电磁兼容的设计方法介绍1-2(DOC 15).doc

电磁兼容的设计方法介绍(12)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EMC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100MHz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Core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用这个方法利用理论的计算找出噪声频率的相对应线长。 整个噪声的产生如果没有天线存在的话噪声就不会辐射既然它存在我们就可以把它找出来怎幺找呢一个就是用理论计算另外一个方法是实际用仪器测量。 用理论计算的方法在一开始时不会考虑 这样做大部分会先用仪器测量的方法来找出问题不过只要把EMI原理了解清楚对于一般的噪声问题应该都能够修改下来整个重点说明如下既然噪声是辐射在某一定的频率就一定有一支天线相对应只是不容易找到而已电磁干扰修改的工作就是找出这支天线降低它的天线效应或是把它隔离以使得噪声能符合相关的法令要求。五I/O Cable的天线效应 在了解产生辐射的条件后接下来就是要知道产品有哪些地方会造成天线效应对一般摆在桌上大小的产品I/O电缆（Cable）正好就是一个天线前面有提到有辐射就会有天线因此I/O电缆是最重要最有效的辐射机制。 在对策时很多时候只要把周边电缆拿掉噪声就是见或是降低电缆一加上则噪声就出现所以我们要先针对这条电缆线来处理而不是先去修改产品内部主板（Mainboard)的时脉震荡。 就噪声的来源分析是由时脉（Clock）造成所以是一支支的高频谐波可是这些讯号存在电路板上并不代表这些讯号就会辐射到空中这是一般人容易忽略的一个重要观念虽然辐射的来源是时脉（Clock)但是把这些能量转成电磁波辐射到空中则就是从I/O电缆的贡献。 所以我们要先去修改I/O电缆而不要去改时脉（Clock),当然所谓I/O电缆不只是产品对外的连接周边线在产品内部的相互连接线都要把当成I/O电缆来处理这也是一般人容易忽略的地方。 EMI只要把电缆线的问题解决了大部分的产品都会符合规格要求在我们处理的经验中只看过一两件产品所有周边电缆线拿掉产品本身主板（Mainboard)上的噪声还是无法符合规格的要求通常如果遇到这种情形往往要重新布局（Layout)才有可能修改通过否则就算在所有的电缆线加了一堆陶铁环（Core）还是没有用。 I/O电缆的问题是很容易确认如何确认呢只要把I/O电缆取下就可以知道在EMI修改上有时会有很多不同的争论与看法这些都要靠实验来证明自已的看法而不是只凭经验判断。也就是说在EMI修改上有时有很多种的判断有的人说要改这边有的人说要改那边其实这些都可以很快的用实验证明例如如果认为是这颗IC组件造成的噪声那可以把这颗IC组件拔掉然后看噪声还在不在有时往往改了老半天一直以为是这颗IC但是IC拿掉后结果噪声还是存在。 我们用仪器去测量模拟区的噪声发现噪声很高也就是模拟接地（Analog Ground）的噪声很高基本上就很难改下来因为电路板上接地区的噪声会透过电缆周边线而辐射出来我们在模拟组件上一直找对策后来发现怎样都改不下来最后怎幺办 这中间换了很多不同厂牌的Analog IC组件也在IC上加了很多对策组件但是噪声一直未能获得有效的改善。 只好将一颗一颗的Analog IC拿掉最后整个所有的模拟组件都拿光了也就是没有一个模拟组件在电路板上然后接上电源用探棒（Probe)去测量结果噪声还是一样高也就是原先在模拟接地（Analog Ground）的噪声还是一样的大。 那幺模拟接地的噪声怎幺来的明明没有任何一个模拟组件在电路板上但是却还是有噪声存在。经过细部的追踪后发现这个噪声是从数字区过来的也就是由ASIC上产生然后透过走线伟到模拟区可是在先前却是误判了。 这是因为依照以往的经验模拟（Analog)噪声通常都是宽频（Broadband)而这边的接地噪声却正好就是宽频的型态所以一直会以为就是模拟的问题不过它是从数字区就是ASIC上过来的有些令人想象不到。 但是无论如何我们都能用实验来逐一找出问题因此对于I/O电缆也是一样通常把周边线移去时共模噪声往往会降低10dB以上修改机器时常常会应用这个方法。六共模（Common Mode)与异模（Differential Mode) 对于共模和异模这两个名词EMI的理论都会看到大部分的书本里都有介绍的很详细但是很多人却看的很模糊这关键就是在为什幺要了解共模和异模又为什幺要分成这两种噪声的来源在第三节造成EMI基本的原因中有大概提供了共模跟异模的说明在本节中除了还是要把共模跟异模的分别作一些简单的图解外还会针对实际对策时如何藉由共模跟异模的噪声现象来思考一些对策的方法跟原则这一点往往在般书上被忽略。 在此我们以PC产品来说明PC的主机板（Mainboard)连到周边以后经过I/O Port连到周边线上我们把它转成一个简单的示意图如下 从图上可以看到有两个电压存在一个是Vdiff异模电压就是信号（Singal)在线路上所产生也就是一般习惯讲的时脉（Clock),另外一个就是靠近接地端的共模电压Vcm,这里面就是许多高频谐波的成分存在。 为了更能分清楚这两种信号的差异和特性我们把这两种信号分成两个图来表示 在图中的电流由信号源中从正端走过一圈后回到负端这个信号本身是一个异模（Differential)的信号因为是走单方向所以称为异模通常就是产品本身设计所需要的信号也就是时脉（Clock)信号因此这些电流一定要回到信号源的负端这样才能正常的工作。 所以异模信号相对于负载一定是走相反的两个方向而形成一个回路（Loop)至于辐射到空中的量就比较大。 从这边可以思考到如何降低异模噪声的辐射也就是把走线所绕的面积减小如此噪声所辐射的能量就会减小至于减小的方法一般有两种一个就是在一开始布局（Layout）时就尽量避免使得走线绕出太大的面积当然这是理想的情况往往实际布局（Layout）时并不是都能做到。 另外一个方法就是加上适当的去耦合电容利用电容本身的特性可以使高频的电流流过如此高频电流就不会流过较大的面积而经由去耦合电容走较小的而积这样相对辐射也会减低。图七中则是一个共模信号的说明信号在走线上跑除了一定会回到信号源的负端外还会流向共通的接地端也就是所有的组件上的各种信号包括高频噪声都会回流到接地端上这些电流由于接地点的阻抗而会产生一个电压也就是共模Vcm电流以数学式子表示为Vcm=Icm x RG. RG在这边是代表接地阻抗的大小Icm则是所有产品上组件所产生的噪声电流流向接地的总和即是Icm,而在图七中的Antenna是什幺呢 通常就是外接的电缆线因为电缆线接地的关系Vcm就会经由接地间的连接而传导到电缆上而电缆的线长就正好是一个天线的效应。 所以为什幺会有Vcm的存在这很重要一定要懂这个道理才会修改机器因为有接地阻抗的存在所以才会有Vcm也就是当Icm流过去时遇到电阻此时就会产生电压。 图七中有一个Vcm,然后一个天线（Antenna),从另一个角度来看这就是标准的发射器也就是天线会把信号源辐射到空中所以EMI会辐射共模噪声为什幺会辐射就是这样出来。 在前面的文章中有提到为什幺有时候在电路板的接地（Ground）上不能加陶铁环（bead)从这个分析中很清楚的可以看到陶铁环（bead)会使得接地的阻抗(RG)变大自然Vcm也就会变大也就是说整个噪声就变大了。 图七虽然是一个很简单的图但是几乎所有对策的观念和方法就隐含在这图里面一旦噪声改不下来时就要去想问题在哪边在产品中哪边是Vcm电压哪边是天线只要把Vcm电压降下来或是缩短天线的长度就可获得适当的改善。 对信号来讲是依照六的线路走而产品设计中所不要的高频谐波（Harmonic),就变成如图七的走法。所有噪声的辐射（EMI）就是这样来而对电磁而受性（EMS）则是倒过来外界环境中的噪声从天线端接收到然后传导到产品的内部所以往往在处理EMS的对策是和处理EMI相同。 解释了这幺多或许有的人还是有些模糊所以我们再用一个简单的灯泡例子来说明在图八中是一个电池跟一个灯泡中间是由导线来连接。以上图来说电流的路径就相当于一般所谓的异模它沿着一定的路径走也就是沿着导线走因此灯泡才能发光而热流的路径就相当于一般所谓的共模其并没有一定的路径但是会分布在整个线路和基座上都存在也就是对电流而言只会存在导线中不会存在灯泡的基座上 但是热流则会存在灯泡的基座和导线上。 热流怎幺来的呢就是灯泡发光后所产生而造成这一点和实际电子产品的运 作很像能使IC工作的是时脉信号这就像是灯泡发亮的电流路径而整个热流就像是电子产品中的共模噪声伴随时脉信号而产生。 所以在对策时异模噪声的问题往往很容易处理只要找出噪声是哪一条线很快就能获得改善一般可以用去耦合电容使其回路减小即可若因为产品功能问题而不能使用电容则可以改用屏蔽线或是从理线或整线上去处理尽量使走线的面积变小并且避开一些高频能量强的组件。 但是在修改共模噪声时很多对策或设计（R&D)工程师会很迷惑有时把某处的接地改善后噪声却跑到别处去也就是噪声会在机器内跑来跑去把这边的噪声抑制下来但是别处的噪