﻿ 电磁兼容应对及其改进技术 Solution and Improvement of Electronic Magnetic Compatibility

Journal of Electrical Engineering
Vol.03 No.04(2015), Article ID:16619,18 pages
10.12677/JEE.2015.34021

Solution and Improvement of Electronic Magnetic Compatibility

Zhaoqian Kai

Zhengzhou Runner Electric Co. Ltd., Zhengzhou Henan

Received: Dec. 8th, 2015; accepted: Dec. 23rd, 2015; published: Dec. 28th, 2015

ABSTRACT

The paper summed up basic EMC knowledge and experience, aggregated EMC conventional method and emergency treatment measures, detailed connecting/landing/power/filter/insulating/shield/ ESD-ES-protecting about EMC design improvement, focused on RLC-passive-analog-filtering/RC- analog active filtering/software-digital-filtering and its analog-simulation, summarized EMC-matter about electronic circuit and PCB design, and introduced EMC testing and attestation. So the solution and improvement of EMC have rules to follow and being simple and practical.

Keywords:Electronic Magnetic Compatibility, Electronic Magnetic Interference, Electronic Magnetic Sensibility, Electro-Static Discharge, Electrical Surging, Landing, Shield, Insulating, Filter, Testing and Attestation

1. 引言

2. EMC概括描述

EMC的内容与要素形式概括如图1所示。

3. EMC运用应对 [1]

3.1. 一般措施

Figure 1. Structural diagram of EMC content and elements

Figure 2. Summarization diagram of EMC treatment measure

(Printed circuit board)设计，包括通用计算机上的模拟运行和仿真分析。

3.2. 紧急应对

· 基础处理

· 屏蔽隔离

· 滤波处理

4. EMC设计改进 [1]

4.1. 连接处理

4.2. 接地处理

“地”上的杂波噪音要最小，尽可能实现“静地”，否则再好的滤波电路都不会有效。同一电路板卡，区分模拟地、数字地和射频地，各地单点相连，最后汇入输入电源地，地线连接点使用零电阻尽可能靠近电源地线并具有足够大的功率。注重焊接、装配、测试、转运等过程中的防静电接地，通过佩戴“手腕接地带”、防静电鞋套/橡胶板工作面接地等措施，实现人员、工具、仪器、台椅等的可靠接地。

4.3. 电源处理

4.4. 滤波处理

4.4.1. 模拟滤波

(1) 无源滤波

a) 基本描述

b) LC滤波运算[2]

Table 1. Table about relation between capacitor content and output current in stabilized voltage supply

Figure 3. Dividing diagram about filter

Figure 4. Type diagram about usual passive filter circuity

LC无源滤波，按电抗元件结构分，有T、L、π型，按电特性分有K型、M导出型。常数K型滤波串并联电抗积在限定频率范围内为常数。M导出型由K型推演而来，需对K型滤波器元件参数乘以系数m(0 < m < 1)：；低通滤波，高通滤波为衰减极限频率。M导出型滤波比K型滤波有较陡峭的截止特性。常用滤波器形式特征如表2所示。

c) 磁珠应用 [3]

(a) RC低通滤波 (b) RC高通滤波 (c) LC低通滤波 (d) LC高通滤波

Figure 5. Circuity diagram of basic RLC passive filter

Table 2. Table about form and feature of usual LC passive filter

d) 铁氧体应用

e) 电路选用

① 滤波器在相应工作频段范围内要满足负载要求的衰减特性，衰减量不能满足时可用多级联；

② 要满足负载电路工作/抑制频率的要求，若二者频率非常接近则需频率特性非常陡峭的滤波器；

③ 滤波器阻抗必须与连接的干扰源和负载阻抗匹配，负载高阻抗则滤波器输出低阻抗，电源/干扰源低阻抗则滤波器输出高阻抗，电源/干扰源阻抗未知或变化范围大需为滤波器输入/输出并接固定电阻；

④ 滤波器须有一定耐压能力，有足够高的额定电压，以经受输入瞬时高压冲击；

⑤ 滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流要一致；

⑥ 滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、安装方便，安全可靠。

① 滤波器最好安装在干扰源出口处，将干扰源和滤波器完全屏蔽，壳体间搭接良好；

② 滤波器输入和输出线必须分开，用隔板或底盘来固定滤波器，若不能隔离则应采用屏蔽引线；

③ 滤波器中电容导线应尽量短，以防止感抗与容抗在某频率上形成谐振；

④ 滤波器接地线上有很大的短路电流，能辐射电磁干扰，要进行良好的屏蔽；

⑤ 焊接在同一插座上的每根导线必须进行滤波，否则会使滤波衰减特性完全失去；

⑥ 管状滤波器必须完全同轴安装，使电磁干扰电流成辐射状流过滤波器。

(2) 有源滤波 [5]

a) 基本描述

(b) 开发设计

① 类型选择：一阶滤波，电路简单，但带外传输系数衰减慢，一般用在带外衰减性要求不高的场合；无限增益多环反馈型滤波器特性对参数变化比较敏感，不如压控电压源型滤波器；要求带通滤波器的通带较宽时，可用低通滤波器和高通滤波器合成，比单纯用带通滤波器要好。

② 级数选择：取决于带外衰减特殊性的要求，每一阶低通或高通电路可获得−6 dB/倍频程(−20 dB/十倍频程)的衰减，多级滤波器串接时传输函数总阶数等于各级阶数之和，要求的带外衰减特性为−mdB/倍频程(或−mdB/十倍频程)时应使级数n ≥ m/6(或n ≥ m/20)。

③ 运放要求：一般选用开环增益在80 dB以上通用型运放，运放单位增益宽带应满足：B ≥(3-5)AeFh

Figure 6. Typical structure diagram about active filter circuity

Table 3. Table about form and feature of 2nd order active filter

[A为滤波通带传输系数，Fh为工作频率的上限]；若输入信号较小(10 mV以下)，则选低漂移运放；若滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件值超过100 kΩ，则应选低漂移高输入阻抗的运放。

④ 器件选择：给定截止频率fc、带内增益Av及品质因数q (二阶低通或高通一般为0.707)设计滤波器，经常出现待定值元件数目多于限制元件取值参数数目，有许多个元件均可满足要求，一般从难配的电容选定入手，根据工作频率范围按照表4初选电容值。

1参数运算法

R3 = 838 Ω，R1 = 15.92 kΩ，R2 = 318.5 kΩ。

2快速查表法

R1 = 2.602 kΩ，R2 = 5.204 kΩ，R3 = 8.839 kΩ；

Table 4. Table about relation between filter frequency and capacity

Table 5. Table in designing about Chebyshev 2nd Order MFB

4.4.2. 数字滤波 [6]

(a) 基本描述

Figure 7. Multisim simulating scheme about Active BPF circuity

IIR滤波较易实现通带与阻带衰减特性，滤波器阶次低，计算速度快，但相位线性不易实现。

FIR滤波器具有精确的线性相位和稳定性，除数多，运算时间长，需要FFT提高运算速度。

(b) 简单滤波实现[4]

① 限幅滤波：比较相邻采样值和Yn和与经验确定的采样允许最大偏差值A，在每次检测到新值时判断：若Yn与之差≤A，则本次值有效；否则本次值无效，用值代替Yn。

② 中值滤波：连续采样N次(N取奇数)把N次采样值按大小排列取中间值为本次有效值。

③ 算术平均滤波：。对一点数据多次采样，将其平均值作为该点的采样结果。有利于周期性干扰信号滤波，也可减少系统随机干扰影响。但是尖峰脉冲或持续时间较长的电源干扰，效果差。

④ 滑动平均滤波：将本次采样与之前次采样之和的平均值，作为本次滤波结果，如N = 3。

⑤ 中位值平均滤波：即“中值滤波法” + “算术平均滤波法”，连续采样N个数据，去掉最大值和最小值再算出个数据的算术平均值。N取值范围：3~14。能有效防止尖峰脉冲干扰，采样数据能平滑过渡。但对脉冲宽度较大的信号不理想，对于信号数据变化快的系统会产生幅值失真。

⑥ 一阶递推滤波：即用算法来代替硬件RC低通滤波，递推公式为，Q为时间常数，Xn为第n次采样输入，Yn为第n次采样输出。适用于高频及低频干扰信号，对于变化较慢的系统能有效跟踪；不适用于中频干扰信号和变化快、实时性要求高的系统。

⑦ 曲线拟合法：先将数据采集进来存在数组里，然后按照一定步长抽取数据作曲线拟合，能较精确反映采集数据变化趋势，去尖峰脉冲干扰，对持续时间长的干扰脉冲也有较好效果，但对单片机存储空间有要求，二次抛物线或更高次曲线拟合会影响单片机速度，不适合实时性要求较高的系统。

(c) IIR滤波实现

IIR滤波器有直接I型、直接II型、级联型、并联型等基本结构，各有相应设计步骤，典型设计法和直接设计法是常用方法。典型设计法借用成熟的模拟滤波器模型，将数字滤波技术指标转换为模拟低通滤波指标，然后将模拟低通滤波转换成模拟低通、高通、带通滤波器，再将模拟滤波转换成数字滤波器；这种方法相对成熟，不仅有完整的公式，也有完整查阅图表，更可调用Matlab函数快速设计。直接设计法，以计算机作辅助，用Matlab工具箱自带函数设计数字低通、高通、带通和带阻滤波器。

① 按一定规则将给出的数字滤波器技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标；

② 根据转换技术指标用滤波器阶数选择函数，确定最小阶数N和固有频率Wn，可用函数有buttord、cheb1ord、cheb2ord、ellipord等；

③ 用最小阶数N产生模拟滤波器原型，可用创建函数有buttap、cheb1ap、cheb2ap等；

④ 用固有频率Wn把模拟低通滤波器原型转换成模拟低通、高通、带通、带阻滤波器，可用函数有lp2lp、lp2hp、lp2bp、lp2bs；

⑤ 用冲激响应不变法或双线性变换法把模拟滤波器转换成数字滤波器，分别用函数imoinvar和bilinear实现。

Matlab信号处理工具箱提供了几个直接设计IIR数字滤波器的函数，直接调用就可设计滤波器：

① Butterworth滤波器——函数butter()：可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟滤波器，其特性是通带内的幅度响应最大限度的平滑，但损失了截止频率处的下降斜度。

② Chebyshev I型滤波器——函数cheby1()：可设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器，通带内等波纹，阻带内单调，Chebyshev I型滤波器的下降斜度比II型大，代价是通带内波纹较大。

③ Chebyshev II型滤波器——函数cheby2()：可以设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器，通带内单调，阻带内等波纹，Chebyshev II型滤波器的下降斜度比I型小，但其阻带内波纹较大。

④ 椭圆滤波器用函数ellip()，与cheby1, cheby2类似，可以设计低通、高通、带通和带阻的数字/模拟滤波器。与Butterworth和chebyshev滤波器相比，ellip函数可得到下降斜度更大的滤波器，通带和阻带均为等波纹。椭圆滤波器能以最低的阶实现指定的性能指标。

Matlab提供yulewalk函数直接设计IIR滤波器，以最小二乘拟和逼近给定的频率特性，用法如下：

[b, a] = yulewalk(n, f, m)，返回一个Yule-Walk滤波器的系数矩阵[b, a]，其中矩阵f和m是已知的频率响应和滤波器阶数，f必须在0~1，且升序，以0开始，以1结束，允许出现相同的频率值。

(d) FIR滤波实现

FIR滤波有直接型、级联型、快速卷积型、线性相位型、频率取样型等基本结构，基本方法有窗函数法、频率抽样法和等波纹逼近法等。常用的窗函数设计法描述如下：理想低通滤波器的传输函数，相应的单位取样响应h(n)为是一个以为周期的函数，可展为傅氏级数，即；设计FIR滤波器就是根据要求找到有限个傅氏级数系数来代替并近似无限项傅氏级数，会产生截断效应和频率泄漏，需改变突然截断方式，改善泄漏；选择适当的窗函数，对所取样本函数进行不等权处理是一种有效措施。

Matlab中函数fir1和fir2就是基于窗函数方法的。firl函数实现了加窗线性相位FIR数字滤波，主要用于标准通带滤波器设计，包括低通、带通、高通和带阻数字滤波器：

· b = fir1(n, Wn)可得到n阶低通FIR滤波器，这是一个截止频率为Wn的加汉明窗的线性相位FIR滤波器。如果Wn是一个包含两个元素的向量，，firl返回一个n阶的带通滤波器，其通带为W1 < W < W2。

· b = fir1(n, Wn, ‘high’)设计一个高通滤波器。

· b = fir1(n, Wn, ‘stop’)设计一个带阻滤波器。如果Wn是一个多元素的向量，,函数将返回一个n阶的多通带的滤波器。B = firl (n,Wn, ‘DC -1’ )，使第一频带为通带；b = fir1(n,Wn,‘DC -0’ )使第一频带为阻带。

fir2()函数也设计加窗的FIR滤波器，但它针对任意形状的分段线性频率响应(在fir1中受限制)。B = fir2(n, F, M)设计n阶的FIR数字滤波器，频率响应由F和M指定，滤波器系数返回在向量B中，向量F和M指定滤波器采样点频率及幅值，F在0~1，1对应1/2采样频率。

4.5. 隔离处理

4.6. 屏蔽处理

5. 静电释放处理 [1] [7]

ESD防护更多采用专用器件，主要有两类：传统的瞬态电压抑制器TVS (Transient Voltage Suppressor)和现代的ESD防护器件。TVS有单/双向和电压箝位/消弧之分，单向TVS适合于保护电压极性始终相同的电路节点，如0~5伏单极性电压；双向TVS适合保护电压基于零伏对称或双向的电路节点；主要有三种TVS技术：金属氧化物压敏电阻MOV (Metal Oxide Varistor)、聚合物浪涌抑制器和硅二极管，硅二极管是主流，通常TVS就是指硅二极管；响应时间快、瞬态功率大、电容低、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压易控、无损坏极限、体积小、易于安装是TVS器件的优势；VTVS等提供有各类常用TVS器件。现代ESD防护器件，常称为ESD，立足于TVS器件，性能优于TVS，还有滤波等很多特点，它通过对静电的吸收和耗散，以充放电过程实现ESD防护，所以ESD器件都不易老化损坏，同时其工作时表现的电容值很低(不超过5pf)，几乎不对通过信号造成影响；不同于电源输入保护的压敏电阻，压敏电阻穿后多不可恢复(少数特殊类型例外)，而且由于其高的电容值(一般不小于100μf)，不能用于信号传输；NXP、TI、ONS等半导体厂商提供有各类常用ESD器件。

6. 浪涌冲击处理

7. 电路及其制板考虑 [1]

7.1. 一般EMC措施

① 电源线设计：尽量加粗线宽，减少环路电阻，同时使电源线、地线走向和数据传递方向一致；

② 地线设计：数字地与模拟地分开，低频电路的地尽量单点并联接地，高频电路尽量多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用大面积栅格状铜箔；接地线应尽量加粗，要能通过三倍PCB允许电流，线宽尽可能应在2~3 mm以上；接地线尽可能构成闭环路，特别是数字电路；

③ 退藕电容配置：电源输入端跨接10~150 uf的电解电容器；每个IC芯片布置一个0.01 pF的瓷片电容，如空隙不够可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容；抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在电源线和地线间直接接入退藕电容；电容引线不能太长，高频旁路电容不能有引线，接触器、继电器、按钮等元件须采用RC电路(R取1~2 kΩ/C取2.2~47 uF)来吸收放电电流防止电弧；CMOS器件使用时不要使其I/O管脚直接接地或接正电源；

④ 挡阻的使用：排阻阻值要慎选，公共端接线或电源线要粗，最好有退耦电容；

⑤ 覆铜填充：顶/底层电源或地信号、高频器件或模块周围，适当进行大面积横纵交织网形铺铜；

⑥ 各个信号层走线，一层水平，另一层垂直，以增强走线EMC能力；

⑧ ESD器件布线时应遵循：接地距离尽量短、地线面积尽量大、靠近导入口远离受保护器件、ESD器件两端布线坚持走成锐角并保持唯一通道。

7.2. 高频线路布线

① 高频电路集成度较高，布线密度大，宜采用多层板布线。多层板布线，能充分利用中间层设置屏蔽，更好实现就近接地，有效降低寄生电感，缩短信号传输长度，大幅度降低信号间的交叉干扰。

② 高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好，引线越短越好，引线最好采用全直线，需要转折时用45度折线或圆弧以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。

③ 高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好，即元件连接所用的过孔(Via)越少越好。

④ 注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰；同层内平行走线几乎无法避免，但相邻层走线的方向务必相互垂直。

⑤ 特别重要的信号线或局部单元实施地线包围，特别要对时钟等单元局部进行包地处理。

⑥ 各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路，菊花状走线能有效避免布线时形成环路。

⑦ 模拟/数字地接往公共地时要用中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠并布置靠近汇合点。

⑧ 高频连线尽可能短，易受干扰器件不挨太近，输入和输出元件应尽量远离，输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈藕合。

8. EMC测试认证

EMI分为A和B两个等级，A为工业级，B为民用级；民用级比工业级严格，“工业级”允许的辐射稍大。在EMI测试条件下无需操作人员介入、设备能按预期持续正常工作、不出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失，就是A级。EMI在工作频率的“奇数倍”是最不好通过测过的。

EMS分为A、B、C、D四个等级，电子产品设备在EMI下能正常工作或不出现超过标准规定的性能下降为A级，能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降为B级，不能自动重启需人为重启为C级，挂掉(设备损坏无法启动)为D级。国标有D级的规定，欧标EN没有。

EMC标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准。基础标准，描述EMC现象、规定测试方法和设备，定义EMC等级和性能判据，不涉及具体产品。通用标准依使用环境划分，没有特定产品类标准时，使用通用标准，即使设备功能完全正常，也要满足IIR滤波要求。针对某种产品系列，往往引用基础标准，但根据产品的特殊性提出更详细的规定，即产品类标准。

EMC测试/认证的主检项目及其标准有空间辐射[EN55011,13,22]、传导干扰[EN55011,13,14/EN55014-1]、功率辐射[EN55013,14-1]、磁场辐射[EN55011,15]、低频干扰[EN50091-2]、静电放电[IEC61000-4-2/EN61000- 4-2/GB-T17626.2]、辐射抗扰度[IEC61000-4-3/EN61000-4-3/GB-T17626.3]、脉冲群抗扰度[IEC61000-4-4/EN 61000-4-4/GB/T17626.4]、浪涌抗扰度[IEC61000-4-5/EN61000-4-5/GB-T17626.5]、传导骚扰抗扰度[IEC61000-4-6/EN61000-4-6/GB-T17626.6]、工频磁场抗扰度[IEC61000-4-8/EN61000-4-8/GB-T17626.8]、电压跌落[IEC61000-4-11/EN61000-4-11/GB-T17626.11]、谐波电流[IEC61000-3-2/EN61000-3-2]、电压闪烁[IEC61000-3-3/EN61000-3-3]等。

9. 结束语

EMC是电子产品系统必须面对的现实。对于应用中存在的EMC缺陷，改善接地、电源、连接，增加RC、LC简易无源滤波，添加屏蔽、ESD防护、隔离，可尽快增强EMC能力，适应未曾的特殊环境，通过EMC测试或认证。对于即将展开的设计，充分考虑各种运行环境，全面运用EMC理论算法经验，不仅是接地、屏蔽、隔离、滤波、防护等基本方法，还有纵深的有源模拟滤波、数字软件滤波及其仿真优化等先进措施，可将EMC危害消灭在萌芽状态，使产品设备一经产生就具备优良的EMC免疫能力。了解、学习、总结和积累EMC方法措施，促进EMC现场积极应对和硬软件设计改进，意义重大。

Solution and Improvement of Electronic Magnetic Compatibility[J]. 电气工程, 2015, 03(04): 155-172. http://dx.doi.org/10.12677/JEE.2015.34021

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