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01EMC簡介

電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility)，在國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC對(duì)電磁兼容的定義為：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。

EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部分：

(資料圖片僅供參考)

(1)EMI電磁干擾，乃為機(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲(如打呼嚕太大，影響周圍人睡覺);

(2)EMS乃指機(jī)器在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。(如別人打呼嚕太大，影響自己睡覺)。

EMC常見的測試項(xiàng)目如下：

02電子產(chǎn)品為什么要考慮EMC

舉個(gè)網(wǎng)上的案例：1967年，火箭飛行控制計(jì)算機(jī)，發(fā)射時(shí)需要考慮冷卻方案，早期都是冷卻液循環(huán)，冷卻液在流動(dòng)制冷時(shí)，會(huì)存在靜電積累(液體流動(dòng)摩擦)，到一定程度沒有泄放通路，遇到金屬就會(huì)產(chǎn)生擊穿放電。

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)絕緣氣隙距離假如是10cm，但火箭到26KM的高空，接近真空時(shí)，環(huán)境和氣壓不一樣，絕緣氣隙距離縮短，導(dǎo)致故障。

可見EMC問題關(guān)系著我們產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)，涉及生命安全的產(chǎn)品，需要高度重視。進(jìn)一步總結(jié)產(chǎn)品MEC需要考慮：

(1)市場準(zhǔn)入和國家法規(guī)的要求：技術(shù)的貿(mào)易壁壘;

(2)特殊行業(yè)的準(zhǔn)入要求：軍工、鐵路、汽車等行業(yè)準(zhǔn)入要求;

(3)零部件電磁兼容需求，產(chǎn)品本身EMC性能需求;

(4)可靠性要求，電磁兼容做好，為市場應(yīng)用的可靠性做保障，需要考慮各種極端工況;

(5)特殊應(yīng)用，如EMC的信息安全：無線電信息截取、433傳統(tǒng)汽車無線鑰匙干擾等;

03EMC三要素

EMC問題，我們可以用電路模型來建立EMC問題模型和給出解決方案。首先介紹下EMC的三要求：干擾源、傳播路徑、敏感源，其中干擾路徑是最不容易判斷的，干擾源和敏感設(shè)備可以通過經(jīng)驗(yàn)做一些識(shí)別。

舉個(gè)案例幫助我們更好的理解三要素：如電吹風(fēng)使用時(shí)，電視機(jī)出現(xiàn)雪花屏

(1)電視機(jī)的EMS，可能比較差，測不過;

(2)電吹風(fēng)的EMI，同時(shí)可能也沒有做限制;

那案例中的三要素分析如下：

(1)干擾源：電池風(fēng)里面的電源電路、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電源變化

(2)敏感設(shè)備：電視機(jī)顯示屏

(3)耦合路徑：可能是220V插排的供電口(共用插排)，或者空間電磁波輻射干擾

04干擾源

電子產(chǎn)品干擾源在電磁環(huán)境下的干擾源各種各樣，常見的如：

(1)無線發(fā)射(4G、5G、對(duì)講機(jī))：RS類干擾

(2)雷電：浪涌類的干擾

(3)人體：ESD類干擾

(4)電氣開關(guān)的工作：EFT/CS類的干擾

從常見的干擾源信號(hào)特征，我們可以總結(jié)出電磁干擾源的要素：即變化的電壓(dv/dt)或者電流(di/dt)。進(jìn)一步在EMC問題中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)60%問題來源于DCDC干擾。

對(duì)于設(shè)備來說DCDC開關(guān)電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。

以Buck電源為例，DCDC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關(guān)噪聲不僅包含開關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關(guān)速度越低，高頻噪聲分量衰減越大。

除DCDC電源外，常見還有高速時(shí)鐘信號(hào)，在電磁兼容的輻射發(fā)射測試中，常見的就是時(shí)鐘輻射超標(biāo)(如下圖所示)。

因?yàn)闀r(shí)域中周期性的信號(hào)對(duì)應(yīng)頻域中離散的頻譜，所以時(shí)鐘能量比較集中，這在頻譜上的表現(xiàn)就是：時(shí)鐘頻點(diǎn)(時(shí)鐘基頻以及倍頻)上能量很高，而非時(shí)鐘頻點(diǎn)幾乎沒有能量。

05耦合路徑

常見的耦合路徑包括：

(1)傳導(dǎo)：

在干擾源和接收電路之間的耦合路徑就是直接的接觸，比如引線、電纜或者路徑連接。常見的耦合如電阻性耦合，由兩個(gè)回路經(jīng)過公共阻抗耦合而產(chǎn)生，干擾量是電流i，或者di/dt。

舉例：數(shù)字電路和模擬電路為啥要做地分割隔離，最怕存在共阻抗的時(shí)候，數(shù)字信號(hào)流過共阻抗時(shí)，在模擬電路上產(chǎn)生uA電流產(chǎn)生電壓，模擬信號(hào)敏感電壓將出現(xiàn)偏差。

(2)空間耦合：

(2-1)互容耦合：在兩個(gè)接近的導(dǎo)體或者引線之間存在各種電容場，如最典型的平行走線，噪聲源和敏感源之間有分布電容C2，頻率下等效于為阻抗，就類似電阻耦合的干擾案例。

(2-2)電感耦合：在兩個(gè)平行導(dǎo)體或者引線之間存在磁場，當(dāng)間距小于電磁波波長的時(shí)候會(huì)在接收導(dǎo)體上引起電壓的變化。磁通的方式相互影響，如無線充電，常見干擾如PCB上的平行布線。

對(duì)于電感或者磁場耦合，干擾產(chǎn)生的主要原因是流過高頻電流回路產(chǎn)生的磁通空間上串到接收回路中產(chǎn)生的，因此問題的改善，一般需要減小流過高頻電流回路的面積或者接收回路的面積。

(2-3)電磁輻射：當(dāng)干擾源與接收電路之間的距離比較遠(yuǎn)，大于電磁波波長，發(fā)射與接收之間相當(dāng)于無線電天線，電磁干擾從干擾源發(fā)送，輻射出的電磁波在空氣中傳播。

06敏感源

電子產(chǎn)品敏感源，常見的如：復(fù)位電路、傳感器采樣電路，數(shù)據(jù)通信電路、音視頻處理電路等均視為敏感電路。

舉例如傳感器和大功率用電設(shè)備如電機(jī)共地了，大功率電機(jī)工作的時(shí)候產(chǎn)生共模漏流，就會(huì)對(duì)傳感器的采集產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)時(shí)我們需要注意此類信號(hào)。

07時(shí)域與頻域

時(shí)域與頻域是針對(duì)同一個(gè)事物，不同角度的分析結(jié)果，在做EMC分析時(shí)更多的是從頻域的角度去分析問題。如在時(shí)域上，基帶的時(shí)鐘越接近完美的方波，但在頻域上，射頻的EMC可能是一個(gè)不好的波形(邊沿越陡峭，高次諧波頻譜能量越大)。

我們從最常見的DCDC開關(guān)信號(hào)和高頻時(shí)鐘信號(hào)在頻域的角度進(jìn)行展開。左圖表示為脈沖波形，在時(shí)域上，其特征是tw(脈沖寬度)和ts(上升時(shí)間/下降時(shí)間)。中間的圖形表示從傅里葉變換獲得的理論脈沖波形的頻譜。頻域上，隨著頻率的升高，振幅衰減，衰減斜率隨tw和ts而變化。

最右邊的圖表顯示了當(dāng)脈沖ts變慢(增加)時(shí)頻譜的變化。當(dāng)斜率變化到-40db/dec時(shí)，1/πts的頻率點(diǎn)降低，最終結(jié)果是振幅減小。簡單地說，當(dāng)ts變慢時(shí)，頻譜振幅衰減。

因此時(shí)域信號(hào)邊沿越陡峭，頻域高次諧波頻譜能量越大。如上升沿的快速變化，產(chǎn)生的高次諧波能量，在EMC工程師眼里，都希望它盡快落到-40db衰減的范圍。改變的方式為增加電阻或者電容(加大tr)。如時(shí)鐘周期信號(hào)，增加RC，在滿足時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量要求的前提下，盡可能減緩信號(hào)的上升沿的變化速度。

相應(yīng)我們可以總結(jié)出經(jīng)常遇到的EMC信號(hào)特點(diǎn)：

(1)ESD：上升沿tr波形一般會(huì)在0.5ns-1ns左右，達(dá)到GHz，高頻能量豐富，干擾強(qiáng)。

(2)EFT：上升沿tr波形一般會(huì)在5ns左右，主要頻譜都在幾十MHz，更多的靠濾波解決。

(3)Surge：上升沿tr波形一般會(huì)是us級(jí)別，主要頻譜能量在KHz，更多靠瞬態(tài)防護(hù)器件吸收，不是濾波。

與時(shí)域常用的分析工具示波器相對(duì)應(yīng)，在頻域常用的分析工具是頻譜儀。頻譜分析儀的原理和使用方法，網(wǎng)上有很多比較好的資料，這里就不做展開。

本次主要分享以上內(nèi)容，后續(xù)將繼續(xù)拆解EMC的其他學(xué)習(xí)知識(shí)分享!

審核編輯：湯梓紅