小述电磁兼容

• 什么是电磁兼容

对于还没有毕业的、刚毕业的同学们可能对电磁兼容体会不深。但不论老师的指导、业界的传言，都给我们指出了一些电磁兼容的蛛丝马迹：每个IC加一个104电容、数字地模拟地需要分割等等。先不讨论这些做法的对错，至少说明，我们需要做些什么事情，才能保证我们的设计能很好的工作。
电磁兼容性（EMC）是描述一个电子设备的两方面性能：对别的设备的干扰严重程度（EMI）和对自然界或别的设备的干扰的抗受程度（EMS）。有很多很牛X的人做了很多很牛X的工作，用标准的形式把电磁兼容分成了若干个可以用测试衡量的项目，例如IEC61000-4-X系列；国标GB17626.X系列，就是抄IEC的。我不想像教课书一样给大家列出这些标准，就用几个简单的、我们经常能遇到现象来对应下：
1. 很多人遇到过把示波器地线夹到板子上的时候，板子复位的现象吧，这个是热插拔“浪涌（Surge）”的效果；
2. 冬天的时候，北方的同学们经常对自己的笔记本电脑或者台式机过电吧，这个是“静电放电（ESD）”干扰；
3. 使用电钻的时候听收音机，有杂音，这是“快速瞬变脉冲群（EFT）”的效果；
注意这几个用引号括起来的词，就是几个典型的电磁兼容测试项目。当然还有两个非常重要的项目“辐射”和“传导”，但我觉得只是为了让单板正常工作，这两个项目不用考虑；我目前也没有这方面的实践经验，本文就简略些。据我头说我们要买个频谱仪，有那个之后我再玩玩这两个项目，看看理论的东西是不是胡说。
再说说对电磁兼容的范畴界定：以我的认识，电磁兼容性应算产品的性能，不能划归可靠性范畴；因为可靠性主要研究产品能在什么应力下能用多久不坏，不关心干扰的问题。因此，电磁兼容性的提高，不代表可靠性提高，反而由于引入了串联的对策器件（这个词下面就解释了），对策器件选择不当会降低系统可靠性。但研究所、实验室科研就不用理清这个概念了，反正课题验收只要好使一次，没有人关心可靠性。
很多人觉得电子设计必须考虑电磁兼容各种规则，其实有些情况不用，或者说不用考虑全部；因为请一定记住，电磁兼容性的提高不是随便就能达到的，是有成本的，这包括几个方面：电磁兼容PCB设计往往要求高，层数和面积都会增大；增加对策器件；增加测试成本。山寨手机往往电磁兼容做的不好，但卖的好才是真的好。但对于工程师，必须懂得这些知识，中国人不能永远搞差异化产品的。呵呵，扯远了。

• 重新认识PCB和基本器件

这个小节讲的全部是一件事情：分布参数。分布参数就是分布在PCB或者器件中的电容、电感、电阻，这些东西数值很小，但是在很多情况下，他们造成的影响狠严重。给出一个经验数值，一般1厘米长的PCB走线的电感量是6nH。按照经典的复阻抗计算公式Z=ωL，在100MHz下，1厘米导线的复阻抗达到3.76Ω，稍微长一些的导线对高频信号就会表现出很大的衰减。
而我们常用的电容、电感因为存在分布参数，在高频下也不能用简单的符号来表示。以电容的模型为例，请看我们常用的X7R型的0603封装50V耐压0.1μF电容的模型，其中L1和L2影响电容的等效串联电感（ESL），R1、R2、R3影响电容的等效串联电阻（ESR）。

　

 有这么多分布参数，导致这个104电容的复阻抗-频率曲线变成了这样：

 

可以看出，这种电容在11M左右的时候，复阻抗最小，大约为100mΩ。随后由于等效串联电感的存在，复阻抗会逐渐增大。但刚才已经提到了，1厘米的PCB走线有6nH的电感，当这种电容焊接在电路板上的时候，其复阻抗特性曲线会向左移动一些；所以，这种电容比较适合用于若干MHz到20MHz频率下的滤波。很多单片机的工作频率都在这个范围，因此104电容可以用于单片机系统的电源滤波。但如今的ARM、DSP、PowerPC系统频率都不下百兆，用104电容就不合适了。
说说等效串联电阻的作用：等效串联电阻小的电容，其复阻抗特性曲线整体下移，因此，在很大频率范围内复阻抗都很小，所以等效串联电阻越小的电容，滤波效果越好。

接下来说说电感，电感也存在等效串联电阻、匝间电容等分布参数。除了高频下，电感特性会变化之外，电感还受到直流电流的影响——因为电流会让电感的磁芯饱和。另外，有的磁芯磁导率还会受到温度的影响。用TDK公司的某电感的参数特性曲线为例子说明：

•  认识电磁兼容对策器件

下面来说说专门为了电磁兼容而存在的器件。
主要可以分为滤波和瞬态抑制两个类别。起滤波作用的有：共模电感、磁珠、三端电容等；起瞬态抑制作用的有：TVS二极管、压敏电阻、气体放电管等。这些器件的原理、结构、基本作用等我不说了，百度一下一大片。说些不容易搜索到的：
1. 磁珠到底是什么
很多人搞不清楚磁珠、电感、0欧姆电阻的区别。先看看村田制作所（好多年了，一直觉得和春田花花幼儿园有关系）提供的磁珠内部结构：

原来就是用线在里面绕圈啊，可以肯定这和0欧姆电阻不一样，因为它有一定电感。那么磁珠和电感有什么区别呢？我觉得是磁心材料的区别，电感的磁芯材料是用来储能的，而磁珠的磁性材料是用来耗能的，在高频的时候产生很大的涡流，来把交变信号的能量消耗掉。所以，在高频下，磁珠表现出很大的纯电阻值，而不是复阻抗值。可以看看磁珠的阻值频率特性曲线：

那么，什么地方用磁珠呢？建议的应用是：电源滤波、信号滤波。强烈不建议将磁珠用于模拟、数字地之间的跨接，因为这样容易引起地电位差，对AD、DA的精度产生很严重的影响；这种情况用0欧姆电阻或者干脆不区分模拟和数字地，只区分模拟和数字电源。目前我尝试过两个地之间用磁珠有效的只有一种：防止热插拔时的浪涌。

2.TVS、压敏电阻、气体放电管到底用那个
这三个器件都是用来抑制瞬态电压变化的，不同的是TVS响应最快（0.1ns级别），但通流量小；压敏电阻响应比较快（1ns级别），通流量大；气体放电管响应慢（1us级别），通流量大。因此，TVS和压敏电阻可以用来抑制ESD放电，气体放电管和压敏电阻可以用来抑制浪涌。

• 怎样提高电磁兼容性

之前我提出电磁兼容是产品的性能，但对于概念不清的人来说，“提高电磁兼容性”这个提法很模糊，只好通俗解释下——就是怎样通过电磁兼容测试。
请一定建立起这个概念：提高电磁兼容性要从板级设计开始。在产品的板级设计不太差的前提下，可以通过增加一些简单的电磁兼容对策器件实现电磁兼容性的提高——但这完全是治标不治本。给我上课的老师就举了某电力测量设备的制造商例子，他们的产品为了通过2kV的快瞬脉冲群，共模电感、Y电容的加了一大堆，还修改采样电路板PCB，搞得很麻烦；原因就在于他们的单片机系统设计太垃圾了。2kV的快瞬对低速的单片机系统来说就和玩一样，轻松对付。那么具体该怎么做呢，第一，要注意PCB和基本器件的分布参数，正确选择各种器件；第二，要了解各种电磁兼容对策器件的特性和选型方法；第三，注意各种滤波设计；第四，要注意PCB设计。前面两条已经在上文种有所涉及了，但我写出来的就是个导读，要是全写出来我干脆写书去了。说说后面两条。

• 电磁兼容滤波设计

这个叫法和一般的信号滤波设计不同，是有针对性的。再次说明，本文不涉及产品对外辐射的控制，但这些滤波器一般可以起双向滤波的作用，通俗点说，里面的干扰出不来，外面的干扰进不去。
要设计这种有针对性的滤波器，首先必须了解将要面对的是什么信号：以快瞬脉冲群、浪涌、静电放电为例。
1.快瞬脉冲群
快瞬脉冲群是用来模拟感性负载在电路上的频繁接入和断开的情况，比如电机、继电器等。它的电压波形是这样的：

 

快瞬脉冲群可以加在电源上，如果AC/DC电源的传导衰减不够，就会在设备的直流电源上产生相似波形的干扰信号。快瞬脉冲也可以通过耦合夹耦合在信号线上耦合出相似波形的干扰信号，通过信号端口传入设备。另外，由于快瞬脉冲群的辐射能量很大，附近的线缆也会感应产生相似波形的干扰信号。如果是单个干扰脉冲，数字电路一般有施密特触发器，不会误触发。但连续的脉冲群会使施密特触发器失效，而扰乱数字电路。
快瞬脉冲群单个脉冲的上升沿，决定了其能量大致分布在十几MHz~几百MHz的范围内，因此滤波器在这个区间内要有滤波效果。
另外，快瞬脉冲群干扰是共模的，不论你选则的是L、N，L、PE，N、PE，L、N、PE那一种耦合方式，快瞬脉冲群都是共模的。有必要解释什么叫共模干扰，共模干扰指的是相对于某个共同的外部参考源，例如大地的干扰。我目前理解的脉冲群共模干扰的模型如下：

脉冲群的干扰就像河道里的水波一样，一波一波的涌入设备，如果被测设备完全悬空，那么仅仅是其电势被抬高，不会产生影响；但是，由于被测设备和大地之间存在耦合电容，高频干扰信号就能找到回流路径，因此，设备的正常工作受到影响。
对于脉冲群，可以使用如下图所示的对策：

我仅对电源线对策举例，信号线的对策大同小异。被测设备最好要有个金属屏蔽外壳，并与大地有良好的电气连接，这样PE信号的干扰就可以直接导入大地。交流供电线上的干扰使用共模电感抑制，注意应选择滤波区间在脉冲群能量频率范围内（十几MHz~几百MHz）的共模电感，通过共模电感之后共模干扰会大幅衰减，图中的箭头大小表示能量的大小。光有共模电感有些情况下还不够，还应在进线端增加对大地的Y电容，让干扰能量尽可能早的回流到大地，而不干扰到后级的电源模块和功能电路。

2.浪涌

浪涌就是模拟雷击的，当然还有热插拔浪涌，这个暂时不讨论。 浪涌测试的电压波形如下：

电流波形就不贴出了，长的和这个波形差不多。浪涌的特点是电流上升沿较缓，但峰值电流很大，可以达到数百到上千安培；同时，浪涌的电压较高，可以达到数千伏。浪涌能在很短的时间内令设备内部器件或空气击穿，损坏设备。由于浪涌的能量很大，完全堵住浪涌是不可能的；因此，浪涌的对策是疏导。在电源线上放置瞬态抑制器件，如TVS、压敏电阻、气体放电管等等。典型的对策电路如下所示：

这种形式的电路，放置在设备的电源输入端，一旦电源出现浪涌，压敏电阻和气体放电管就会导通，将浪涌能量导走，令其不进入后部处理电路。而在没有浪涌时，由于气体放电管几乎没有漏电流，可以满足安规要求。

3.静电

静电放电测试用来模拟人体对设备的放电。其波形如下图所示：

静电放电结合了脉冲群和浪涌的特点，由于静电放电电流上升沿非常陡峭，使放电时产生宽达数GHz的干扰频谱；另外静电放电的电压一般可以达到1万伏特，峰值电流可以达到数十安培，虽然放电的时间短、能量较小，但也有可能使设备损坏或造成可积累的损坏。静电的对策是脉冲群对策和浪涌对策的结合：一方面要加强屏蔽和共模滤波，另一方面也要对放电电流进行疏导，避免其进入电路。

• 如何设计电磁兼容性良好的PCB

设计PCB学问就多而乱了，什么层叠设置，阻抗匹配，串扰预防等等等等。其实要提高电磁兼容性，最重要的原则是：回路面积最小。
回路面积最小指的是信号路径和回流电流路径所围成的截面积最小。用一个信号穿越地分割的例子来说明：

图中红色的是某双面板顶层信号线，蓝色是底层地平面。当信号线在完整的地平面上时，黄箭头所示的信号电流和绿箭头所示的信号回流电流基本重合，二者回路面积最小；当地平面存在分割时，回流电流就会绕开地平面分割行进，使回路面积增大。回路面积越大，电路感应出的干扰信号幅度也就越大，向外的辐射也越多。相关知识可以查看PCB方面书籍。
最符合回路面积最小原则的PCB设计是所有信号线都有完整地平面陪伴，最不符合的例子是电缆中独行的信号线。

PCB设计虽然没有太高的技术含量，但确是很需要经验的。

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