如何在产品设计中评估EMC风险

norman2799

  如何在产品设计中评估EMC风险
郑军奇
上海易湃科电磁技术有限公司
　　摘要：本文大致介绍了一种在产品设计中评估EMC风险的方法 ，这种方法主线是共模电流，这种共模电流以标准IEC61000-4-4 中的EFT/B脉冲或标准ISO7637中P3脉冲的测试原理为基础(也可以IEC61000-4-2 和ISO10605等高频EMC测试为基础)。它可以在电子产品与电子产品的开发流程融合在一起，通过每个步骤的EMC分析，指出现有产品EMC设计的风险，并给出解决方案或改进建议，以提高产品EMC测试的通过率，降低产品开发成本。实践证明，按照电快速瞬变脉冲群测试干扰原理为基础进行分析的结果，同样对其它高抗绕度测试项目及EMI也有有着重要的意义，如IEC61000－4-2, IEC61000 －4-3, IEC61000－4-4, IEC61000－4-6, IEC61000－4-12标准中所涉及的所有测试 ,传导骚扰和辐射发射测试，汽车电子中标准ISO10605、IS011452-2 、IS011452-3、IS011452-4、IS011452-5、IS011452-6、IS011452-7、CISPR25、1S07637-3所涉及的测试及ISO7637-2中的P3a 、p3b波形的测试。
　　关键词： EMC、构架、设计、风险、阻抗 、共模电流、PCB
1引言，
作者认为对于EMC设计的境界，会经一般会经历4个阶段：整改阶段，此阶段是产品EMC设计的初步阶段,即产品进行EMC测试时，发现EMC问题，才通过各种临时措施使产品通过EMC测试。整改的概念与企业产品开发流程也不符合；技术设计阶段。这个阶段，企业一般已经有了一定EMC的技术，并有时还会有专职的EMC工程师负责EMC工作，与其它开发人员一起在产品功能设计的同时，考虑EMC问题，但是还处于懵懂状态；方法论阶段，将1，2阶段的整改和设计技术上升为一种方法论，通过此方法论可以很好的，系统的指导产品的设计，同时有不脱离产品实际；仿真阶段，这是EMC设计技术的最高境界。本文主要介绍的一种实用的EMC风险评估方法，即“产品设计EMC风险评估法” 它方法论阶段的产物。
2、EMC设计技术与管理的发展与现状
目前大多数企业处于EMC设计技术境界的第一阶段或第二阶段，在EMC设计方面通常有如下状况：
·    工程师大多没有接受过系统的全面的EMC培训经历。
·    企业内部没有一套针对EMC设计流程或方法，产品EMC性能的好坏完全取决于个别产品开发人员的素质和经验，同时设计成本也很高。
·    企业没有一套对EMC性能负责的责任体系，没有专职的EMC专家或设计工程师。
·    由于目前业界的大部分EMC书籍、教学资料、培训太偏向与EMC理论，导致企业中的开发工程师即使学习过很多EMC知识，如滤波、接地、屏蔽等原理，但是面对实际的产品，往往难以下手。
以上几点说明，总结出一套实用方便的EMC设计方法是一件非常有意义的事情。 本文描述的方法，可以称为 “产品设计EMC风险评估法”。该评估方法的核心是共模电流（IEC61000-4-4标准和ISO7637-2标准中电快速瞬变脉冲群测试时注入产品的共模电流），它是建立在EMC设计技术理论的基础上，通过长期实践，而形成的一种实用、简单而系统的分析方法。正确使用该方法能将产品在第一轮或第二轮设计时，就通过所有的EMC测试，这种通过率在第一论时为90％，第二论时为100％。其中EMC风险的评估分析过程包括：
(1)    “产品的机械结构构架设计的EMC风险分析”；
(2)    “电路原理图设计EMC风险分析及PCB布局布线建议”；
(3)    “PCB布局布线审查”。
企业中，产品设计的EMC风险评估通常需要由企业中的EMC专家、顾问或经过该方法专业培训产品系统工程师担任。企业如果有了正确的EMC风险评估手段，就可以清楚的看到现有产品设计在EMC方面存在的优点、缺陷与风险，而且通过优点、缺陷与风险，可以预测产品EMC测试的通过率。
3 产品机械结构构架设计的EMC风险分析
无论是产品本身产生的EMI共模电流还是外部干扰注入的干扰共模电流，都与产品的构架有紧密的关系。看图1和图2中两个所示的产品构架实例，其中,图1所示的产品中,当信号连接器与信号电缆分别位于电路板的两侧时, 共模电流(箭头线所示)将流过整个电路板,整个电路板中的电路都会受到共模电流的影响,而图2所示的产品中，当 两个连接器与信号电缆同时位于电路板的同一侧时,共模电流的大小并没有改变(信号电缆对地的阻抗为未发生变化),而共模电流的路径发生了改变。即 共模电流自信号线1进入电路板后,又很快的通过信号线2对于的寄生电容流入参考接地板，使得电路板的大部分的电路受到保护。可见将输入输出端口连接器集中放置在电路板的一侧，可以降低EMC的风险，相反将输入输出端口连接器分散放置的电路板的各个地方，必将增加EMC的风险。

图1、信号电缆分布在PCB板两侧

图2、信号电缆集中在PCB板同一侧
这就是产品机械结构构架设计的EMC风险评估核心，其中，共模电流在产品机械结构构架的EMC风险评估中有着很重要的地位。评估的主要目的是为了让共模电流不流过产品的内部电路或敏感电路。图3给出了这种分析方法的实例。如果产品机械结构构架能使测试时产生的共模电流不流向产品内部电路的数字工作地（GND）或模拟工作地（AGND）部分，而使其流向结构地（包括产品的接地点、金属外壳、金属板等），那么这个产品的机械结构构架具有较低的EMC风险。

图3 某一产品的产品机械机构构架EMC分析图
4 原理图设计的EMC风险分析
产品电路原理图的设计是产品设计核心，对原理图设计的EMC风险分析目的是为了指出现有原理图存在EMC问题，通过修改最大限度的降低EMC风险，降低设计成本。电路原理图的分析是建立对原理图中的电路进行划分的基础上,通过分析将电路原理图分成:
·    “脏”的部分,；
·    “干净”的部分；
·    滤波去耦的部分；
·    需要做特殊处理的部分

图4   电路原理图的EMC分析原理
图4 所示的电路原理图的EMC分析原理，其中“脏”或噪声区域的部分通常是电路中的I/O部分或产品的壳体。在这些I/O端口或壳体上需要进行EMC测试,EMC干扰需要从这些I/O口注入,这些电路是产品中受干扰最严重,最直接的部分。如产品的ESD放电点、电源端口的电路,通信端口的电路, 其它输入输出口的电路, 通常,这些电路不能直接延伸到内部干净的电路区域，其间需要包含至少具有一个以上器件（如电容）组成的滤波器或滤波电路与其配合使用,滤波电路包括共模滤波和差模滤波。对于接地产品，共模滤波是必须的。在有些不能使用共模滤波的情况下（如产品浮地），就要保证PCB设计时，在共模电流干扰路径上的地平面完整，以降低共模电流流过时产生的压降，不然就需要在地阻抗较高区域的信号线上加电容进行滤波。
“干净”区域的电路部分,是不受外接直接干扰的或与内部噪声源干扰的部分电路, 在电路中其通常位于滤波电路之后, 也是电路中需要保护的部分. 如A/D.D/A转换电路, 检测电路,CPU核心电路等,。
滤波、去耦及隔离区域的电路: 是介于干净电路部分与脏电路部分之间的,完成对“干净”电路和“脏”的电路的隔离, 以保护保护”干净”的电路,将干扰滤除,或将产品内部特殊噪声电路、或敏感电路隔离在其它电路之外。滤波电路通常至少有一个或多个电容组成。通常还会包括电感、磁珠、电阻等器件。
内部噪声电路、敏感电路的区域中是一些需要做特殊处理的部分，它是电路中比较特殊的部分,通常特殊电路包括两方面电路,第一是及其敏感的电路,如复位电路,低电压、低电流检测电路、 低电压模拟电路、高输入阻抗电路等,这些电路不像其它普通数字电路一样具有相对较高抗干扰能力, 对于这些敏感电路,除了进行像普通电路一样滤波去耦处理之外,还有必要进行一些其它的额外处理,如二级滤波, 屏蔽, 对其信号线进行包地 等处理。第二种是内部电路的噪声源,  对这部分电路的处理主要是为了降低噪声源的电平,并将其隔离于“天线”之外。 如电路中的晶振和时钟电路,常用的措施有屏蔽, 去耦, 对其信号线进行包地 等。
在PCB布线布局的时候,各个电路部分之间的串扰也是着重需要考虑的。
5、PCB设计审查和风险评估
PCB审查风险评估的目的是为了检查PCB设计者是否将EMC专家给出的PCB布局布线建议落实。纵然将全部PCB布局布线的建议会有很大的困难，但是通过审查，EMC专家与CAD的专家一起能找到一种比较折中的方法，这种折中的方法，不但能使EMC风险降低，而且还能顺利实现PCB布局布线。在PCB审查结果中，EMC专家需要把一些未落实的或实际实现与建议不一致的现象一一列出，这将有助于产品在EMC测试时，定位分析。一一列出的内容,其主要包括如下两个方面：
- 共模电流流过路径上的阻抗，如地平面是否完整性，是否没有任何过孔、裂缝和开槽。
-“脏”信号印制线及一些需要进行特殊处理的信号印制线与其它信号线之间的串扰问题。
6、结束语

本文所描述的内容仅仅是产品EMC设计风险评估法中的概要，毕竟EMC也是一门有一定深度的学科，限于篇幅，作者不能将所有的内容都写于此文章中，要全部掌握该方法中的所有内容还需要读者经过专业的培训和学习。
参考文献：
1.    郑军奇 “EMC设计与测试案例分析” 电子工业出版社 2006 12；
2.    郑军奇 “电子产品设计EMC风险评估” 电子工业出版社 2008；
3.    IEC 61000-4-4 “Immunity requirements and test methods for         equipment subjected repetitive electrical fast         transients ” 1995

jiangweiamo

你为什么挂上他们的名字，而不是你本公司的名字呢？？

不懂了？？

俺也猜不透了。能不能把一些好东东放上来呀！！

xp

最常用的是经验评估。其实对风险规避还说，最好的方法是将EMC设计引入到设计流程中去