EMC、EMI设计技术及问题精讲.pptx

1、EMC设计设计EMC/EMI问题产品内部的电磁干扰l稳定性、可靠性产品对外产生的电磁干扰l空间 发射辐射l电缆 传导辐射产品对外界干扰的抵抗能力l空间 发射敏感度l电缆 传导敏感度电子产品EMI对策的变化适应未来要求的EMI新对策传统EMI对策查找EMI问题的方法：频谱仪近场探头l“探测火苗”采取的手段：屏蔽滤波l把“火苗”捂在设备内部传统对策遇到新问题l需要考虑设备内部【板间，板内信号间】EMI问题，不能使用屏蔽/滤波手段l屏蔽和滤波会增加重量、成本l信号频率与干扰频率一致，不能采用滤波l频率提高，布线、屏蔽体、机箱等成为天线l高频信号耦合到电缆，由电缆发射EMC对策新理念基础：对EMI产生

2、和抑制机理的充分认识新EMI对策的核心全体人员认识EMI形成及抑制机理l全体人员：项目负责人、总体设计人员、硬件工程师、结构工程师、EMI工程师l认识EMI：借助先进的工具，迅速积累经验l采取科学手段：灭火种，切断火的蔓延路径建立科学的EMC管理体系l项目各阶段EMC的评估l制订针对各类设计人员的工艺要求l利用先进的工具，建立完善的评估体系及早考虑EMI/EMS/EMCEMI/EMC是项系统工程l早考虑 成本低，手段多，效率高l需要产品所有组件协同配合专家的经验 PCB设计的很多规则l设计能全部按照设计规则执行吗？l所有的理论在所有场合都正确吗？仿真技术l数字电路的仿真模型：IBIS模型不完整

3、、不准确lEMC仿真：需要SPICE模型，很难获得l精度与速度及早引入测量技术l电磁场扫描技术、EMC预兼容测试新理念要求企业充分重视EMCEMC是一项系统工程，不是EMC工程师一个人的事情l总体设计、单板设计阶段就需要考虑l仅整机考虑：成本高，速度慢，问题复杂为工程师制订“工艺文件”l把经验总结为电子产品设计规则，成为设计工艺文件，避免犯类似错误EMC是产品质量的一个非常重要的指标l需要保证生产线的产品与设计原型一致新理念要求：提高工程师素质是根本我国的EMI问题刚刚得到重视l工程师经验积累少、没有频域手段先进的设备，仅仅是一种手段，最终解决问题还是需要工程师丰富的经验l奥吉通定期出版“典型

4、案例分析”l奥吉通提供专家级的技术服务好的测量手段能帮助你迅速积累正确的经验对EMI产生和抑制机理的理解，是解决未来EMI问题的基础EMC/EMI测试技术EMC认证测试预兼容测试近场测量EMC认证测试技术测试场地l开阔场【有背景噪声】l暗室EMC认证测试技术远场测量l测量天线与被测物的距离一般为1、3、10米l给出的结果是一张频谱图EMC预兼容测试EMC认证测试l费用高，需出差，需预约等待l很难在认证测试中心进行各类试验l产品后期的成败型测试，解决问题的代价高、手段少、时间长企业摸底测试电磁兼容预测试l自己建立相应的EMC实验室l能使设计人员在产品研制的过程中，及早发现问题，及时采取有针对性的

5、措施，降低纠错成本并提高认证测试的一次性通过率。传统的EMC预兼容测试环境要求l发射辐射：开阔场或半电波暗室l发射抗扰度测试：全电波暗室。场地l开阔场：中国几乎没有符合要求的OATSl暗室：费用昂贵，对EUT体积有限制l屏蔽室：测量不准确，对EUT体积有限制工程师最急需的预测试类型l辐射发射：占85以上，而且解决最难传统预测试的问题传统预测试方法l主设备：频谱仪l环境：普通环境l方法：EUT开机关机各测一次，结果相减lEMI定位：配单探头问题l背景信号不稳定lEUT与背景相同的频率点l结果有偏差近场测量测量EUT上的电流：EMI是EUT上的高频电流回路形成的。精确定位EMI产生的源头和分布区域

6、。先进的EMI设计和排查手段EMSCAN电磁干扰扫描系统及应用Emscan系统构成RF信号控制信号以太网GPIBVIDEO1280个探头组成的扫描器世界上唯一采用阵列探头世界上唯一采用阵列探头/电子扫描的近场测量系统电子扫描的近场测量系统世界上唯一能获取被测物完整电磁场信息的测量系统世界上唯一能获取被测物完整电磁场信息的测量系统全球使用Emscan的公司通信lLucent,Alcatel,Motorola,Nortel,Siemens,Hitachi,Oki Electric,NEC,Nippon Telegraph and Telephone,汽车lFord,Chrysler,Delco/D

7、elphi,Honda,Mazda,Siemens,Nissan,计算机、办公自动化lIBM,Dell,Apple,Brother,Compaq,Xerox,Hewlett Packard,NEC,Goldstar,Canon,Minolta,Ricoh,3Com,Thomson，Intel，消费电子lSamsung,JVC,Sony,Pioneer,Intel,Konica,Matsushita,Pioneer,Citizen,Toshiba,Sharp,Hitachi,Kenwood,频谱扫描找出频率点选择几个代表性探头选定频率范围,设定带宽,执行测量给出选定频率范围内各频率的幅度峰值得到

8、有问题的频率。空间扫描找出问题点选定区域，设定频率点执行测量实时显示EMI位置和强度的图形。调整电路参数或者更换器件，能实时反映观测瞬态EMI观测设备不同状态下的EMI频谱/空间扫描得到每个物理位置的全频段的EM强度l每个位置点可记录一万个频率的幅度信息l完整的EM文档利用合成频谱和合成空间功能，分析l一个或几个频率的空间分布l部分区域的频谱提高工作效率l快速定位干扰源位置电磁干扰干净区域存在有某种频率的干扰频谱/空间扫描分析后台分析指定位置的频谱图指定位置的频谱图指定频率的空间分布图指定频率的空间分布图频谱/空间扫描结果图合成合成频谱图频谱图合成合成空间图空间图覆盖方式把扫描结果与PCB设计

9、图叠在一起显示。l更容易看清辐射源位置。l完整清晰的设计文档 lPCB设计图：光绘文件Emscan在各个阶段的应用设计阶段设计阶段l及早考虑及早考虑EMI问题，单板问题，单板/机箱机箱/布线同时考虑布线同时考虑l早考虑早考虑 低成本、高效率、多手段低成本、高效率、多手段l减少去电磁兼容室进行标准测量的次数减少去电磁兼容室进行标准测量的次数l排除内部干扰，提高抗干扰性能，提高可靠性排除内部干扰，提高抗干扰性能，提高可靠性l加快产品上市，使产品生命期内利润最大化加快产品上市，使产品生命期内利润最大化生产和测试阶段生产和测试阶段l产品调试（异常产品调试（异常EMI处可能就是故障点）处可能就是故障点）

10、l减少多余元件或降低元件参数，降低生产成本减少多余元件或降低元件参数，降低生产成本l确认替代元件对电磁兼容的影响确认替代元件对电磁兼容的影响质量检验阶段质量检验阶段lEMC一致性测试一致性测试EMSCAN工程师必备手段阵列探头/电子扫描，实时看清活动的电磁场；频谱/空间扫描功能测量被测物全部电磁场信息科学、客观、直观地评估PCB设计质量l指导工程师不断提高设计质量帮助产品的调试、改进和完善l看到整板的电磁信息，看清电路内部的辐射干扰情况。迅速定位EMC测试及抗干扰测试失败的原因；查找并定位瞬态电磁干扰；评估结构设计对EMI/EMS的影响；迅速积累正确的解决EMI问题的实践经验。应用评估PCB设

11、计质量一块好的PCB，需要考虑的问题包括：优秀的层叠设计保持连续的布线阻抗l较少的谐波及较低的强度良好的电源滤波lEMI被控制在尽可能小的区域尽可能保证地平面的完整性：l器件布局；过孔安排。在信号完整性和电磁兼容性中找折中：l尽可能增加信号的上升沿和下降沿时间评估PCB设计质量 利用EMSCAN的测量结果，我们可以从如下四个方面来评估PCB的设计质量：频率点数量：即谐波数量。瞬态干扰：不稳定的电磁干扰。辐射强度：各个频率点的幅度大小。分布区域：各个频率点的电磁干扰在PCB上的分布区域的大小。容向系统电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场案例评估PCB设计质量A板为B板的改进：lA板的频

12、率点数量明显比板的频率点数量明显比B板少；板少；lA板的大部分频率点的幅度比板的大部分频率点的幅度比B板的小。板的小。lA板的瞬态干扰比板的瞬态干扰比B板的少。板的少。lA板的总的电磁干扰分布板的总的电磁干扰分布区域比区域比B板的小得多。板的小得多。案例评估PCB设计质量单频率点462MHzB板的电源滤波没有设计好：由于地平面被严重破坏，在图中红色区域产生强干扰；由于滤波考虑不全，干扰通过电源被传导到几乎整个PCB板。应用揭示瞬态EMI问题瞬态瞬态EMIEMI在在EMCEMC测量中往往测量中往往不会被检测到，但会影响不会被检测到，但会影响产品的性能和可靠性产品的性能和可靠性l自动复位自动复位/

13、死机死机l误码误码l工作不稳定工作不稳定应用迅速定位干扰源频谱/空间扫描数据66M，83M及其谐波是PCB上的主要干扰信号容向系统电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场迅速定位干扰源83M及其各次谐波的产生地点迅速定位干扰源66M偶次谐波产生点66M奇次谐波产生点评估电路修改修改前修改后修改前后差别改进措施：在干扰源产生位置增加电源滤波电容应用看清电磁场的分布83M基波的分布83M及其各次谐波的分布应用敏感度调试设备内的每根布线/电缆/金属都是“天线”。线长度波长的1/20，就能成为天线。22MHz的信号，波长为13米，65cm的布线就是天线100MHz信号的5次谐波为500MHz，3

14、cm长的布线就可能成为天线！长度为信号波长的1/4时，便是一个将信号转变成场的极好的转换器。导线成为天线：长度/频率敏感度测试类型测试类型l抗静电：突发信号发生器探头组EMSCANl抗空间辐射：信号发生器探头组EMSCANl抗传导干扰：信号发生器电流注入钳LISNEMSCAN主要部件说明：l信号发生器：产生相应的电信号l近场探头组：各类尺寸的探头，调试辐射抗干扰l电流注入钳：向电缆注入EMI，调试传导抗干扰lEMSCAN：定位敏感性位置及传播途径容向系统电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场应用 抗静电调试突发干扰信号发生器：l电压可调：到1.5 kV；上升沿可调：2ns或10 ns探

15、头组：注入静电信号EMSCAN：实时扫描被测物电磁场情况，检查接收静电信号的位置及传播途径E1抗干扰调试系统抗干扰调试系统辐射敏感度最佳调试方法简易屏蔽室EUT信号发生器第一步：寻找敏感的频率点不断变化频率，使EUT出现故障信号发生器：产生正弦波信号（单频率），可以产生各种频率（例如9kHz2GHz）辐射敏感度最佳调试方法第二步：寻找敏感的位置看清“天线”位置，以及传播途径各类尺寸的近场探头组包含于E1抗干扰调试系统内辐射敏感度调试最佳方法修改敏感点（PCB布线或者电缆）的阻抗特性，或者改变长度切断传播途径高阻抗布线，容易成为天线l降低阻抗（上拉电阻）三态输出，会成为不稳定天线l允许时降低阻抗

16、（例如地址线，上拉电阻）l不允许时，减少长度（例如数据线）未良好接地的铜皮、金属、电缆等l良好接地应用 传导敏感度调试信号发生器信号发生器应用传导敏感度调试860M空间分布电容的合理选择应用迅速定位电路故障准确找到故障位置PCB的EMC设计技术EMSCAN应用案例案例感性串扰在数字电路中，感性串扰大于容性串扰接插件过孔安全间距过大，破坏了地平面电流回流低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】感性串扰的原因尽可能地减小环路的大小。尽可能地减小环路的大小。避免信号返回线路共享共同的路径这种情况避免信号返回线路共享共同的路径这种情况感性串扰的原因密集过孔，破坏地平面密集过孔，破坏地平面跨

17、越被分割的地平面的信号线，会产生感性串扰跨越被分割的地平面的信号线，会产生感性串扰和共模和共模EMI回流面积电源供电线布线靠近，减少磁辐射面积内部布线设备内部电缆l全程绑在一起l固定走线随意放置的散热器风扇的电源线(5V)引起的高频EMI散热器电源线耦合EMI5V电源区域案例电缆设计的考虑20cm长的5对线的扁平电缆产生的辐射排状电缆或者背板与子板的连接器地线应该尽可能均匀分布于信号线中间连接器上的电流回流板间电缆上的电磁辐射案例模拟地与数字地模拟区域数字区域模拟区域受到数字电路的干扰数模混合电路数字地和模拟地不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PC

18、B设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。数字地和模拟地分割如果一定要采用分割的地，则要建立“地连接桥”。一般建议使用统一“地”将PCB分区为模拟部分和数字部分。保证数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。l模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线l数字信号在数字电路区内布线。A/DA/D转换器跨区放置转换器跨区放置案例 PCB敷铜问题PCB四周包地线，但是没有与地层良好连接。该地线成了接收和发射电磁场的天线。备注：电子设备中的任何悬浮的铜皮（未充分接地的填充）或者散热器，都可能成为“天线”PCB敷铜问题PCB表面敷铜一定要“良好接地”多层板中间层的布线空旷区域，不要敷铜。因

19、为很难做到让这个敷铜“良好接地”设备内部的金属，例如金属散热器、金属加固条等，一定要实现“良好接地”。三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。晶振附近的接地隔离带，一定要良好接地。PCB分层考虑元件面、焊接面：敏感信号线l方便调测，易于控制l一般建议：元件面布放第二层、倒数第二层：地电源层l保证元件面和焊接面敏感信号线的SI。4层板：S1/G/P/S2，S1放置主要信号线6层板：S1/G/S2/P/G/S4，S1/S4主要信号8层板：S1/G/S2/G/P/S3/G/S4PCB分层考虑电源层旁边安排一个完整的地层，滤除300MHz以上的干扰一块PCB内只设一个电源层电源分割电源层分割实例图示为

20、一个电源层，用不同颜色代表不同电压电源滤波目的：把芯片产生的EMI控制在最小的区域滤波频率和电容值l几十MHz及以下的滤波，电解电容【uF】l几十至300MHz的滤波，每个供电组一个0.1/0.01uFl300MHz以上，电源层和地层的等效阵列电容，几十pF；或者在产生高频干扰的芯片上并接pF级的滤波电容。滤波电容布放l就近连接原则：尽可能靠近芯片【除低频滤波外】l最佳位置：焊接面滤波电容的放置和连接滤波电容的分工“被忘记”滤除的415MHz容向系统电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场案例SI与EMC的折中降低有用频率的EMI：阻尼电阻值的正确选择，或者正确使用磁珠，同时保证SI和E

21、MC有多于58个谐波分量有11个谐波分量高频时钟l高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）必须有地线护送【护送地线要“良好接地”】l发送侧串接22220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。l采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。数字总线频率在50MHz以上的高频数字总线，应尽可能考虑总线中的每条信号线均串接一个22-300欧姆左右的阻尼电阻频率在75MHz以上时，必须串接阻尼电阻。阻尼电阻必须放在发送侧并尽可能靠近发送器件。尽可能在元件面/焊接面布，不打过孔。连接至xxRAM的数据线的次序可以根据布线需要打乱。具有很强的电磁辐射！敏感信号应远离！案例机箱、机架的电磁泄漏在最合适的地方使用最

22、合适的屏蔽手段前面板扫描结果清晰显示电磁泄漏的位置案例整机EMC调试背板背板接口板接口板电缆控制板控制板现象：电缆产生很大辐射，导致EMC测试失败 （不接电缆能通过EMC）粗定位：用EMSCAN测量电缆辐射并实时监视 拔掉接口板，发现电缆上辐射没有明显变化 插回接口板 拔掉控制板，电缆上没有辐射 结论：辐射源在控制板上细定位及排查：用EMSCAN扫描控制板的频谱/空间 找到干扰源，采取手段 控制EMI传播途径（减少电源纹波）看电缆上的辐射有没有变化 一个电容解决EMC问题修改前修改后修改前后差别改进措施：在干扰源产生位置增加电源滤波电容接接插插件件应用电路调试案例短路查找（电源与地，信号线）l

23、焊接好的PCB，有几千个电容，几百个器件查找机架的电磁泄漏Emscan全方位测量被测物背板插板扫描机箱各个面的电磁泄漏扫描机箱各个面的电磁泄漏扫描器四周绝缘控制探头切换厚度1.2cmRF输出其他先进的工具CASSPER虚拟暗室预兼容测试最新选择CASSPER虚拟暗室最早为美国空军研究所开发符合CISPR 16要求的EMI接收机，能进行全兼容测试辐射测试、传导测试 CISPR标准 FCC标准 用户自定义标准背景噪声抑制模式在不具备暗室测量条件的情况下，进行辐射测试识别相位，傅立叶方法剔除“背景信号函数”即使有很强的背景信号，也能测量EUT的辐射有多个背景噪声源时，一样适用EUT背景噪声背景噪声E

24、UT 天线背景天线背景噪声背景噪声背景抑制模式天线布放示意图EUTEUT 天线背景天线CH ACH BCASSPER接收机3米30米背景抑制举例EUT信号被背景噪声淹没的情况信号被背景噪声淹没的情况【可以抑制背景噪声达可以抑制背景噪声达 40 dB】30354045505560657075101102103104105106107108Frequency(MHz)dBuV/m背景背景EUT恢复的恢复的EUT信号信号干扰源定位方式仅仅从频率识别是不够的相同频率的信号未必是相关的用相关性来识别EMI干扰源相关性功能l需要2个通道同时测量l相关性范围：0到1用相关性指标来确定两个信号是否来自同一个源

25、干扰源定位案例通道A：远场天线；通道B：近场探头哪个时钟产生的EMI【72MHz8M9或24M3】12dB3m20dB衰减器干扰源定位举例24MHz时钟远场收到的信号远场收到的信号近场收到的信号近场收到的信号相关性很差相关性很差干扰源定位举例带衰减器的8MHz 时钟远场收到的信号远场收到的信号近场收到的信号近场收到的信号相关性很差相关性很差干扰源定位举例无衰减器的8MHz时钟相关性很高相关性很高找到干扰源找到干扰源远场收到的信号远场收到的信号近场收到的信号近场收到的信号零跨距（Zero-Span）方式在ZERO-SPAN方式仔细检查EUT的问题频率（峰值和准峰值）的情况对每个潜在的问题频率逐个检查