance 文章以讲义的 方式作一详细的解说与应用的原则期使读者能真正深入的了解一些 EMI 的设计原理与方法。 该文虽然距今已有八年多的历史了在这八年的期间个人计算机从 286 的时代已经进步到现在迈入 GHz 的时代进步可以说非常的神速 但是我们回过头来看一些处理电磁兼容的基本原则与方法还是没有变的。能够掌握住这些基本的原则与方向往往才是处理电子产品噪声干 扰的最有效的啊具至于一些片段式的重点整理或括要有时反而会使得啊程人员在设计时有不知所从的感觉这也是本文要在一些简单的原 则上作较深入的探讨与分析的。 二电磁辐射的说明 电磁波的辐射是产品在做数字运算处理时一定会产生的通常来讲都是无法避免的因为从谐波的角度来看如果主波是 20MHz一定会 有相关的谐波出来我们如何去控制不要的信号（unwanted signals),一般主要有两个方法这两个方法也是我们目前最常用的。 第一个方法就是包覆抑制（containment),这个方法就像是用一个罐头包装也就是用屏蔽（shielding)的方式把它包装起来第二个方法就是 电路板的设计目前我们时常就是从这两个观念上去着手。 利用包覆抑制的对策技巧其好处就是不会影响到产品的功能（Function)因为你把它包起来根本不会动到电路板上的一些啊作的组件和信号 但是其缺点就是制造成本（cost）比较高而且可靠度可能比较会有问题因为可能会因为每次碰撞一下而影响到其接触的效果例如一般 最常见的笔记型计算机（notebook PC)可能会因为摔一下或重物压过噪声就会有很大的变化可能由可以符合到无法符合。 而电路板设计（PCB Design-in）的好处由于是在电路板 Layout 时就预先把间题考虑进去因此其对策的可靠度比较高而费用则因为是 事先的设计所以往往没有额外的费用产生当然在功能（Function)上有时比较可能会受到影响因为在抑制噪声时很可能同时降低产品的震 荡特性。 在实际测试对策时我们这两个的方法都会考虑进去一般在刚开始修改时一定会先考虑用包覆抑制的方法然后才考虑电路板上的干扰抑 制修改因为电路板通常已经固定了要再修改往往比较困难所以我们会从外壳上先处理也就是从屏蔽（Shielding)和接地（Grounding)的观 点来考量看它的接触与外壳或机座够不够好这个处理完我们才继续处理电路板的修改也就是说如果用屏蔽和接地的方法改不下来我们才 开始处理电路板的修改。 一般在市面上大多数电磁干扰的书籍都会比较喜欢介绍这个电路板设计的理论其实理虽然很重要不过在实际产品修改上包覆抑制反而是 最快的最有效的因为良好的屏蔽只要处理适当就能降低噪声 10dB 以上可以说效果最快但是电路板的处理变量则比较大也就是说就 算 Re-layout 也无法保证马上好可能要先花个五万元洗板子然后再焊上组件万一不好怎幺办 所以在对策处理的观念上一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟这个如果还没有熟练就先不要去处理电路板的修改因为整个修改的步 骤必须是按步就班的处理当然在本篇的文章中会先介绍电路板处理的这个观念这样可以做为基本的基楚可以帮助读者知道一些原理知 道一些问题的原因但是在实际对策上则是用屏蔽和接地的处理比较多。 所谓空穴不来风通常要记住这个观念会有发射（emission)的产生那一定会有来源（source),基本上我们应该叫做天线（Antenna),一定 要有天线才会有发射这就是空穴不来风所以本文中将会说明的是有那些辐射来源的存在这样我们知道这些来源以后就能够去控制它 而不是消灭它因为噪声没办法消灭整个能量是不灭的电磁干扰的抑制主要是经由良好的控制方法不使噪声能量辐射到空中或传导到电 源线上。 三造成 EMI 基本的原因 造成 EMI 噪声辐射大部分的原因一般来说就是共模（Common Mode),这就是大家常听到的共模的辐射由于高频电流的来回瞬时变化而 有磁生电电生磁的现象所以有了交流电的特性电场为什幺会跑向前跑这是因为磁场变化以后会产生一个电场电场随着时间变化以后 又会产生磁场这样交互交替就会造成一个会跑的电磁场。 所以说磁生电像是发电机就是用磁铁转动生电电生磁电磁铁也是一样它的电流只要是瞬时（transient)来回变化就会造成这样的情形 。 这些所产生的噪声会造成有意义潜在的射频（RF）干扰大部分会在电源供应器（Power Supply)的电路板上的走线（trace)因为走线上有 电感由于电感的效应使得导线直的电感会有射频电位的发生。 为什幺电源供应器这幺重要呢因为对所有的周边来讲以 PC 而言电源供应器有 5V 和 12V 的电压供给所有的组件使用所以系统里各 各组件上的噪声如果以电源供应器的角度来看所有的噪声都会回流来这边每一个都会经过电源线回来这就是共模（Common Mode). 什幺是共模呢各各不同的噪声都走同一个方向所以噪声全部都会回流到电源供应器上也就是所有主板（Mainboard)上的噪声都会回流 所以电源供应器变成一个噪声的集散区这就像是一个菜市场菜市场也就是一个共模水果蔬菜最后都集中到菜市场来卖电源供应器也 就是一个菜市场对所有的设备来讲它就是一个噪声集散地因此就有了共模的产生。 因为所有的噪声最后都会流到电源供应器上供应各个组件的电源噪声会沿着电压（Vcc)跟接地（Ground）回到电源供应器这个噪声我们就 叫共模噪声因为从电源供应的角度来看都是同方向。 关于一般数字产品的辐射机制为使读者能更清楚的了解以图标来说明如下 一般数字产品的简单的结构如图一中的说明产品的主机透过周边电缆线连接到周边上如果把其转成一个等效电路来看在电路部分就相 当于一个来源（source）,而 I/O Cable 就相当于一个天线。 图二即为将期转为等效电路的图来看从图中可以看出来源（source)可以分成两种的来源一个就是所谓的共模电压（Vcm),另一个就是异模 电压（V d/2),一般而言异模的电压大多是产品电路设计时所使用的信号电压而共模的电压则大多是信号高频的谐波噪声详细说明如下 异模信号（Differential Signals) 其特色为 （1）传送所要的信息 （2）不会造成干扰由于异模电流所产生的场强彼此方向相反且相互抵销。 共模信号（Common Signals) 其特色为 （1）是电缆辐射的主要来源。 （2）没有特别可用的目的。 （3）使得电缆成为一个单极的天线。 解决 EMI 的问题第一个要处理哪边通常首先我们要解决 EMI 的目标是电源供应器上的共模噪声因为所有噪声都会流到电源供应器上 也就是说我们在修改产品噪声的第一件事要看电源供应器的噪声是否很高因为很多人修改噪声的步骤很容易疏忽这边因为他们一看到噪声 很高他会分析产品中的 Clock 是 12MHz 或 24MHz然后开始改它这往往会浪费了很多的时间而且有时也影响了产品的特性功能。 很多噪声只要把电源供应器的接地（Ground)处理好这些噪声都会不见这看起来似乎很神奇有时可能无法相信它就是这样简单所以 一开始不要以为这个 12MHz24MHz 或 48MHz 的谐波噪声是从震荡器出来这个想法就 EMI 来说有时是错的而要先处理电源供应器的共模 噪声这个方向要先掌握。 在后继的文中会讨论到怎幺处理的原则就是说实际怎幺对策当然要先有一个观念观念不能错观念一错就很容易找不到问题而愈修 改愈不容易无将噪声抑制下来。 四产生辐射的条件 要让辐射很有效率的产生在某一个频率其条件是什幺 条件是必须要有一个天线而这天线的长度为何以 100MHz 的频率来看能够满足 100MHz 的适当长度是在 /2 是 1.5m,也就是说假 设产品噪声辐射主要都在 100MHz可能你的产品天线长度是 1.5m或是 /4 就是 0.75m这代个产品内可能有这个天线存在才会造成 100 MHz 的辐射。 假设你发现产品噪声是在 100MHz 的频率最高结果我们发现有一条连接线正好是 0.75m如果我们换一条比较长的线 1m这噪声会变怎 样呢此时原来最高噪声频率会降低但是其它旁边的频率噪声反而会升高这就是在实务测试上常常讲跷跷板整个的能量是不会变的但是 它反应出来的对应频率会随天线长度不一样而改变这点是 EMI 最重要的观念也就是修改 EMI 一定要了解这个原理。 这也是为什幺有时我们会发现在对策时用不同的电容舅 100p, 200p, 50p 也会有这个跷跷板效应因为电容改变的就是天线的长度加个 电容本来天线是 100 公分如果这边用 100p, 300p 则天线的等效长度就会不一样有时换不同的电容有的频率噪声变低但是有的频率噪声反 而升高为什幺换电容会有跷跷板的效应呢它的原理就是这边因为它是改变整条线的长度也就是电气上的等效长度。 从电气的等效长度来看我们加电感以及加陶铁环（Core）为什幺有效陶铁环的作用是个电感,L 和 C 在线上都会改变它的等效长度加陶 铁环为什幺能把噪声抑制下来也就是说它的天线变短了我们等于在线上加一个电感它真正作用就是在这边使得整个天线变短了。 所以如果不要加电容也不要加电感那要如何处理呢如果把它缩成 50 公分 噪声可能很快就降下来不用任何对策只要把线改短 50 公分如果在产品设计上能接受的话这就是一个最好的方法当然有时线太短不能符合产品功能的要求或是组装上有困难这时就要另外用 别的方法来处理例如用良好的屏蔽线取代。 在修改上有时就是把某些连接线长度降低整个噪声都会降下来不是只有某个频率也就是我们知道 EMI 的原理你来改它很快不知 道的话往往一直在 Clock 上处理改了老半天还是改不下来通常在一般书上讲的一些方法和理论如果设有印证过往往都是一个纯理论有 时无法用来作为实务对策的参考最好要实际去做做看。 例如某些扫描仪（Scanner)的产品因为他有一个弹簧管或排线连接到扫描仪上这一排的导线通常做的比较长这样比较好组装我们如果 缩短噪声会降多少降在哪边呢这些都可以尝试去做看看只要找出来这个噪声是哪个线辐相似的那幺要抑制这个噪声就不是很困难了。 怎幺找如何找出哪条线会辐射一般常用的方法可以用三个 Core 的方式来找如果你加三个 Core 在某条线上而噪声降低或消失再把 C ore 拿掉噪声又升高那幺就表示这条线就会辐射。 然后我们就可以算它的 /2 在哪边不管噪声的频率 100MHz200MHz或 300MHz 要先算其 /2 是多少假设产品噪声在 300MHz 不能 符合规格要求要找出原因可以把机器打开来看看有没有 75 公分长的线或者是 /4 亦即 40 公分长的线有时候处理一些问题我们要使