电磁兼容的设计方法介绍

电磁兼容的设计方法介绍(1—2)

一﹑前言

关于电磁兼容的要求﹐目前世界上大多的先进国家﹐都已经有管制的法规并有相关的符合要求的单位﹐若产品无法符合要求规定﹐往往无法销售到该地区的市场﹐因此多数的电子产品﹐在销售前都必须经过电磁兼容的测试﹐若无法通过则需要经过适当的修改﹐来符合相关的规定。

本文主要是说明﹐在电子产品设计的阶段﹐如何考虑避免电磁干扰的产生﹐和增加产品耐干扰的程度﹐从许多的经验得知﹐若能在设计开始的阶段﹐就能适当的做好电磁兼容的防制﹐往往可以节省事后大量的修改时间和金钱的﹐尤其在现代产品汰换期非常短﹐若不能快速的通过EMC的测试﹐很容易影响到市场上的高机。

目前市面上介绍EMI&EMC相关的书籍﹐也算是林林总总﹐但是在实务运用上﹐总是会感觉有一段的差距﹐许多的读者虽然将一些经典的书籍读的很彻底﹐但是一面临实际产品无法符合EMI要求﹐或开始作产品设计时﹐都会有一种不知从何下手的感觉。

太多的重点反而没有重点﹐太多的理论反而没有理论¬,所谓执简御繁﹐¬知其要者﹐一言以终﹐不知其要﹐流散无穷¬,为使读者能有一清楚的认识﹐与实务上的充分掌握﹐笔者参考 Isidor 于1992年在Compliance Engineering 杂志所发个的Designing for Compliance文章﹐以讲义的方式作一详细的解说与应用的原则﹐期使读者能真正深入的了解一些EMI的设计原理与方法。

该文虽然距今已有八年多的历史了﹐在这八年的期间﹐个人计算机从286的时代已经进步到现在迈入GHz的时代﹐进步可以说非常的神速﹐但是我们回过头来看﹐一些处理电磁兼容的基本原则与方法还是没有变的。能够掌握住这些基本的原则与方向﹐往往

才是处理电子产品噪声干扰的最有效的啊具﹐至于一些片段式的重点整理或括要﹐有时反而会使得啊程人员在设计时﹐有不知所从的感觉﹐这也是本文要在一些简单的原则上﹐作较深入的探讨与分析的。

二﹑电磁辐射的说明

电磁波的辐射﹐是产品在做数字运算处理时一定会产生的﹐通常来讲都是无法避免的﹐因为从谐波的角度来看﹐如果主波是20MHz﹐一定会有相关的谐波出来﹐我们如何去控制不要的信号（unwanted signals),一般主要有两个方法﹐这两个方法也是我们目前最常用的。

第一个方法就是包覆抑制（containment),这个方法就像是用一个罐头包装﹐也就是用屏蔽（shielding)的方式把它包装起来﹐第二个方法就是电路板的设计﹐目前我们时常就是从这两个观念上去着手。

利用包覆抑制的对策技巧﹐其好处就是不会影响到产品的功能（Function)﹐因为你把它包起来﹐根本不会动到电路板上的一些啊作的组件和信号﹐但是其缺点就是制造成本（cost）比较高﹐而且可靠度可能比较会有问题﹐因为可能会因为每次碰撞一下﹐而影响到其接触的效果﹐例如一般最常见的笔记型计算机（notebook PC)可能会因为摔一下或重物压过﹐噪声就会有很大的变化﹐可能由可以符合到无法符合。

而电路板设计（PCB Design-in）的好处﹐由于是在电路板Layout时就预先把间题考虑进去﹐因此其对策的可靠度比较高﹐而费用则因为是事先的设计﹐所以往往没有额外的费用产生﹐当然在功能（Function)上有时比较可能会受到影响﹐因为在抑制噪声时﹐很可能同时降低产品的震荡特性。

在实际测试对策时﹐我们这两个的方法都会考虑进去﹐一般在刚开始修改时一定会先考虑用包覆抑制的方法﹐然后才考虑电路板上的干扰抑制修改﹐因为电路板通常已经固定了﹐要再修改往往比较困难﹐所以我们会从外壳上先处理﹐也就是从屏蔽（Shielding)和接地（Grounding)的观点来考量﹐看它的接触与外壳或机座够不够好﹐这个处理完我们才继续处理电路板的修改﹐也就是说如果用屏蔽和接地的方法改不下来﹐我们才开始处理电路板的修改。

一般在市面上大多数电磁干扰的书籍﹐都会比较喜欢介绍这个电路板设计的理论﹐其实理虽然很重要﹐不过在实际产品修改上﹐包覆抑制反而是最快的﹑最有效的﹐因为良好的屏蔽只要处理适当就能降低噪声10dB以上﹐可以说效果最快﹐但是电路板的处理变量则比较大﹐也就是说﹐就算Re-layout 也无法保证马上好﹐可能要先花个五万元洗板子﹐然后再焊上组件﹐万一不好怎幺办﹖

所以在对策处理的观念上﹐一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟﹐这个如果还没有熟练﹐就先不要去处理电路板的修改﹐因为整个修改的步骤﹐必须是按步就班的处理﹐当然在本篇的文章中会先介绍电路板处理的这个观念﹐这样可以做为基本的基楚﹐可以帮助读者知道一些原理﹐知道一些问题的原因﹐但是在实际对策上则是用屏蔽和接地的处理比较多。

所谓¬空穴不来风¬﹐通常要记住这个观念﹐会有发射（emission)的产生﹐那一定会有来源（source),基本上我们应该叫做天线（Antenna),一定要有天线才会有发射﹐这就是¬空穴不来风¬﹐所以本文中将会说明的是﹐有那些辐射来源的存在﹐这样我们知道这些来源以后﹐就能够去控制它﹐而不是消灭它﹐因为噪声没办法消灭﹐整个能量是不灭的﹐电磁干扰的抑制主要是经由良好的控制方法﹐不使噪声能量辐射到空中或传导到电源线上。

三﹑造成EMI基本的原因

造成EMI噪声辐射大部分的原因﹐一般来说就是共模（Common Mode),这就是大家常听到的共模的辐射﹐由于高频电流的来回瞬时变化﹐而有磁生电﹐电生磁的现象﹐所以有了交流电的特性﹐电场为什幺会跑向前跑﹐这是因为磁场变化以后﹐会产生一个电场﹐电场随着时间变化以后又会产生磁场﹐这样交互交替﹐就会造成一个会跑的电磁场。

所以说磁生电﹐像是发电机就是用磁铁转动生电﹐电生磁﹐电磁铁也是一样﹐它的电流只要是瞬时（transient)来回变化就会造成这样的情形。

这些所产生的噪声会造成有意义潜在的射频（RF）干扰﹐大部分会在电源供应

器（Power Supply)的电路板上的走线（trace)﹐因为走线上有电感﹐由于电感的效应﹐使得导线直的电感会有射频电位的发生。

为什幺电源供应器这幺重要呢﹖因为对所有的周边来讲﹐以PC而言﹐电源供应器有5V和12V的电压供给所有的组件使用﹐所以系统里各各组件上的噪声﹐如果以电源供应器的角度来看﹐所有的噪声都会回流来这边﹐每一个都会经过电源线回来﹐这就是共模（Common Mode).

什幺是共模呢﹖各各不同的噪声都走同一个方向﹐所以噪声全部都会回流到电源供应器上﹐也就是所有主板（Mainboard)上的噪声都会回流﹐所以电源供应器变成一个噪声的集散区﹐这就像是一个菜市场﹐菜市场也就是一个共模﹐水果﹑蔬菜最后都集中到菜市场来卖﹐电源供应器也就是一个菜市场﹐对所有的设备来讲﹐它就是一个噪声集散地﹐因此就有了共模的产生。

因为所有的噪声最后都会流到电源供应器上﹐供应各个组件的电源噪声会沿着电压（Vcc)跟接地（Ground）回到电源供应器﹐这个噪声我们就叫共模噪声﹐因为从电源供应的角度来看都是同方向。

关于一般数字产品的辐射机制﹐为使读者能更清楚的了解﹐以图标来说明如下