搞硬件总被EMC卡住？牛人总结的EMC小知识帮了大忙！（收藏了）

1、EMC简介

电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility），在国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义为：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不会对其他系统和设备造成干扰。

EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部分：

（1）EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声（如打呼噜太大，影响周围人睡觉）；（2）EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

EMC常见的测试项目如下：

02、电子产品为什么要考虑EMC

举个网上的案例：1967年，火箭飞行控制计算机，发射时需要考虑冷却方案，早期都是冷却液循环，冷却液在流动制冷时，会存在静电积累（液体流动摩擦），到一定程度没有泄放通路，遇到金属就会产生击穿放电。

设计时设计绝缘气隙距离假如是10cm，但火箭到26KM的高空，接近真空时，环境和气压不一样，绝缘气隙距离缩短，导致故障。

可见EMC问题关系着我们产品的可靠性，产品EMC设计，涉及生命安全的产品，需要高度重视。进一步总结产品MEC需要考虑：

（1）市场准入和国家法规的要求：技术的贸易壁垒；

（2）特殊行业的准入要求：军工、铁路、汽车等行业准入要求；

（3）零部件电磁兼容需求，产品本身EMC性能需求；

（4）可靠性要求，电磁兼容做好，为市场应用的可靠性做保障，需要考虑各种极端工况；

（5）特殊应用，如EMC的信息安全：无线电信息截取、433传统汽车无线钥匙干扰等；

03、EMC三要素

EMC问题，我们可以用电路模型来建立EMC问题模型和给出解决方案。首先介绍下EMC的三要求：干扰源、传播路径、敏感源，其中干扰路径是最不容易判断的，干扰源和敏感设备可以通过经验做一些识别。

举个案例帮助我们更好的理解三要素：如电吹风使用时，电视机出现雪花屏

（1）电视机的EMS，可能比较差，测不过；

（2）电吹风的EMI，同时可能也没有做限制；

那案例中的三要素分析如下：

（1）干扰源：电池风里面的电源电路、电机转动产生的电源变化

（2）敏感设备：电视机显示屏

（3）耦合路径：可能是220V插排的供电口（共用插排），或者空间电磁波辐射干扰

04、干扰源

电子产品干扰源在电磁环境下的干扰源各种各样，常见的如：

（1）无线发射（4G、5G、对讲机）：RS类干扰

（2）雷电：浪涌类的干扰

（3）人体：ESD类干扰

（4）电气开关的工作：EFT/CS类的干扰

从常见的干扰源信号特征，我们可以总结出电磁干扰源的要素：即变化的电压（dv/dt）或者电流（di/dt）。进一步在EMC问题中，根据经验60%问题来源于DCDC干扰。

对于设备来说DCDC开关电源是最常见的噪声源，而通常又不易受干扰，所以DCDC的EMC问题主要就是EMI问题。

以Buck电源为例，DCDC芯片开关过程中产生电压和电流的变化，包含了较快的di/dt和dv/dt噪声分量，其开关噪声不仅包含开关次和倍频频率段的噪声，另外其开关速度越低，高频噪声分量衰减越大。

除DCDC电源外，常见还有高速时钟信号，在电磁兼容的辐射发射测试中，常见的就是时钟辐射超标（如下图所示）。

因为时域中周期性的信号对应频域中离散的频谱，所以时钟能量比较集中，这在频谱上的表现就是：时钟频点（时钟基频以及倍频）上能量很高，而非时钟频点几乎没有能量。

05、耦合路径

常见的耦合路径包括：

（1）传导：

在干扰源和接收电路之间的耦合路径就是直接的接触，比如引线、电缆或者路径连接。常见的耦合如电阻性耦合，由两个回路经过公共阻抗耦合而产生，干扰量是电流i，或者di/dt。

举例：数字电路和模拟电路为啥要做地分割隔离，最怕存在共阻抗的时候，数字信号流过共阻抗时，在模拟电路上产生uA电流产生电压，模拟信号敏感电压将出现偏差。

（2）空间耦合：

（2-1）互容耦合：在两个接近的导体或者引线之间存在各种电容场，如最典型的平行走线，噪声源和敏感源之间有分布电容C2，频率下等效于为阻抗，就类似电阻耦合的干扰案例。

（2-2）电感耦合：在两个平行导体或者引线之间存在磁场，当间距小于电磁波波长的时候会在接收导体上引起电压的变化。磁通的方式相互影响，如无线充电，常见干扰如PCB上的平行布线。

对于电感或者磁场耦合，干扰产生的主要原因是流过高频电流回路产生的磁通空间上串到接收回路中产生的，因此问题的改善，一般需要减小流过高频电流回路的面积或者接收回路的面积。

（2-3）电磁辐射：当干扰源与接收电路之间的距离比较远，大于电磁波波长，发射与接收之间相当于无线电天线，电磁干扰从干扰源发送，辐射出的电磁波在空气中传播。

06、敏感源

电子产品敏感源，常见的如：复位电路、传感器采样电路，数据通信电路、音视频处理电路等均视为敏感电路。

举例如传感器和大功率用电设备如电机共地了，大功率电机工作的时候产生共模漏流，就会对传感器的采集产生影响，在设计时我们需要注意此类信号。

07、时域与频域

时域与频域是针对同一个事物，不同角度的分析结果，在做EMC分析时更多的是从频域的角度去分析问题。如在时域上，基带的时钟越接近完美的方波，但在频域上，射频的EMC可能是一个不好的波形（边沿越陡峭，高次谐波频谱能量越大）。

我们从最常见的DCDC开关信号和高频时钟信号在频域的角度进行展开。左图表示为脉冲波形，在时域上，其特征是tw（脉冲宽度）和ts（上升时间/下降时间）。中间的图形表示从傅里叶变换获得的理论脉冲波形的频谱。频域上，随着频率的升高，振幅衰减，衰减斜率随tw和ts而变化。

最右边的图表显示了当脉冲ts变慢（增加）时频谱的变化。当斜率变化到-40db/dec时，1/πts的频率点降低，最终结果是振幅减小。简单地说，当ts变慢时，频谱振幅衰减。

因此时域信号边沿越陡峭，频域高次谐波频谱能量越大。如上升沿的快速变化，产生的高次谐波能量，在EMC工程师眼里，都希望它尽快落到-40db衰减的范围。改变的方式为增加电阻或者电容（加大tr）。如时钟周期信号，增加RC，在满足时钟信号质量要求的前提下，尽可能减缓信号的上升沿的变化速度。

相应我们可以总结出经常遇到的EMC信号特点：

（1）ESD：上升沿tr波形一般会在0.5ns-1ns左右，达到GHz，高频能量丰富，干扰强。

（2）EFT：上升沿tr波形一般会在5ns左右，主要频谱都在几十MHz，更多的靠滤波解决。

（3）Surge：上升沿tr波形一般会是us级别，主要频谱能量在KHz，更多靠瞬态防护器件吸收，不是滤波。

式(1) 中，RL、和 RS，分别表示源阻抗和负载阻抗，a11、a12、a21、a22表示滤波器网络的A参数，更详细的计算方法可以参考文献《EMI电源滤波器的插入损耗分析》。

这里举个例子，如下图的差模滤波方案，假设源端阻抗和负载阻抗均为50欧姆，电源输入1V，滤波电容的阻抗 1 欧姆，则未加滤波器前，V0=0.5V，加入滤波器后，V2为滤波阻抗和负载阻抗并联后与源阻抗串联分压即V2=0.019V，则插入损耗=20lg0.5/0.019=28.4db。

假设源端阻抗和负载阻抗均为 1 欧姆，则未加滤波器前，V0=0.5V，加入滤波器后，V2为滤波阻抗和负载阻抗并联后与源阻抗串联分压即V2=0.33V，则插入损耗=20lg0.5/0.33=3.6db。

• 干扰的源头：降低强度
• 敏感电路：提高抗干扰能力
• 干扰耦合路径：降低路径效率

由 Vdm 驱动的 Idm 导致输入 AC 端口差模干扰，LISN +仪器的采样阻抗为 100欧姆，开关电源的接口没有滤波时，则很容易传导测试超标，干扰都在敏感设备上（采样电阻为高阻，VDM的ZC+ESR为低阻）。

干扰电压幅度为：Vdm：

 

    这种情况下，针对电源口的EMC滤波就可以考虑电容方案，接口加差模滤波电容，C1通常为100nF~2.2uF的聚醋X2电容。

X电容，常用做抑制电源电磁干扰，一般安装到电源火线与零线之间，而且起到的作用都是差模滤波。X1电容耐电压更高，在一些更高电压的电路中要使用X1安规电容，X1 >2.5kV ≤4.0kV ；X2 ≤2.5kV。

电容容值选型原则：根据电容的阻抗-频率特性曲线进行选型，在需要滤波的频点上，让电容的阻抗尽可能小，即让干扰电流更多的流向大地，而不是流经测试仪器的采样电阻。因此根据差模干扰为低频干扰，频段在 150kHz-1.5MHz，可选100nF~2.2uF电容，再结合耐压确认电容型号。

假设传导测试时，超标比较多，则考虑PI型滤波器。L1，L2，C1，C2 构成低通 PI 型滤波器，L1、L2通常为100 ~300uH铁粉芯电感，也可由共模电感的漏感形成，C1，C2通常为 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2电容。

       解决EMI问题从源头考虑进行滤波，效果更好，如开关电源，从端口进行传导滤波。设计滤波时，需要针对传导干扰的特性，有针对性进行滤波器件选择。并且遵循电容靠近高阻，电感靠近低阻的原则，才能获取较好的滤波效果。

• 电源模块响应的频率范围大约是从直流到 kHz； 
• 大的电解电容提供电流并在 kHz 到 MHz 的范围内保持较低阻抗； 
• 高频陶瓷电容在 MHz 到百 MHz 的频率范围内保持较低阻抗； 
• PCB 板上的电源地平面对则在 100MHz 以上发挥重要作用； 

• ⼲扰源：数字电路时钟（SDRAM 120MHz）。
• 耦合路径：外接线缆（主要通过电源或地耦合）、PCB⾛线环路。

• 接口处理：接口是主要耦合路径，因此信号端口需要进行滤波，主要是磁珠 +电容方式，磁珠选取 600R/100M，电容选择了 200PF。
• 原理图改进：SDRAM 时钟是干扰源，在匹配电阻后增加了对地滤波电容，取 10PF 左右（根据干扰频率决定）。同时增加电源管脚电容，容值取220pF。
• PCB 改进：SDRAM 与 CPU 接口连接走线跨分割，地环路面积大，改进后的电容靠近电源引脚放置，IC下方地平面完整。

• 非差分接口通过公共地回流，比如232、PS2、VGA信号，通常使用电容+磁珠+电容的方式进行滤波（高速时使用串阻代替磁珠），通常不使用共模电感。
• 差分传输的特征是两根线束传输信号，两个信号振幅相同，相位相反，电流⽅向相反。典型的差分接⼝：485、CAN、HDMI、USB、LVDS、以太⽹等。通常采用共模电感滤波（例如USB、HDMI等都有专用的共模电感），中低速可以使用电容。

• 磁珠：确保对正常信号⼯作频率的阻抗<50R，滤波频率⼏⼗MHz〜1GHz，更⾼的频率就只能⽤电阻了，有些磁珠可以过⼤电流。
• 电感：滤波频率KHz〜100MHz，电感的额定电流通常会较⼤。

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