电磁兼容设计与测试(011)

1、电磁兼容培训主讲人：赵晓凡 2011-4 目 录2011-4 电磁兼容培训一、基本知识2011-4 电磁兼容培训定义：设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。含义：EMS (Electromagnetic Susceptbility) EMI (Electromagnetic Interference)EMC (Electromagnetic Compatibility)EMC = EMS + EMIEMCEMC的定义与含义的定义与含义其研究领域包括：其研究领域包括：2011-4 电磁兼容培训电磁兼容性2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训电磁兼容环境进一步恶化高频化

2、、高密度化 近年来，电子产品向高频化发展的趋势十分明显。如计算机的时钟频率已从30MHz提高到100MHz以上；移动通信从频道（900MHz）发展成双频道（900MHz、2000MHz）。信号频率越高，越容易产生辐射和耦合，而且越难以抑制和屏蔽，致使电磁干扰加剧。当今在空间传播的电磁波的频点之密、频谱之宽、空域之广、能量之高均是前所未有的，大大恶化了电磁环境。2011-4 电磁兼容培训高速数字化近年来数字电路发展非常迅猛，计算机、通信、音像、OA、控制、仪表等许多电子产品都采用数字电路。数字电路是常见的电磁干扰源，同时数字电路的抗电磁干扰能力较弱，在电磁干扰下有时会产生误动作，特别值得注意的是

3、，数字电路向高速发展，数字逻辑电路的频率达到50MHz以上；脉冲信号的上升/下降时间不超过信号周期的5，这样陡的快速跳变信号包含了更多的频率更高的高次谐波分量。这样，就更容易产生电磁干扰。2011-4 电磁兼容培训高密度组装回顾一下电子组装的历史，只有十多年时间，高密度组装的SMT电路已经遍及各个领域，密度更高的组装方式如MCM正在迅速成熟起来。这些高密度组装方式大大提高了电子元器件、IC、机电部件的堆积密度。例如，一部模拟手持机在175cm3的体积内组装了702个电子元器件和IC以及121个机电部件；一部数字手持机在120cm3的体积内组装了578个电子元器件，14块IC和16个机电部件。如

4、此密集的组装，使电子元器件间的距离大大缩小，引脚间距和布线间距已缩小到0.2mm，大大加剧了相互间的耦合，因而增加了抗电磁干扰的难度。2011-4 电磁兼容培训低电压化一些电子产品，特别是便携式电子产品，为了节省电源和缩小体积，要求IC及半导体有源器件的工作电压降低，向低电压方向发展。显然，电压降低之后，它们对瞬变电压、浪涌电压、静电放电等电磁干扰的抵抗能力明显下降，因而对电磁环境提出了更高的要求。甚至需要对IC、CMOS、MOSFET等器件采用抗电磁干扰元件加以保护。高功率化为了增大作用距离和提高性能，雷达、广播、通信等发射机、差转台、基站的发射功率与日俱增。对电磁环境的污染越来越严重。20

5、11-4 电磁兼容培训移动化趋势现在，电子产品移动化（随身带）浪潮席卷全球。通信、电脑、音像乃至网络均已移动化，而且数量庞大。这样庞大的移动化势态，使电磁干扰源（各种移动电子产品）可以在任何时间任何地点出现，大大加剧了电磁干扰的机会，恶化了电磁环境。最明显的例子莫过于机场指挥导航系统和飞机电子控制系统受到移动通信系统（基站和手持机）的严重干扰而使机场关闭、航班停飞。又据报载，某游乐园受到游客携带的电子产品的干扰致使控制系统失灵而发生事故，使十人伤亡。可见移动化加剧了电磁干扰的危害。2011-4 机电产品数字化控制电工产品、机电产品向多功能化、数字化、智能化发展过去，电工机电产品属于强电范围，与

6、弱电关系不多，而现代化的电工机电产品都大量地使用了先进的电子技术，甚至可以说没有芯片的产品就没有市场，这也是增加电磁兼容紧迫性的原因之一。电磁兼容培训干扰源受感器耦合通道EMC三要素：三要素：抑制措施：抑制措施：抑源抑源切断切断减敏减敏传导性耦合辐射性耦合EMC评定指标评定指标：CS、CERS、REEMCEMC三要素及抑制方法三要素及抑制方法2011-4 电磁兼容培训干扰源2011-4 电磁兼容培训电机类设备（雨刷电机）该类型设备均为宽带、长时型设备，属于能够增强或帮助驾驶员驾驶或控制车辆功能的设备，使用频率较高，较为重要。2011-4 电磁兼容培训雨刷电机测试状态：钥匙门处于ON 档位置，雨

7、刷电机高速动作，其它设备断开；测试结果曲线：空调暖风电机测试状态：钥匙门处于ON 档位置，空调暖风电机开启，其它设备断开；测试结果曲线：2011-4 电磁兼容培训发动状态下的 ECU测试状态：车辆发动状态下，ECU 处于正常工作状态。测试结果曲线：2011-4 电磁兼容培训敏 感 源2011-4 电磁兼容培训耦合路径2011-4 电磁兼容培训耦合路径2011-4 电磁兼容培训陆军常用陆军常用EMCEMC标准标准 CE102 CE102 电源线传导发射电源线传导发射RE102 RE102 电场辐射发射电场辐射发射RS103 电场辐射敏感度CS101 电源线传导敏感度CS106 电源线尖峰传导敏感

8、度CS114 电缆束注入传导敏感度CS115 电缆束脉冲激励传导敏感度CS116 电缆和电源线阻尼正旋瞬变传导敏感度2011-4 电磁兼容培训 标准与规范 电磁兼容标准和规范是涉及电磁兼容问题并具有一定法律效力的文件，其主要研究内容有：电气电子系统或设备的电磁干扰、敏感度、电磁兼容测量技术，电子产品辐射的安全性，频段分配与指定等。 标准是一个一般性导则，由它可以导出各种规范； 而规范则是一个包含详细数据的、必须按照合同遵守的文件。 2011-4 电磁兼容培训电磁兼容测量的基本特点电磁兼容测量是一项综合活动，包含以下几方面的内容。试验（Experiment）是指根据一定的目的，运用必要的手段，在

9、人为控制条件下观察事物本质和规律的一种实践活动。测试（Test）则更多关心的是某一参数的变化或响应；测量（Measurement）是用一定的仪器或工具测定某一参数或指标。2011-4 电磁兼容培训电磁兼容三要素与标准的关系电磁干扰源电磁干扰敏感源电磁干扰传播路径标准中的干扰发射限制标准中的敏感限值解决三者之一都可以解决电磁兼容问题内部重点设计2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训二、产品设计与电磁兼容设计电磁兼容设计目的2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训目前设计阶段现状 目前阶段，设计人员已经有了一定EMC的技术，在产品功能设计的同时，考虑EMC问题，如产品设计

10、时会考虑滤波，屏蔽，接地等。设计人员通过短期的培训以掌握EMC设计的基本方法，因此能从设计的早期阶段就考虑一定的EMC设计策，这对仅通过整改的方法来解决所有的EMC问题已经有了很大的进步，但是，处于这个阶段的EMC设计，也有很多局限性.具体表现在两个方面：2011-4 电磁兼容培训a. 参与EMC设计人员掌握了一些EMC设计原理和理论知识，如，懂得如何设计滤波器、如何设计屏蔽，如何进行PCB布线，如何防止串扰等等，但是他们往往缺乏结合产品系统的特点，从产品系统结构构架上来考虑EMC问题。b.设计太理论化，而且各个部分的设计相对分散。如，选择各个EMC性能非常好的模块组合在一起不一定是一个EMC

11、性能很好的系统。2011-4 电磁兼容培训产品设计与电磁兼容设计所有的电子产品都要进行电磁兼容设计；产品的电磁兼容性是设计出来的；要早期进行电磁兼容设计；事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制，可惜大多数人均未能体会到这一点，等到错误的决策造成了重大的损失才寻求弥补。电磁兼容设计是有难度和技术的；EMC领域可以用这样一句话来形容:“每一件事情都不在计划之列，这就是为什么EMC领域被看作是一门“黑箱艺术”。2011-4 电磁兼容培训 没有从一开始真正进行系统电磁兼容设计；“总体拥有成本”，而不是仅在满足最低要求的情况下简单地选择控制措施，这一点很重要； 靠解决“跑、冒、堵、漏”修补的办法解决

12、电磁兼容问题，工艺难以控制，代价非常高 。 2011-4 电磁兼容培训电磁兼容科学设计方法-系统流程法(System Flow Method)系统流程法，即主要在研发流程中融入EMC设计理念，在产品设计的各个阶段进行EMC设计控制，把可能出现的EMC问题在研发前期进行考虑；设计过程中主要从产品的电路（原理图、PCB设计），结构与电缆，电源模块，接地等方面系统考虑EMC问题，针对可能出现EMC问题进行前期充分考虑,从而确保产品样品出来后能够一次性通过测试！ 2011-4 电磁兼容培训产品设计历程 一个产品的设计主要经历总体方案设计、详细设计、原理图设计、PCB设计、产品结构试装、联调测试、定型试

13、验几个阶段。目前多数研制单位在前期设计阶段没有系统考虑EMC方面问题，往往是在在产品样机出来再进行EMC摸底测试，如果这时测试通过，则是比较幸运的。但是，大多数情况下是不能测试通过的,这时出了问题进行整改并需要对产品重新设计,常常会要进行较大改动。 这个阶段产品电磁兼容出现问题原因比较多，如果是因为屏蔽问题往往会涉及结构模具改动，如果因为接口滤波问题就会对产品原理图进行改动，同时导致PCB的重新设计，还有可能会因为系统接地问题，那就会对整个产品系统重新做调整，重新设计。既浪费时间又浪费经费。（产品研制有教训）电磁兼容设计主要内容电磁兼容设计主要内容2011-4 电磁兼容培训电磁兼容设计主要内容

14、电磁兼容设计主要内容2011-4 电磁兼容培训CAN通讯接口2.5VC5044.7nFX1-6B_D_CANH6X1-17B_D_CANH17X1-16B_D_CANL16X1-5B_D_CANL50603R10030RGNDVCCC505L5011342GND1206R40760R1206R40860R0805R2141.5KVCCC50647pF1206R2151.5kC50747pFGNDGNDCAN收发器GNDGNDD502MMBZ27VCLT1G132D503MMBZ27VCLT1G132 L501共模电感，抑制共模干扰；C506、C507 总线负载匹配电容，能提高电磁抗干扰能力；D

15、503、D502 TVS管作为ESD和总线过压保护；R408、R407、R214、R215、C504组成Bus Termination，改善总线信号质量和变化率，提高总线EMC能力 。电机驱动接口SMX1-33O_P_M1B-33X1-23O_P_M1B+23X1-24O_P_M1A-24X1-32O_P_M1A+32C8131.5nFC8121.5nFC8141.5nFGNDGNDC8151.5nFGNDGNDX1-34G_G_ShiedGND34步进电机驱动 硬件：C808、C809、C810、C811用来抑制共模干扰；电机驱动线加屏蔽。 软件：1、Step Modes（步进）；2、Sle

16、w rate（回转速率）；3、Decay Modes（衰变）ESD设计Layout电磁兼容设计1、所有芯片的VCC网络在入口处加去耦电容，以最小回路，最小阻抗回芯片地；2、MCU所有输入端口加去耦电容，以最小回路，最小阻抗回MCU地；3、相互之间有信号传输的芯片，地回路完整且阻抗最小；4、振荡器采用单独地平面，并单点和MCU的振荡器地连接；5、关键信号如Reset，SPI总线，CAN总线，电机驱动线等都绑地且走线尽量短；电子产品电磁兼容性设计四个关键要素2011-4 电磁兼容培训详细方案设计阶段2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训产品原理图设计阶段 在产品原理图设计阶段主要对产

17、品内部的主芯片的滤波电路设计,晶振电源管脚的滤波电路,时钟驱动芯片的滤波电路设计,电源输入插座的滤波电路设计,对外信号接口的滤波电路设计,以及滤波和防护元器件选型,单板功能地和保护地属性的划分,单板螺丝孔的属性定义等提出详细的方案，确保滤波、接地的EMC手段在此阶段进行实施。 电磁兼容设计评审整理项目设计报告进行评估，确定使用电源类型，电源分布情况，电源隔离滤波方式，系统接地方式，产品屏蔽，产品结构采用屏蔽设计，采用屏蔽机箱机壳，分析信号类型，根据要求对雷电、静电、脉冲等各种干扰采取的防护措施。项目组结合评审报告对概要设计进行修改后，进入产品详细设计阶段，这阶段的内容包括原理图设计、PCB设计

18、、PCB采购及焊接、软件编写、功能调试等过程，原理图设计应考虑到电磁兼容方面的影响，对板级电源增加滤波电容，对信号的接口部分增加滤波电路，根据信号类型，选择合适的滤波电路，若信号为低频型号，应选择低通滤波电路，计算合适的截至频率，选择对应的电阻、电容等。另对接口部分设计大电流泄放回路，设置防雷器件，做到第三级的防雷。2011-4 电磁兼容培训相关的EMC重要信息时钟种类和频率时钟种类和频率电源的开关频率电磁兼容测试等级产品如何接地电缆类型和数量是数字电路模拟电路两者混合电平各是多少是否存在隔离地的分类2011-4 电磁兼容培训产品PCB设计阶段 在产品PCB设计阶段，主要考虑对EMC影响巨大的

19、层叠结构设计、关键元器件的布局考虑以及高速数字信号布线。层叠结构设计主要考虑高速信号与电源平面的回流。布局阶段特别要考虑PCB上面的关键芯片器件摆放,如晶振位置,数字模拟电路设置,接口防护滤波电路的摆放,高频滤波电容等摆放,PCB的接地螺钉个数和位置设置,连接器的接地管脚设置,地平面和电源平面的详细分割等。在布线阶段将重点考虑高速不跨分割，关键敏感信号的走线保护,减小串绕等。 曾经有一款产品由于晶振布局位置不当，靠近接口电缆导致电磁兼容辐射发射项目测试超标，就是因为在PCB布局阶段没有考虑好晶振这样关键器件的布局！2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训产品结构设计阶段 在产品结构

20、方案设计阶段,主要针对产品需要满足EMC法规标准,对产品采用什么屏蔽设计方案、选择什么屏蔽材料,以及结构的可实现性提出设计方案,另外对屏蔽体之间的搭接设计,缝隙设计考虑，同时重点考虑接口连接器与结构件的配合。 2011-4 电磁兼容培训产品初样调试阶段 在产品初样试装阶段,主要是对产品设计前期总体设计方案,详细设计方案,PCB布局设计以及结构模型等各个环节的EMC设计控制措施的检验,看看前期提出设计方案的执行程度；另外主要检查电路单板与结构之间的配合,是否还存在EMC隐患,提前发现问题,便于后续研制产品正样的时候一起完善。 通常我们会在这个阶段发现一些结构加工工艺问题以及设备内部电缆走线错误，

21、需要更正。 2011-4 电磁兼容培训三、屏蔽结构设计2011-4 电磁兼容培训屏蔽结构设计1 屏蔽材料本身2 成本控制3 连接器4 电缆5 滤波器安装结构6 工艺的可实现性2011-4 电磁兼容培训选择屏蔽方案2011-4 电磁兼容培训屏蔽设计的基本原则屏蔽设计的基本原则2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训2011-4 电磁兼容培训结构设计提高机箱的屏蔽效能；在连接线端口设置滤波器安装结构；采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰；如果信号线传输的信号速率较高，串接滤波器可能把有用的信号的高频部分也滤掉，这时就只能采用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持360度的完整搭接；不能出现“猪尾巴”现象。2011-4 电磁兼容培训电磁密封衬垫的主要参数 屏蔽效能 (关系到总体屏蔽效能) 回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距） 最小密封压力（关系到最小压缩量）最大形变量（关系到最大压缩量） 压缩永久形变（关系到允许盖板开