学习笔记--电磁兼容性EMC

一、基本概念

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是电子电气设备在特定电磁环境中正常工作的能力，同时不会对其他设备产生不可接受的电磁干扰。其核心目标是确保设备在共享的电磁环境中既能抵抗干扰，又能避免干扰他人。

1.1 EMC的两个核心方面

电磁干扰（EMI, Electromagnetic Interference）
设备运行时产生的电磁噪声对其他设备的影响，分为：
- 传导干扰：通过电源线、信号线等导体传播。
- 辐射干扰：以电磁波形式通过空间传播。
电磁敏感性/抗扰性（EMS, Electromagnetic Susceptibility）
设备在电磁干扰下保持正常工作的能力，如抗静电、抗浪涌等。

1.2. EMC三要素

干扰源（Source）：产生电磁噪声的设备（如开关电源、电机）。
传播路径（Path）：干扰传播的途径（传导或辐射）。
敏感设备（Victim）：易受干扰的设备（如传感器、通信模块）。

1.3. EMC标准与法规

国际标准：CISPR（国际无线电干扰特别委员会）、FCC（美国联邦通信委员会）、CE（欧洲标准）。
国内标准：GB（中国国家标准）、3C认证（强制性产品认证）。
行业标准：汽车电子（ISO 11452）、医疗设备（IEC 60601）等。

EMC标准选择优先级

客户要求：如果客户（如特定行业用户或认证机构）有明确的EMC要求，应优先满足客户标准。
企业标准：企业内部制定的EMC标准通常比国家标准和行业标准更严格，适用于企业内部产品的设计和测试。
产品标准：针对特定产品或产品类别的标准，如医疗器械、信息技术设备等。
产品行业标准：按照行业分类的标准，如工业设备、医疗设备、信息技术设备等。
通用标准：适用于所有设备的通用EMC标准，通常根据设备使用环境（如工业环境、居住/商业环境）进行分类。
基础标准：包括EMC测试方法和通用要求，如抗扰度和发射测试的基础标准。

具体优先级顺序

客户要求 > 企业标准 > 产品标准 > 产品行业标准 > 通用标准 > 基础标准。

1.4. EMC设计原则

屏蔽：用金属外壳或导电材料隔离干扰（如屏蔽罩、屏蔽电缆）。
滤波：在电源或信号线中增加滤波器，抑制高频噪声。
接地：设计低阻抗接地路径，避免地环路干扰。
PCB布局优化：
- 关键信号线（如时钟线）缩短并远离敏感区域。
- 电源与地平面分层设计，减小环路面积。
软件抗干扰：通过冗余校验、错误重试等增强鲁棒性。

二、EMC检测

主要测试项目：
- 发射测试（EMI）：测量设备产生的干扰是否符合限值。
  - 传导发射（CE）、辐射发射（RE）。
- 抗扰度测试（EMS）：验证设备在干扰下的稳定性。
  - 静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）、浪涌（Surge）、辐射抗扰度（RS）等。
测试环境：电波暗室、屏蔽室、接地参考平面等。

检测项目表格

	检测项目	适用端口	检测指标	通过标准	参考标准
EMI	传导骚扰测试（CE）	电源端口、信号线端口	传导干扰电压（150kHz-30MHz），限值如Class B≤40dBμV	实测值低于标准限值线	CISPR 22、EN 55014-1、GB/T 18655
	辐射骚扰测试（RE）	设备整体外壳端口	辐射场强（30MHz-1GHz），限值如Class B≤40dBμV@30-230MHz	实测值低于标准限值线	CISPR 25、EN 55032、GB/T 18655
	谐波电流测试（Harmonic）	电源输入端口	电流谐波成分（如3次、5次谐波），限值按设备功率分类	谐波电流总畸变率（THD）符合IEC 61000-3-2要求	IEC 61000-3-2、EN 61000-3-2
	电压波动与闪烁（Flicker）	电源输入端口	短时电压波动幅度（ΔVmax≤4%）及闪烁指数（Pst≤1）	波动幅度及闪烁指数低于限值	IEC 61000-3-3、EN 61000-3-3
EMS	静电放电抗扰度（ESD）	外壳端口、通信端口	接触放电±8kV，空气放电±15kV（Class 4级）	设备功能正常（Class A）或可自恢复（Class B）	IEC 61000-4-2、GB/T 17626.2
	电快速瞬变脉冲群（EFT）	电源端口、信号线端口（线长≥3m）	脉冲电压±2kV（电源线）、±1kV（信号线），重复频率5kHz	设备无功能降级（Class A/B）	IEC 61000-4-4、GB/T 17626.4
	浪涌抗扰度（Surge）	电源端口、通信端口	浪涌电压±2kV（线-线）、±4kV（线-地）（Class 4级）	设备无损坏且功能恢复（Class B/C）	IEC 61000-4-5、GB/T 17626.5
	辐射抗扰度（RS）	设备整体外壳端口、通信端口	射频场强10V/m（80MHz-6GHz）	设备功能正常（Class A）或可自恢复（Class B）	IEC 61000-4-3、GB/T 17626.3
	传导抗扰度（CS）	电源端口、信号线端口（线长≥3m）	射频干扰电压（150kHz-80MHz），限值3V（Class 3级）	设备无功能降级（Class A/B）	IEC 61000-4-6、GB/T 17626.6
	电压跌落与中断（DIP）	电源输入端口	电压跌落至0%（短时中断）、40%（持续10ms）	设备重启后功能正常（Class B/C）	IEC 61000-4-11、GB/T 17626.11

适用端口分类

电源端口：包括交流/直流输入端口（如AC 220V、DC 12V）。
信号端口：如RS-485、以太网、USB等通信接口。
外壳端口：设备金属外壳或非导电外壳的接缝、按钮等暴露区域。

通过标准等级

EMI：分Class A（工业级）和Class B（民用级），限值严格度B > A。

以辐射3m场测试为例：

Class A在30-230MHz要求不能超过50dBuV, 在230-1000MHz要求不能超过57dBuV

Class B在30-230MHz要求不能超过40dBuV, 在230-1000MHz要求不能超过47dBuV

EMS：分Class A（完全正常）至Class D（设备损坏），严格度A > B > C > D。

Class A: 测试完成后或测试中被测设备一直处于正常工作；

Class B: 测试完成或测试中允许被测设备出现重启，不需要人为干预的情况下，可以恢复正常工作；

Class C: 测试完成或测试中允许被测设备死机(或其他无法正常工作的现象)，但是需要人为调整后可以重启并正常工作；

Class D: 设备已损坏，无论怎样调整也无法启动。

测试环境要求

EMI测试：传导骚扰需屏蔽室，辐射骚扰需电波暗室。
EMS测试：静电放电需接地参考平面，浪涌需隔离测试台

三、EMC防护设计

3.1常见概念

3.1.1 差模干扰和共模干扰

差模干扰：指在两条导线之间传输的干扰信号，其电流方向相反、幅度相等。
共模干扰：指在两条导线中同时出现的干扰信号，其电流方向相同、幅度相等，且以地为参考

特性	差模干扰	共模干扰
电流方向	相反	相同
传输路径	通过两条导线之间的回路	通过导线与地之间的回路
频率范围	主要为低中频段	可能覆盖更宽频段
抗干扰能力	较强，适合高速信号传输	较弱，易受外部干扰

3.1.2 分贝单位

dBm（分贝毫瓦）：以毫瓦（mW）为参考，表示功率的对数比值。
分贝（dB）和分贝毫瓦（dBm）之间的换算关系是： dB=dBm+30

单位	定义	换算公式
dBm	功率单位（参考1mW）	dBm=10log10(P/1mW)
dBμV	电压单位（参考1μV）	dBμV=20log10(V/1μV)
dBμA	电流单位（参考1μA）	dBμA=20log10(I/1μA)
dBpT	磁通密度单位（参考1pT）	dBpT=20log10(B/1pT)

3.1.3 防雷和ESD防护器件

防雷器件（浪涌防护）

陶瓷气体放电管（GDT）

原理：利用气体电离导通特性，在高压下形成电弧放电通道泄放雷电流。
特点：
- 通流量大（可达100kA），适合一级防护。
- 极间电容小（<3pF），适用于高频信号线路。
- 击穿电压分散性较大（±20%）。
应用：通信基站电源、电力系统防雷。

压敏电阻（MOV）

原理：基于氧化锌材料的非线性电阻特性，钳位过电压。
特点：
- 响应时间快（ns级），通流容量中等（1-20kA）。
- 结电容较大（nF级），不适用于高频信号。
- 易老化，多次冲击后性能下降。
- 失效模式为短路
应用：电源输入端口、AC/DC转换器防护。

ESD保护器件（静电防护）

TVS二极管（瞬态抑制二极管）

原理：利用PN结雪崩击穿特性，快速钳位电压。
特点：
- 响应时间极快（ps级），钳位电压低。
- 结电容小（0.5-50pF），适合高速接口（USB 3.0、HDMI）。
- 支持双向/单向配置，工作电压范围广（6.8V-550V）。
应用：手机接口、汽车电子ECU

SPD（浪涌保护器）

SPD通常由多种元件组合而成，如MOV（压敏电阻）、TVS（瞬态抑制二极管）和GDT等。其核心功能是通过限压或分流的方式，将过高的电压限制在安全范围内

防护器件	特性	应用场景	优点	缺点
MOV（压敏电阻）	非线性电阻特性，电压超过阈值时阻值急剧下降，限制过电压。	电源端口、低频信号线、防雷保护。	响应速度快（纳秒级），通流量大，成本低。	容易老化，多次使用后漏电流增加，失效模式为短路。
TVS（瞬态电压抑制二极管）	基于半导体工艺，响应速度快（亚纳秒级），可将电压钳位到安全水平。	低电压接口、IC保护、ESD防护。	响应速度极快，钳位电压低，电压精度高。	耐浪涌电流能力较弱，适合低能量场景。
GDT（气体放电管）	内部惰性气体击穿导电，将过电压泄放到地。	电源端口、通信接口（如RS485、网口）、防雷保护。	通流量大，耐高能量冲击，残压低。	响应速度较慢（微秒级），存在放电延迟。
SPD（浪涌保护器）	内部包含非线性元件（如MOV、TVS、GDT），用于限制过电压。	电源线路、信号线路、设备外壳等。	保护能力强，可承受高能量浪涌，适用于多种应用场景。	需根据应用场景选择合适的内部元件，成本较高。

3.2 防护方法

1. 控制干扰源强度

抑制电磁发射：通过优化电路设计降低设备自身产生的电磁噪声，例如采用低噪声电源拓扑、控制高速信号上升时间、使用软开关技术减少开关电源的瞬态干扰。
限制辐射范围：对高频电路（如时钟电路、射频模块）采取屏蔽措施，如金属屏蔽罩或导电涂层，并通过多层PCB设计（信号层与电源/地层交替布局）减小环路面积。
降低传导干扰：在电源端口增加滤波器（如共模电感、X/Y电容组合），信号接口使用低通滤波电路抑制高频噪声。

2. 阻断干扰传播路径

传导路径管理：
- 采用星型接地或单点接地，避免地环路耦合；
- 电源线与信号线分离布线，敏感线路两侧布设“Guard Ground”地线。
辐射路径阻断：
- 使用屏蔽电缆（如双绞线或同轴线）替代非屏蔽线缆；
- 优化PCB布局，高速信号远离板边并缩短走线长度。
耦合路径抑制：
- 相邻布线层避免平行走线，必要时增大层间距；
- 对敏感电路（如模拟采样）进行包地处理，阻断空间耦合。

3. 提升设备抗干扰能力

硬件防护设计：
- 关键接口（如RS485、以太网）增加TVS管、气体放电管（GDT）等多级浪涌防护；
- 采用差分信号传输（如LVDS、USB3.0）增强共模干扰抑制。
软件容错机制：
- 通过CRC校验、数据冗余重传增强通信可靠性；
- 设计看门狗电路和异常状态恢复逻辑。
结构防护优化：
- 机箱采用导电材料（如铝合金）并确保接缝连续导电，屏蔽效能需达40dB以上；
- 通风孔设计为蜂窝状波导结构，兼顾散热与电磁泄漏控制。

4. 系统级协同设计

分层防护策略：
- 一级防护：在外部接口（如电源输入、通信端口）部署大通流器件（如压敏电阻）泄放能量；
- 二级防护：在板级电路使用TVS管、滤波电容实现精细保护。
成本与性能平衡：
- 消费类产品优先选择低成本方案（如单层屏蔽+基础滤波）；
- 高可靠性领域（航空航天、医疗）采用冗余设计（如双路隔离电源+全屏蔽机箱）。