工程師EMC應用設計秘籍（一）

電子發(fā)燒友網按：工程師在進行電子設計方案過程中越來越不能忽視EMC/EMI規(guī)范化設計了，它需要工程師在設計之初就進行嚴格把關！在產品結構方案設計階段，主要針對產品需要滿足EMC法規(guī)標準，對產品采用什么屏蔽設計方案、選擇什么屏蔽材料，以及材料的厚度提出設計方案，另外對屏蔽體之間的搭接設計，縫隙設計考慮，同時重點考慮接口連接器與結構件的配合。 為幫助工程師在設計過程中排憂解難，電子發(fā)燒友網特整合優(yōu)質資源推出《工程師EMC應用設計秘籍》技術系列文章，其余章節(jié)將會陸續(xù)發(fā)布，敬請廣大工程師關注和留意！一、EMC三個重要規(guī)律

　　規(guī)律一、EMC費效比關系規(guī)律： EMC問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。

　　在新產品研發(fā)階段就進行EMC設計，比等到產品EMC測試不合格才進行改進，費用可以大大節(jié)省，效率可以大大提高;反之，效率就會大大降低，費用就會大大增加。

　　經驗告訴我們，在功能設計的同時進行EMC設計，到樣板、樣機完成則通過EMC測試，是最省時間和最有經濟效益的。相反，產品研發(fā)階段不考慮EMC，投產以后發(fā)現EMC不合格才進行改進，非但技術上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費，甚至由于涉及到結構設計、PCB設計的缺陷，無法實施改進措施，導致產品不能上市。

　　規(guī)律二、高頻電流環(huán)路面積S越大, EMI輻射越嚴重。

　　高頻信號電流流經電感最小路徑。當頻率較高時， 一般走線電抗大于電阻，連線對高頻信號就是電感，串聯(lián)電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環(huán)路產生的，最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。

　　減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一，就是想方設法減小高頻電流環(huán)路面積S。

　　規(guī)律三、環(huán)路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二，就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

二、電磁兼容(EMC)元器件的正確選型和應用技巧

　　我們通過一些圖片，直觀的系統(tǒng)的回顧電磁兼容的含義、電磁干擾的三要素以及抑制電磁干擾的原理。再根據EMC設計原理和元器件不同的結構特點，主要講解不同元器件在EMC設計中的選擇及應用技巧，對EMC設計具有指導作用。

　　電磁兼容的定義

　　電磁干擾的三要素

　　抑制電磁干擾的原理

　　EMC主要解決方法 預防比屏蔽更加有效

　　電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度問題的關鍵，正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設計的前提。因此，我們必須深入掌握這些元器件，這樣才有可能設計出符合標準要求、性能價格比最優(yōu)的電子、電氣產品。而每一種電子元件都有它各自的特性，因此，要求在設計時仔細考慮。接下來我們將討論一些常見的用來減少或抑制電磁兼容性的電子元件和電路設計技術。

　　元件組

　　有兩種基本的電子元件組：有引腳的和無引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果，尤其在高頻時。該引腳形成了一個小電感，大約是1nH/mm/引腳。引腳的末端也能產生一個小電容性的效應，大約有4pF。因此，引腳的長度應盡可能的短。與有引腳的元件相比，無引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。其典型值為：0.5nH的寄生電感和約0.3pF的終端電容。

　　從電磁兼容性的觀點看，表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。

　　一、EMC元件之電容

　　在EMC設計中，電容是應用最廣泛的元件之一，主要用于構成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。大量實踐表明：在EMC設計中，恰當選擇與使用電容，不僅可解決許多EMI問題，而且能充分體現效果良好、價格低廉、使用方便的優(yōu)點。若電容的選擇或使用不當，則可能根本達不到預期的目的，甚至會加劇 EMI程度。

　　從理論上講，電容的容量越大，容抗就越小，濾波效果就越好。一些人也有這種習慣認識。但是，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低(如典型的陶瓷電 容，0.1μF的f0=5 MHz，0.01μF的f0=15 MHz，0.001μF的f0=50 MHz)，對高頻噪聲的去耦效果差，甚至根本起不到去耦作用。分立元件的濾波器在頻率超過10 MHz時，將開始失去性能。元件的物理尺寸越大，轉折點頻率越低。這些問題可以通過選擇特殊結構的電容來解決。

　　貼片電容的寄生電感幾乎為零，總的電感也可以減小到元件本身的電感，通常只是傳統(tǒng)電容寄生電感的1/3~1/5，自諧振頻率可達同樣容量的帶引線電容的2倍(也有資料說可達10倍)，是射頻應用的理想選擇。

　　傳統(tǒng)上，射頻應用一般選擇瓷片電容。但在實踐中，超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜電容也是適用的，因為它們的尺寸與瓷片電容相當。

　　三端電容能將小瓷片電容頻率范圍從50 MHz以下拓展到200 MHz以上，這對抑制VHF頻段的噪聲是很有用的。要在VHF或更高的頻段獲得更好的濾波效果，特別是保護屏蔽體不被穿透，必須使用饋通電容。
　　二、EMC元件之電感

　　電感是一種可以將磁場和電場聯(lián)系起來的元件，其固有的、可以與磁場互相作用的能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似，聰明地使用電感也能解決許多 EMC問題。下面是兩種基本類型的電感：開環(huán)和閉環(huán)。它們的不同在于內部的磁場環(huán)。在開環(huán)設計中，磁場通過空氣閉合;而閉環(huán)設計中，磁場通過磁芯完成磁路，如下圖所示。

　　電感中的磁場

　　電感比起電容一個優(yōu)點是它沒有寄生感抗，因此其表面貼裝類型和引線類型沒有什么差別。

　　開環(huán)電感的磁場穿過空氣，這將引起輻射并帶來電磁干擾(EMI)問題。在選擇開環(huán)電感時，繞軸式比棒式或螺線管式更好，因為這樣磁場將被控制在磁芯(即磁體內的局部磁場)。

　　開環(huán)電感

　　對閉環(huán)電感來說，磁場被完全控制在磁心，因此在電路設計中這種類型的電感更理想，當然它們也比較昂貴。螺旋環(huán)狀的閉環(huán)電感的一個優(yōu)點是：它不僅將磁環(huán)控制在磁心，還可以自行消除所有外來的附帶場輻射。

　　電感的磁芯材料主要有兩種類型：鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻場合(幾十KHz)，而鐵氧體磁芯電感用于高頻場合(到MHz)。因此鐵氧體磁芯電感更適合于EMC應用。

　　在EMC應用中特別使用了兩種特殊的電感類型：鐵氧體磁珠和鐵氧體磁夾。鐵和鐵氧體可作電感磁芯骨架。鐵芯電感常應用于低頻場合(幾十KHz)，而鐵氧體芯電感常應用于高頻場合(MHz)。所以鐵氧芯感應體更適合于EMC應用。

　　三、濾波器結構的選擇

　　EMC設計中的濾波器通常指由L，C構成的低通濾波器。不同結構的濾波器的主要區(qū)別之一，是其中的電容與電感的聯(lián)接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結構有關，而且還與聯(lián)結的網絡的阻抗有關。如單個電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好，而在低阻抗電路中效果很差。

　　濾波器分類(基于功能)

　　濾波器分類(基于結構)

　　濾波器選型

　　四、EMC元件之磁珠

　　磁珠由氧磁體組成，電感由磁心和線圈組成，磁珠把交流信號轉化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去。

　　磁珠工作原理

　　磁珠選型

　　磁珠的電路符號就是電感但是型號上可以看出使用的是磁珠在電路功能上，磁珠和電感是原理相同的，只是頻率特性不同罷了。

　　電感是儲能元件，而磁珠是能量轉換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，側重于抑止傳導性干擾;磁珠多用于信號回路，主要用于EMI方面。磁珠用來吸收超高頻信號，象一些RF電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲器電路(DDR，SDRAM，RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種儲能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應用頻率范圍很少超過50MHz。
　五、EMC元件之二極管

　　二極管是最簡單的半導體器件。由于其獨特的特性，某些二極管有助于解決并防止與EMC相關的一些問題。

　　六、模擬與邏輯有源器件的選用

　　電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度的關鍵是模擬與邏輯有源器件的選用。必須注意有源器件固有的敏感特性和電磁發(fā)射特性。

　　有源器件可分為調諧器件和基本頻帶器件。調諧器件起帶通元件作用，其頻率特性包括：中心頻率、帶寬、選擇性和帶外亂真響應;基本領帶器件起低通元件作用，其頻率特性包括：截止頻率、通帶特性、帶外抑制特性和亂真響應。此外還有輸入阻抗特性和輸入端的平衡不平衡特性等。

　　模擬器件的敏感度特性取決于靈敏度和帶寬，而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎。

　　邏輯器件的敏感度特性取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。

　　有源器件有兩種電磁發(fā)射源：傳導干擾通過電源線、接地線和互連線進行傳輸，并隨頻率增加而增加;輻射干擾通過器件本身或通過互連線進行輻射，并隨頻率的平方而增加。瞬態(tài)地電流是傳導干擾和輻射干擾的初始源，減少瞬態(tài)地電流必須減小接地阻抗和使用去耦電容。

　　邏輯器件的翻轉時間越短，所占頻譜越寬。為此，應當在保證實現功能的前提下，盡可能增加信號的上升/下降時間。

　　數字電路是一種最常見的寬帶干擾源，其電磁發(fā)射可分為差模和共模兩種形式。

　　為了減少發(fā)射，應盡可能降低頻率和信號電平;為了控制差模輻射，必須將印制電路板上的信號線、電源線和它們的回線緊靠在一起，減小回路面積;為了控制共模輻射，可以使用柵網地線或接地平面，也可使用共模扼流圈。同時，選擇“干凈地”作為接地點也是十分重要的。

　　表面安裝技術(SMT)是70年代末發(fā)展起來的新型電子裝聯(lián)技術，內容包括表面安裝器件(SMD)、表面安裝元件(SMC)、表面安裝印制電路板(SMB)以及表面安裝設備、在線測試等。