電子產(chǎn)品產(chǎn)品研發(fā)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的EMC問題,有什么解決方案？

本文介紹了在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)時(shí)一些經(jīng)常出現(xiàn)的 EMC 問題,并提出了相應(yīng)的解決策略。

目前世界各個(gè)國家的產(chǎn)品認(rèn)證法規(guī)要求任何電子相關(guān) 產(chǎn)品在本國銷售必須帶有相應(yīng)標(biāo)識，以表明產(chǎn)品符合安全和 電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)要求。如中國的 CCC 認(rèn)證,美國的 FCC 和歐盟的 CE 認(rèn)證等, 已成為 WTO 規(guī)則中的技術(shù)貿(mào)易壁壘 (TBT ) , 如圖 1和圖 2所示。

EMC 的指標(biāo)是目前在所有法律法規(guī)所要求的項(xiàng)目中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)最難以達(dá)到的。 2006年調(diào)查表明，EMC問題是 電子工程師在研發(fā)設(shè)計(jì)是遇到的最大挑戰(zhàn)，由于EMC的設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)較少，經(jīng)常在設(shè)計(jì)完成之后才進(jìn)行 EMC 的測試，一旦測 試發(fā)現(xiàn)問題，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品準(zhǔn)備上市銷售了，EMC 的問題總是 沒有時(shí)間來解決，項(xiàng)目總是要不斷的延遲，需要再花費(fèi)大量 的時(shí)間去解決,相信這是每位遇到 EMC 問題的研發(fā)人員的深刻體會(huì)。

所以解決 EMC 的問題應(yīng)該在產(chǎn)品研發(fā)的過程之中予以 解決，而不是在產(chǎn)品研發(fā)完成之后再進(jìn)行修補(bǔ),在設(shè)計(jì)中應(yīng) 遵循一些 EMC 的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對電路設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì) 進(jìn)行評審，并在每個(gè)研發(fā)階段應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的 EMC工程測試，以發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

從 EMC 問題產(chǎn)生的根源上解決問題永遠(yuǎn)比在表面上解 決(如屏蔽)要好的多,且成本更低,且在整個(gè)項(xiàng)目研發(fā)流 程中,對 EMC 問題解決的越晚,所產(chǎn)生的成本會(huì)更高。

由于各個(gè) EMC 的測試項(xiàng)目不同,問題產(chǎn)生的原因也不 盡相同,相應(yīng)的解決方法也不同,產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常見的電磁兼 容性問題有以下幾種。

一、輻射發(fā)射無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求問題

典型的產(chǎn)品電磁輻射問題如下圖 3所示,有一些頻率點(diǎn) 上超出標(biāo)準(zhǔn)的要求,由于輻射發(fā)射的測試不確定度很大,各 個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的測試結(jié)果差異很大,許多公司都要求輻射發(fā) 射的測試結(jié)果有 4-6dB 的裕量。

類似輻射發(fā)射超標(biāo)的情況經(jīng)常發(fā)生,要想解決,須弄清 楚輻射產(chǎn)生的根本原因,據(jù)筆者分析,可能的輻射問題來源 有 [1]：

1.印刷線路板中走線問題引起的 ,如圖4.

在 PCB 板走線中應(yīng)該注意一些高速信號的回流路徑,我們知道信號即有電壓也會(huì)存在電流,而信號電流總是要流 回其源頭,如果高速信號的回流路徑過大,形成環(huán)路,很容 易對外輻射能量。

2.連接 PCB 板的電纜引走的問題，如圖 5。

而與電路板相連的電纜也是產(chǎn)生輻射問題的原因之一, 因?yàn)楦咚傩盘栯娏髟陔娎|中流動(dòng)由于環(huán)路和阻抗不匹配等 原因很易對外產(chǎn)生共模或差模的電磁輻射。

3. 電路中某些器件的快速切換。

高速電路中存在著眾多的高速器件,高速器件在快速的 切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電流的高速變化,從而引起能量的輻 射。

4. 多層印制板的板層設(shè)計(jì)不合理

圖 6 PCB板間的電磁場分布

在多層電路板中,如果疊層設(shè)計(jì)不合理,疊層之間的電 磁場耦合存在天線效應(yīng),對外進(jìn)行能量輻射,如圖 6所示。

圖 7 信號走線問題仿真分析 [3]

輻射的能量從哪里出來,如何解決?通常要花費(fèi)工程 師相當(dāng)長的時(shí)間來進(jìn)行分析解決。圖 7的仿真分析結(jié)果則很 清晰表明的產(chǎn)生輻射問題的機(jī)理,在高頻狀態(tài)下,電流總是 尋找最短路徑回到源端,在存在障礙的情況下(高阻抗、環(huán) 流面積大)就會(huì)對產(chǎn)生輻射。

屏蔽是解決輻射問題的直接辦法,但卻不能根除問題 根源,并會(huì)帶來許多其他問題,設(shè)計(jì)成本會(huì)上升,且在產(chǎn)品 生產(chǎn)中增加工藝的復(fù)雜性,生產(chǎn)成本也會(huì)增加。所以說屏蔽 是解決輻射問題的最后的辦法, 絕大多數(shù)的問題都可以用最 簡單的辦法,也是最低成本的辦法于以解決。

分析信號特性，找出問題根源,進(jìn)行信號設(shè)計(jì)和 PCB 板的良好設(shè)計(jì)是解決此類問題的最佳方案, 幾乎不用增加任 何成本。

二、 ESD 靜電放電測試無法通過

靜題的測試項(xiàng)目之一, 經(jīng)常發(fā)生的失效現(xiàn)象有系統(tǒng)死機(jī),系統(tǒng)復(fù)位,顯示面板出現(xiàn)錯(cuò)誤, 發(fā)生上述問題的根本原因是靜電放電電流耦合到電路板中的某些走線上進(jìn)入 CPU 內(nèi)部, CPU 在信號狀態(tài)突變時(shí) 無法有效處理或干擾引起的運(yùn)行中斷導(dǎo)致無法回復(fù)到原來 的狀態(tài),靜電放電測試也是一項(xiàng)破壞性的測試項(xiàng)目,產(chǎn)生的 靜電放電電流會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致器件發(fā)生物理性損壞, 這一點(diǎn)需要在測試中注意。

基于以上分析,在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)對于可能進(jìn)行 ESD 測 試的部件進(jìn)行一些處理(包括系統(tǒng)良好接地,控制面板絕緣 處理,關(guān)鍵信號隔離濾波,通信協(xié)議的容錯(cuò)分析,專用接地 層的使用等)。

盡管在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了大量的考慮,采取一些防止 EMC 問題的方法,但在實(shí)際測試中還會(huì)可以出現(xiàn)問題,這就是 EMC 問題的特性，無法預(yù)測， 在發(fā)生 ESD 問題時(shí)，解決方案有：

- 改進(jìn)系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)(包括機(jī)箱機(jī)柜、控制面板、通 信電纜連接)。

- 改進(jìn)電路板的接地設(shè)計(jì),對外接口 ESD 接地的設(shè)計(jì)。

- 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位或通信錯(cuò)誤的根本原因,在 PCB 板進(jìn)行相應(yīng)信號處理和在軟件上進(jìn)行處理, 也解決 ESD 問題 的最好辦法,費(fèi)用最低,但難度較大、較為耗時(shí)。

三、 產(chǎn)品的輻射抗擾度問題

產(chǎn)品的輻射抗擾度測試是在全電波暗室中進(jìn)行如圖 9

所示,標(biāo)準(zhǔn)的測試場強(qiáng)等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產(chǎn)品的測試方法有所不同。

數(shù)字電路相對于模擬電路的抗輻射干擾能力要強(qiáng)的 多,在輻射抗擾度測試過程中,多數(shù)出現(xiàn)問題的是帶模擬電 路的產(chǎn)品, 測試中常出現(xiàn)的問題有在某些頻率上產(chǎn)品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯(cuò)誤,或系統(tǒng)復(fù)機(jī) 死機(jī)。

所示,標(biāo)準(zhǔn)的測試場強(qiáng)等級有 1V/m, 3V/m和 10V/m, 汽車類 電子產(chǎn)品的測試方法有所不同。

數(shù)字電路相對于模擬電路的抗輻射干擾能力要強(qiáng)的 多,在輻射抗擾度測試過程中,多數(shù)出現(xiàn)問題的是帶模擬電 路的產(chǎn)品, 測試中常出現(xiàn)的問題有在某些頻率上產(chǎn)品的信號 輸出變化巨大(如圖 10所示) ,通信出現(xiàn)錯(cuò)誤,或系統(tǒng)復(fù)機(jī) 死機(jī)。

此類問題主要出現(xiàn)于通信類產(chǎn)品和帶有信號采信、用模擬 電路進(jìn)行信號處理的產(chǎn)品中, 其根源與其他的 EMC 抗擾度問題類 似, 是干擾進(jìn)入 CPU 內(nèi)部影響其正常運(yùn)行, 對于模擬電路的產(chǎn)品, 信號在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的信號濾波很重要。

一旦出現(xiàn)測試通不過的問題,判斷出到底根源在哪里是很 不容易,解決難度相當(dāng)?shù)拇?且相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間和精力,在實(shí)驗(yàn)室 中測試成本大幅上升。

解決方案有包括：- 系統(tǒng)的良好的接地設(shè)計(jì)(包括機(jī)箱機(jī)柜、控制面板、通信 電纜連接)以及完善的電路信號處理。

- 在解決產(chǎn)品輻射抗擾度的過程中,有一些獨(dú)特辦法,迅速 定位出抗擾度問題的根源, 在電路設(shè)計(jì)上采用相應(yīng)的措施用以解 決此類問題,不建議采用屏蔽的辦法來解決。

四 其他傳導(dǎo)類的電磁干擾如電快速瞬變脈沖群抗擾 度、浪涌和射頻傳導(dǎo)抗擾度測試也會(huì)發(fā)生問題,但解決 起來會(huì)比較容易一些,在此不再壘述。

結(jié)束語

以上是在為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)行電磁兼容咨詢和解決問題的 過程中的一些體會(huì),寫出來與大家其享,希望大家在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè) 計(jì)的過程中不要因?yàn)?EMC 的問題造成麻煩,也希望利用自己的 一些經(jīng)驗(yàn)幫助大家避免和解決產(chǎn)品研發(fā)中的 EMC 問題,也借此 機(jī)會(huì)與大家交流,文中有不妥的地方,請批評指正,謝謝!