尋找EMC對(duì)策，關(guān)鍵在于實(shí)際產(chǎn)品與理論相結(jié)合

　　現(xiàn)在，受到EMC(電磁兼容性)問(wèn)題困擾的技術(shù)人員越來(lái)越多。這是因?yàn)殡S著產(chǎn)品向多功能化、高功能化和高速化發(fā)展，EMC對(duì)策的難度也與日俱增。車載電子產(chǎn)品稱得上是一個(gè)典型的代表。對(duì)此，日本Qualtec可靠性測(cè)試中心所長(zhǎng)前野剛指出：“只要掌握了訣竅，就能找到EMC解決方法。”圍繞EMC對(duì)策當(dāng)前的課題和對(duì)策的重點(diǎn)，前野所長(zhǎng)接受了記者采訪。

　　——聽說(shuō)以車載電子產(chǎn)品為代表，對(duì)于最近的電子產(chǎn)品，很多電路設(shè)計(jì)人員都在為EMC對(duì)策犯愁。首先請(qǐng)您用外行也能理解的語(yǔ)言，簡(jiǎn)單介紹一下EMC對(duì)策。

　　前野：基本來(lái)說(shuō)，EMC就是指電子產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)具備的電磁抗干擾性和耐受性。EMC有EMI(電磁干擾)和EMS(電磁耐受)兩個(gè)方面。EMI是指電子產(chǎn)品工作時(shí)發(fā)出的電磁噪聲(以下簡(jiǎn)稱噪聲)影響(干擾)周圍其他電子產(chǎn)品工作的現(xiàn)象。EMS是指電子產(chǎn)品受到周圍其他電子產(chǎn)品發(fā)出的噪聲干擾的現(xiàn)象。

　　也就是說(shuō)，EMC對(duì)策既要遏制自身發(fā)出的噪聲，又要防止在周圍噪聲的影響下出現(xiàn)誤操作。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是防止電子產(chǎn)品成為噪聲的“加害者”或是“被害者”。

　　——EMC領(lǐng)域現(xiàn)在正在發(fā)生哪些變化?

　　前野：之所以有很多人會(huì)受到EMC對(duì)策的困擾，是因?yàn)镋MC對(duì)策的難度增加，出現(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越多。最常出現(xiàn)的是關(guān)于高頻噪聲的問(wèn)題。這是因?yàn)楦哳l噪聲轉(zhuǎn)化成電波后容易發(fā)散，而且，擁有高頻噪聲對(duì)策設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員太少。其實(shí)在很多情況下，印刷電路板的銅箔圖案(以下簡(jiǎn)稱圖案)也不適合抑制高頻噪聲。

　　車載電子產(chǎn)品等許多電子產(chǎn)品的數(shù)字電路正逐年向高速化發(fā)展。高速化是指時(shí)鐘頻率提高，1秒時(shí)間里重復(fù)的周期縮短，也就是實(shí)現(xiàn)了高頻化。如此一來(lái)，高頻噪聲會(huì)隨之增加。而且必須使用支持高速化的半導(dǎo)體。但適合高速化的半導(dǎo)體大多對(duì)噪聲的耐受性比較差?？偠灾?，數(shù)字電路越向高速化、高頻化發(fā)展，就越容易產(chǎn)生噪聲、越容易受到噪聲的干擾。

　　過(guò)去，我們身邊的高頻電路只有FM廣播、電視機(jī)和收發(fā)器之類。日本的FM廣播的頻率是76～90MHz。不過(guò)，最近的車載電子產(chǎn)品等內(nèi)嵌的數(shù)字電路的時(shí)鐘頻率要高于FM廣播的頻率。

　　也就是說(shuō)，最近的數(shù)字電路開始頻繁使用過(guò)去沒(méi)有設(shè)想到的高頻信號(hào)。但這些變化帶來(lái)的問(wèn)題，也是電路設(shè)計(jì)人員之前很少遇到的。因?yàn)椴皇煜?，所以設(shè)計(jì)的圖案不合適，從而造成了問(wèn)題。

　　而且，最近的產(chǎn)品增加了配備的接收器，而接收器對(duì)于噪聲比較敏感，這也加大了EMC對(duì)策的難度。汽車過(guò)去只配備AM廣播和FM廣播的接收器，而現(xiàn)在增加了電視接收器、ETC接收器、GPS接收器和藍(lán)牙接收器等。接收器會(huì)對(duì)非常微弱的信號(hào)作出反應(yīng)，因此，電子產(chǎn)品必須采取精密的噪聲對(duì)策，防止接收器受到干擾。

　　現(xiàn)在，面向自動(dòng)駕駛的車車間通信已經(jīng)在開發(fā)，今后應(yīng)該會(huì)加快進(jìn)度。到那時(shí)，汽車配備的無(wú)線通信媒體還會(huì)更多，EMC對(duì)策今后也會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。

　　——不只是車載設(shè)備，數(shù)字產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)備等其他電子產(chǎn)品似乎也存在數(shù)字電路需要采取高頻噪聲對(duì)策、配備的接收器越來(lái)越多的情況。那么，在車載電子產(chǎn)品特有的EMC對(duì)策中，最近有沒(méi)有特別引人關(guān)注的?

　　前野：有，就是混合動(dòng)力車(HEV)和純電動(dòng)汽車(EV)用電子產(chǎn)品的EMC對(duì)策。HEV和EV需要向驅(qū)動(dòng)電機(jī)通入大電流，并且通過(guò)PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制來(lái)控制電機(jī)。PWM信號(hào)本身是100A級(jí)的大電流，而且是脈沖信號(hào)，因此含有大量的諧波。也就是含有大量的高頻成分，很可能產(chǎn)生低頻到高頻的噪聲，成為其他電子產(chǎn)品的干擾源。

　　而且，HEV的電子產(chǎn)品使用高電壓。典型的混動(dòng)系統(tǒng)使用650V電壓。通常的汽車，也就是“12V車”可以采用“-(負(fù)極)”端直接與車體接地的“車身接地”。這是因?yàn)槠胀ㄜ囀褂玫碾妷旱停瑳](méi)有觸電的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)采用這種方式，比較容易降低電源線上的噪聲。

　　但是對(duì)于HEV使用的高電壓，就很難再直接采用車身接地的方法。因?yàn)楦唠妷河锌赡軐?dǎo)致觸電。噪聲對(duì)策的難度也相應(yīng)提高了。而且，伴隨多功能化和高功能化的發(fā)展，大量的電子產(chǎn)品密集地配置在一起，這也增加了EMC對(duì)策的難度。現(xiàn)在的汽車配備50多個(gè)電子產(chǎn)品。內(nèi)置的MCU動(dòng)輒超過(guò)100個(gè)。這些電子產(chǎn)品都密密麻麻地?cái)D在狹小的空間里。

　　其實(shí)，電路板小型化對(duì)于EMC對(duì)策是有利的。因?yàn)樾⌒突馕吨炀€變小，不容易接收到噪聲。但電路板縮小后，相同的空間會(huì)擠進(jìn)更多的電子產(chǎn)品。從而導(dǎo)致EMC環(huán)境惡化。

　　——有讀者評(píng)價(jià)您的講座“功率電子等車載電子產(chǎn)品的EMC兼容設(shè)計(jì)”富有實(shí)踐性。為什么能做到這樣呢?

　　前野：可能是因?yàn)槲以谥v課的時(shí)候，為了方便實(shí)際運(yùn)用，會(huì)注意介紹電子產(chǎn)品產(chǎn)生的具體現(xiàn)象，并且回到基礎(chǔ)理論的層面講解現(xiàn)象。也就是盡可能將實(shí)際產(chǎn)品與理論結(jié)合起來(lái)，這應(yīng)該是我講課的一個(gè)特點(diǎn)。

　　學(xué)術(shù)性講座大多是以講解基礎(chǔ)理論為主，雖然能夠?qū)挿旱剡M(jìn)行學(xué)習(xí)，但運(yùn)用到設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)還存在一定難度。而擁有實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的講師在講課時(shí)會(huì)結(jié)合大量實(shí)例，雖然通俗易懂，但不具備普遍性，聽眾很難在實(shí)際工作中活學(xué)活用。

　　而且，大多數(shù)的學(xué)術(shù)性講座沒(méi)有一定基礎(chǔ)很難聽懂。而擁有實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的講師教授大多是“雜學(xué)”，雖然能令聽眾“恍然大悟”、“點(diǎn)頭稱是”，但不深入講解基礎(chǔ)理論。無(wú)論是哪一種，都很難直接應(yīng)用于實(shí)際工作。

　　因此，我的講座綜合了以實(shí)務(wù)為基礎(chǔ)的講座和學(xué)術(shù)性講座。希望能夠?yàn)槁牨娬谔魬?zhàn)的EMC對(duì)策提供一點(diǎn)參考。

　　——這應(yīng)該是實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)豐富，而且取得了博士學(xué)位的前野老師獨(dú)有的視角。請(qǐng)您通過(guò)具體例子，更詳細(xì)地介紹一下。

　　前野：例如制作印刷電路板圖案的“底片”。在制作過(guò)程中有“不能做的事情”和“必須做的事情”。不能做的事情之一是“不能在通用接地層上設(shè)置狹縫(去掉細(xì)長(zhǎng)銅箔的部分)”。這是大多數(shù)電路設(shè)計(jì)人員都知道的“常識(shí)”。

　　比如說(shuō)，有1塊多層印刷電路板上設(shè)置了模擬電路、數(shù)字電路和電源電路。假設(shè)第2層是接地層，通過(guò)在圖案上設(shè)置狹縫，使各條電路的接地分離(成3個(gè))。對(duì)于這種情況，一般的講座給出的說(shuō)明是“狹縫會(huì)導(dǎo)致流出噪聲增加。因此應(yīng)當(dāng)去掉狹縫，減少流出噪聲”。關(guān)于狹縫的好壞，多數(shù)講座只會(huì)講到這里，然后就進(jìn)入下一個(gè)話題。

　　但在我看來(lái)，正確方式應(yīng)該是解釋清楚為什么狹縫不好。的確，按照功能電路分離接地層也有起到良好效果的例子。但帶來(lái)負(fù)面影響的情況要多得多。如果囫圇吞棗，條件反射式地記住“狹縫不好”，而不理解其中的原理，在設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)被支持狹縫的上司和客戶駁倒。在實(shí)際工作中，在不能設(shè)置狹縫的地方加入狹縫的情況也時(shí)有發(fā)生。

　　為了讓大家理解原理，我講課時(shí)首先會(huì)解釋狹縫有哪些類型，然后講解哪些狹縫好，哪些不好。然后回到基礎(chǔ)理論的層面說(shuō)明原因，讓大家“信服”。

　　根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)實(shí)踐性地講解，最后連同電磁能源的傳輸在內(nèi)，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明，讓大家聽懂。

　　——您現(xiàn)在雖然是EMC對(duì)策的專業(yè)人士，但年輕時(shí)也可能經(jīng)歷過(guò)失敗。請(qǐng)問(wèn)您在電裝的時(shí)候，在EMC對(duì)策上吃過(guò)哪些苦頭?

　　前野：進(jìn)入電裝的第3年，我作為一名技術(shù)人員，職業(yè)生涯才剛剛開始。我當(dāng)時(shí)奉命設(shè)計(jì)車用收發(fā)器。因?yàn)槭堑谝淮沃鲃?dòng)參與設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我很用心地學(xué)習(xí)。以前輩設(shè)計(jì)的取得了良好效果的接收器為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)高頻放大部、頻率轉(zhuǎn)換部和局部振蕩器進(jìn)行調(diào)整，沿用中頻放大器及其后續(xù)部件，總算是完成了接收器的設(shè)計(jì)。

　　我興高采烈地制作出試制品，馬上安裝到汽車上進(jìn)行測(cè)試。但沒(méi)想到，試制品在單獨(dú)工作時(shí)接收信號(hào)的靈敏度很高，但發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，接收靈敏度驟降。

　　原因說(shuō)起來(lái)有點(diǎn)專業(yè)，是因?yàn)槲覟榱朔乐勾髱挼慕邮招盘?hào)失真，在設(shè)計(jì)中頻放大級(jí)時(shí)，采用了錯(cuò)誤的參差調(diào)諧電路。因此，在經(jīng)過(guò)調(diào)制后，汽車的點(diǎn)火噪聲超過(guò)了途中的放大器接收到的信號(hào)。因?yàn)樘朐诮邮侦`敏度方面超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手廠商的產(chǎn)品，所以我忘了要充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火噪聲的影響，真是很難為情。

　　有了這次失敗，我第一次意識(shí)到了EMC的重要性。切身了解到了噪聲有多可怕、在汽車中配備電子產(chǎn)品有多可怕。

　　——請(qǐng)介紹一下學(xué)習(xí)EMC對(duì)策時(shí)的重點(diǎn)。

　　前野：需要具備電磁學(xué)的思維模式。很多人以為EMC的問(wèn)題可以通過(guò)高頻電路技術(shù)解決，我過(guò)去也是這樣想。但實(shí)際上，從電磁學(xué)角度把握能深化理解，是通往解決的一條近路。

　　比如說(shuō)，很多人認(rèn)為電流只在電路的布線(圖案)中流動(dòng)。但在實(shí)際的電子產(chǎn)品中，電路之間存在“空間耦合”。這用電磁爐的機(jī)制來(lái)解釋應(yīng)該比較容易理解。在電磁感應(yīng)的作用下，線圈彼此分離，但能夠通過(guò)空間傳導(dǎo)高頻功率。

　　印刷電路板中也是如此。仔細(xì)觀察圖案，就像是極薄的一匝線圈。這樣的一匝線圈在印刷電路板內(nèi)大量存在，其間就會(huì)產(chǎn)生空間耦合。具體包括電磁感應(yīng)耦合和電容耦合。也就是說(shuō)，電介質(zhì)中有大量的噪聲流通。理解這個(gè)現(xiàn)象需要一定的電磁學(xué)知識(shí)。

　　——哪些人員需要學(xué)習(xí)EMC對(duì)策相關(guān)知識(shí)?

　　前野：電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)人員、EMC設(shè)計(jì)審查(DR)委員，以及質(zhì)檢部門的工作人員。