單片機的EMC測試及EMC故障排除

　　摘要：講述EMC的定義，EMC在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的測試方法，EMC新器件新材料的應(yīng)用以及故障排除技術(shù)。只要從事電子產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)或者供應(yīng)，就必須進行EMC電磁兼容的檢測工作。

　　關(guān)鍵詞：EMC測試 EMC故障排除 EMC新器件應(yīng)用 單片機

引言

　　所謂EMC就是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測試包括兩大方面內(nèi)容：對其向外界發(fā)送的電磁騷擾強度進行測試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值要求；對其在規(guī)定電磁騷擾強度的電磁環(huán)境條件下進行敏感度測試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度要求。對于從事單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的工程技術(shù)人員來說，掌握一定的EMC測試技術(shù)是十分必要的。EMC是電磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility）的縮寫，它包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感性（EMS）兩部分。由于電器產(chǎn)品在使用時對其它電器有電磁干擾，或受到其它電器的電磁干擾，它不僅關(guān)系到產(chǎn)品工作的可靠性和安全性，還可能影響其它電器的正常工作，甚至導(dǎo)致安全危險。

1 單片機系統(tǒng)EMC測試

（1）測試環(huán)境

　　為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠性，電磁兼容性測量對測試環(huán)境有較高的要求，測量場地有室外開闊場地、屏蔽室或電波暗室等。

（2）測試設(shè)備

　　電磁兼容測量設(shè)備分為兩類：一類是電磁干擾測量設(shè)備，設(shè)備接上適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，就可以進行電磁干擾的測量；另一類是在電磁敏感度測量，設(shè)備模擬不同干擾源，通過適當(dāng)?shù)鸟詈?去耦網(wǎng)絡(luò)、傳感器或天線，施加于各類被測設(shè)備，用作敏感度或干擾度測量。

（3）測量方法

　　電磁兼容性測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，有許多種測量方法，但歸納起來可分為4類；傳導(dǎo)發(fā)射測試、輻射發(fā)射測試、傳導(dǎo)敏感度（抗擾度）測試和輻射敏感度（抗擾度）測試。

（4）測試診斷步驟

　　圖1給出了一個設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾發(fā)射與故障分析步驟。按照這個步驟進行，可以提高測試診斷的效率。

（5）測試準(zhǔn)備

　?、僭囼瀳龅貤l件：EMC測試實驗室為電波半暗室和屏蔽室。前者用于輻射發(fā)射和輻射敏感測試，后者用于傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度測試。

　?、诃h(huán)境電平要求：傳導(dǎo)和輻射的電磁環(huán)境電平最好遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，一般使環(huán)境電平至少低于極限值6dB。

　?、墼囼炞?。

　?、軠y量設(shè)備和被測設(shè)備的隔離。

　?、菝舾行耘袆e準(zhǔn)則：一般由被測方提供，并實話監(jiān)視和判別，以測量和觀察的方式確定性能降低的程度。

　　⑥被測設(shè)備的放置：為保證實驗的重復(fù)性，對被測設(shè)備的放置方式通常有具體的規(guī)定。

（6）測試種類

　　傳導(dǎo)發(fā)射測試、輻射發(fā)送測試、傳導(dǎo)抗擾度測試、輻射抗擾度測試。

（7）常用測量儀

　　電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）測試，需要用到許多電子儀器，如頻譜分析儀、電磁場干擾測量儀、信號源、功能放大器、示波器等。由于EMC測試頻率很寬（20Hz～40GHz）、幅度很大（μV級至kW級）、模式很多（FM、AM等）、姿態(tài)很多（平放、斜放等），因此正確地使用電子儀器非常重要。測量電磁干擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規(guī)律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁干擾中的缺點，能夠精確測量各個頻率上的干擾強度，用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。

　　在解決電磁干擾問題時，最重要的一個問題是判斷干擾的來源。只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決干擾的措施。根據(jù)信號的頻率來確定干擾源泉是最簡單的方法，因為在信號的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號的頻率，就能夠推測出干擾是哪個部位產(chǎn)生的。對于電磁干擾信號，由于其幅度往往遠(yuǎn)小于正常工作信號，用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號頻率不同的信號濾除掉，精確地測量出干擾信號頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號的電路。

2 電磁兼容故障排除技術(shù)

（1）傳導(dǎo)型問題的解決

　?、偻ㄟ^串聯(lián)一個高阻抗來減少EMI電流。

　　②通過并聯(lián)一個低阻抗將EMI電流短路到地或引到其它回路導(dǎo)體。

　?、弁ㄟ^電流隔離裝置切斷EMI電流。

　?、芡ㄟ^其自身作用來抑制EMI電流。

（2）電磁兼容的容性解決方案

　　一種常見的現(xiàn)象是不把濾波電容的一側(cè)看成直接與一個分離的阻抗相連，而看成與傳輸線相連。典型的情況是，當(dāng)一條輸入輸出線的長度達(dá)到或超過1/4波長時，該傳輸線變“長”。實際可以用下式近似表示這種變化：

　　l≥55/f

　　式中：l單元為m，f單位為MHz。這個公式考慮了平均傳播速度，它是自由空間理論的0.75倍。

　　a. 電介質(zhì)材料及容差

　　電磁干擾濾波使用的大部分電容是無極性電容。

　　b. 差模（線到線）濾波電容性電容。

　　c. 共模（線到地/機殼）濾波電容

　　共模（CM）去耦通常使用小電容（10～100nF）。小電容可以將不期望的高頻電流在其進入敏感電路之前或在其離噪聲電路較遠(yuǎn)時就將其短路到機殼上去。為了得到良好的高頻衰減電路，減小或消除寄生電感是關(guān)鍵之所在。因此有必要使用超短導(dǎo)線，尤其希望使用無引線元器件。

（3）感性、串聯(lián)損耗電磁兼容解決方案

　　就電容而言，Zs和Z1如果不是純電阻的話，在計算頻率時，要使用它們的實際值。電容器串聯(lián)在電源或信號電路時，必須滿足：

　?、倭鬟^的工作電流不應(yīng)該引起電感過熱或過大的有過之而無不及降；

　?、诹鬟^的電流不能引起電感磁飽和，尤其是對高導(dǎo)磁材料是毫無疑問的。

　　解決方案有以下幾種：

　　*磁芯材料；

　　*鐵氧體和加載鐵氧體的電纜；

　　*電感、差模和共模；

　　*接地扼流圈；

　　*組合式電感電容元件。

（4）輻射型問題的解決

　　在很多情況下，輻射電磁干擾問題可能在傳導(dǎo)階段產(chǎn)生并被排除，還有些解決方案是可以抑制干擾裝置在輻射傳輸通道上，就像場屏蔽那樣工作。根據(jù)屏蔽理論，這種屏蔽的效果主要取決于電磁干擾源的頻率、與屏蔽裝置之間的距離以及電磁干擾場的特性——電場、磁場或者平面波。

　　①導(dǎo)體帶。使用銅或鋁帶要吧簡單快速地建立一種直接的屏蔽和低阻連連接或總線。它們對于臨時的解決方案和相對永久的解決方案來說是很方便的。厚度在0.035～0.1mm之間，并且背面帶有導(dǎo)電黏合劑以便安裝。如果使用銅導(dǎo)電帶，其通過電阻約20mΩ/cm2。應(yīng)用場合：電氣屏蔽罩；發(fā)生故障時泄露點定位；作為一個應(yīng)急的解決方案，將塑料連接器變成金屬的、屏蔽普通的扁平電纜等。

　?、诰W(wǎng)狀屏蔽帶和拉鏈?zhǔn)酵馓住Ｍ垮a的鋼網(wǎng)帶：主要用來安裝在一個已經(jīng)裝配好的電費護套上作為一種易安裝的繃帶型的屏蔽罩。為了降低電費的磁場輻射或敏感問題，鋼網(wǎng)帶是一種有效的解決方案。

拉鏈?zhǔn)狡帘瓮馓祝寒?dāng)有明顯跡象表明電費是主要的引起EMI耦合的原因時使用。

　　③EMI密封墊。應(yīng)用場合：當(dāng)下述條件存在，并且需要真正的SE時，EMI密封墊是最常用的解決輻射問題、敏感問題、ESD、電磁脈沖和TEMPEST問題的方法。

　　*已經(jīng)把機箱泄漏確認(rèn)為主要的輻射路徑。

　　*嚙合面不夠光滑、平整或不夠硬、本身無法提供良好的連接接觸。

　?、艽翱诤屯L(fēng)板的EMI屏蔽：適合對孔徑的屏蔽。

　　平面波的大概模型是：

　　SE≈104(-20-lgl)-20lgf

　　式中，SE單位為dB；l為網(wǎng)格或網(wǎng)孔的尺寸，單位為mm；f單位為MHz。當(dāng)然，隨著頻率的下降，網(wǎng)孔的屏蔽效率SE的上限受限于金屬本身。在近區(qū)場，對H場的屏蔽，其屏蔽功率SHE不受頻率的影響，可由下式近似得出：

　　SEH≈10lg(πr/l)

　　其中，r為源到屏蔽罩之間的距離，l為網(wǎng)孔尺寸，兩者單位均為mm。

　?、輰?dǎo)電涂料：應(yīng)用于在系統(tǒng)的塑料外殼建立EMI屏蔽罩、發(fā)送現(xiàn)有普通的或惡化的導(dǎo)電表面的屏蔽效能SE、防止ESD或靜電積累現(xiàn)象、增大結(jié)合面或密封墊片的接觸面積。

　?、迣?dǎo)電箔：鋁是一種良導(dǎo)體，在10MHz以下沒有吸收損耗，但它對于電場的任何頻率都有較好的反射損耗。應(yīng)用場合請參閱有關(guān)資料。

　?、邔?dǎo)電布：可應(yīng)用于任何100kHz到GHz級頻率范圍需要達(dá)到30～30dB衰減的立體屏蔽場合中。

3 電磁兼容性新器件新材料的應(yīng)用

3.1 電源線濾波器

　　電源線濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于擬制電能傳輸中寄生的電磁干擾，對提高設(shè)備的可靠性有重要作用。濾波器允許一些頻率通過，而對其它頻率的成份加以擬制。根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗等參數(shù)及負(fù)載特性的要求，適當(dāng)選擇濾波器。

3.2 信號阻隔變壓器

　　脈沖型（數(shù)字或晶閘管門驅(qū)動）或模擬隔離式變壓器與交流電源中使用的隔離變壓器與交流電源中使用的隔離變壓器的原理相同，但傳輸頻帶卻完全不同，有用信號處理對變壓器的一些性能要求（例如失真、3dB帶寬、損耗、對稱性、阻抗、脈沖延時等）非常嚴(yán)格。這種變壓器屬于寬帶設(shè)備，最高頻率與最低頻率的比值fMAX/fMIN達(dá)到數(shù)十倍。通過在發(fā)送端或接收端切斷共模地環(huán)路，隔離變壓器在不改變差模信號的同時擬制共模噪聲。由于共模電壓是加在變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的兩邊，這種隔離器必須具有較高的擊穿電壓：典型值為1.5kV，某些場合則高達(dá)10kV。

　　信號變壓器的主要優(yōu)點是它的簡單、耐用、持久和線性，而且價格適中。當(dāng)頻率增加時，其電磁兼容性能下降。

　　應(yīng)用場合：

　　*當(dāng)需要環(huán)路隔離時，其頻率范圍從直流到幾十MHz；

　　*在低噪聲和低失真條件下傳輸模擬小信號（≤10mV）時，信號線上可能存在幾V至幾kV的共模電壓；

　　*在晶閘管應(yīng)用電路中，將觸發(fā)器驅(qū)動電路與共模電壓隔離；

　　*作為一個現(xiàn)場解決方案，可用來切斷一個地環(huán)路和搭建一個平衡連接或非平衡連接傳輸線路。

3.3 電源隔離變壓器、電源穩(wěn)壓器和不間斷電源

（1）電源隔離變壓器

　　普通的隔離變壓器可以在低頻范圍切斷主電源線的接地環(huán)路。當(dāng)頻率升高時，電氣隔離由于一次側(cè)間寄存電容C1-2的存在而下降。為了減少寄生電容的影響，可以使用落系、螺旋狀、分立式的一次和二次繞組，這樣可以將寄生電容減小為原為的1/3～/10。

（2）法拉第屏蔽變壓器

　　在一次和二次線圈之間包著一層鋁箔或銅箔，并使之不與線圈接觸以免形成短路。法拉第屏蔽或靜電屏蔽層接地。應(yīng)用范圍如下：

　　*應(yīng)用于入室電源或電源分配箱上，作為簡單1：1的隔離變壓器，隔離50/60Hz的地環(huán)路；

　　*在同一系統(tǒng)中的某一部分重新產(chǎn)生對地保持中性的交流電源，與總電源分配點保持電氣隔離；

　　*應(yīng)用于當(dāng)系統(tǒng)中存在很大的對地漏電電流時，防止過渡頻繁觸發(fā)系統(tǒng)中的接地故障檢測器；

　　*可以與電源線濾波器結(jié)合使用，電源線濾波器的衰減特性僅開始于幾十或幾百kHz以上。

3.4 暫態(tài)抑制器

　　變阻器和固態(tài)變阻器（transzorbs）是具有非線性V-I特性曲線的元件，可以作為穩(wěn)壓元件。當(dāng)電壓通過該器件后就被箝位在等于或大于擊穿電壓VBR的電壓值上。該器件的響應(yīng)速度快，但在處理的能量值上有一定限制。

3.5 搭接、接地連續(xù)性和減少RF阻抗器件

　　①接地編織層或金屬帶寬而扁的導(dǎo)線比同樣橫截而積的圓導(dǎo)線具有較小的電感。作為優(yōu)先的選擇參考，可以使用：

　　*扁平金屬帶；

　　*帶有扁平接地端子的扁平編織層；

　　*圓形、多股絞線的跳線。

　?、谟≈齐娐钒澹≒CB）接地墊片。為了建立一個更直接的低阻擾電磁干擾電流接收器，需要使用接地墊片。通常在樹脂型墊片中間有一個彈簧夾，用以在一邊的OV銅板上和加一邊PCB的安裝底盤上提供較強的可靠壓力。由于彈簧是銅錫材料制成的，電氣接觸性能良好，接觸電阻為mΩ數(shù)量級。

　?、劢饘匐娰M線槽及其肥共的金屬編織層。金屬電纜托架、公共導(dǎo)線和金屬編織層的作用是傳輸幾個相互連接的設(shè)備之間的部分接地EMI環(huán)流。可以把它看作是不同底盤或地線之間的共模短路通道，但實際上除了直流或交流50/60Hz，這種方法不能應(yīng)用于較長的距離；可用于計算機室、工廠車間或其它有許多非屏蔽電費的大型場地，不可能或很難將它們換成屏蔽電費或裝入管道。

　?、艿刈杩箿p小，墊高的金屬底板接地襯墊。為了減少傳導(dǎo)瞬態(tài)干擾的輸入和周圍環(huán)境射頻場對系統(tǒng)的影響，可以通過設(shè)置室內(nèi)參考接地板或接地網(wǎng)絡(luò)加以改善。通過這種方法，可以很容易地在高達(dá)幾百MHz的頻率上達(dá)到20dB的改善，也可以減少在同一個房間里的不同設(shè)備之間的地電位偏差。

　　另一種技術(shù)：在室內(nèi)，建議安裝抬高的金屬底板（RMF），利用地磚的筋條作為接地參考柵格；把把塑料減震墊片換成導(dǎo)電減震墊片，就可以建立很好的、持久的電氣連接。

　　②臨時接地板。這種后各解決方案最初是IBM公司的安裝規(guī)劃工程師們使用的，即安裝一塊銅板或電鍍鋼板。對于那些沒有“實際地”的場合，由于臨時接地板與建筑特結(jié)構(gòu)之間有較大的電容（300～1000pF），這給電磁干擾濾波器、瞬態(tài)保護器和隔離變壓器的法拉第屏蔽層提供了有較的吸收裝置。在高頻端，這種虛地比長的、綠的或黃綠的接地導(dǎo)線更有效。

結(jié)語

　　在實際EMC測試應(yīng)用中，除了通過標(biāo)準(zhǔn)資格實驗室的鑒定測試以外，還有兩種可行的方法也是被業(yè)界所認(rèn)可的：TCF（Technical Construction File）和Self Ceritification(自檢證明)。抗干擾能力測試是十分實用的測試項目。實現(xiàn)電磁兼容的最好辦法是，將所有的數(shù)字及模擬電路均視為對高頻信號響應(yīng)的電路，用高頻設(shè)計方法來處理電費屏蔽、PCB布線和共模濾波。采用整塊地平面和電源面也很重要，對模擬電路也該如此，這樣做有利于限制高頻共模環(huán)環(huán)。大多數(shù)瞬態(tài)干擾均屬高頻，并產(chǎn)生很強的輻射能量。