EMC電磁兼容設計與測試案例分析(第3版)（簡體書）

本書以分析EMC案例分析為主線，通過案例描述分析，介紹產品設計中的EMC技術，向讀者介紹產品設計有關EMC的實用設計技術與診斷技術，減少設計人員在產品的設計與EMC問題診斷中的誤區。所描述的EMC案例涉及結構、屏蔽與接地、濾波與抑制、電纜、佈線、連接器與接口電路、旁路、去耦與儲能、PCB layout還有器件、軟件與頻率抖動技術各個方面。

鄭軍奇，上海三基電子工業有限公司副總經理，全國電磁兼容標準化技術委員會通信委員全國無線電干擾委員會B分會委員。曾擔任華為公司上海研究所EMC經理，負責華為公司上海研究所產品的EMC測試、設計、設計.審查及EMC設計諮詢工作；施耐德電氣中國投資有限公司EMC專家。

前言
在國內市場上，大部分的EMC書籍存在的一個共同缺陷就是設計與測試脫節。 談論EMC設計技術與方法需要建立在EMC測試原理的基礎上，不僅僅是因為EMC設計的第一道門檻就是EMC測試，更重要的是在EMC測試的標準中給出了明確的干擾源、接收源等模型。它們都是EMC問題分析中不可缺少的部分。如傳導騷擾測試，它的實質是LISN中一個電阻兩端的電壓，在電阻一定的情況下，傳導騷擾的高低取決於流經LISN中這個電阻的電流。EMC設計就是為了降低流經這個電阻的電流；又如EFT/B測試、BCI測試、ESD測試等抗擾度測試，它們是典型的共模抗擾度測試，干擾源是相對於參考接地板的共模電壓，也就意味著這些干擾源的參考點是進行這些測試時的參考接地板，干擾所產生的所有干擾電流最終都要流回參考接地板，這是分析這類干擾問題的基本點。設想一下，對於以上所說的傳導騷擾測試來說，如果在測試設計的產品時，騷擾電流不流過LISN中的那個電阻，同時，對於抗擾度測試來說， 干擾電流也不經過產品電路，那麼這個產品肯定是通過EMC測試的。因此, EMC設計必須從EMC測試開始。《EMC電磁兼容設計與測試案例分析》（第3版）是一本緊密結合EMC測試實質、EMC設計原理及具體產品設計，來講述EMC設計方法的工程參考用書。實踐性與理論性的高度結合是本書的最大特點。
本書分為7章。其中，第1章描述EMC基礎知識及EMC測試實質，為第2章～第7章的內容做鋪墊。當讀者在閱讀後續章節，對一些基本概念比較模糊時可以方便查閱。第2章～第7章是案例部分，所涉及的均為EMC典型案例。案例描述都採用同樣的格式，即包含“現象描述”“原因分析”“處理措施”“思考與啟示”四部分。試圖通過每個案例的分析，向設計人員介紹有關EMC的實用設計與診斷技術，減少在產品設計與EMC問題診斷中存在的誤區，使產品具有良好的EMC性能。同時，通過案例說明EMC設計原理，為的是讓讀者更好地理解設計的由來。“思考與啟示”部分實際上是問題的總結與相關問題的注意事項，也可以作為產品設計的EMC檢查列表。案例分為下述6大類。
● 產品的結構構架、屏蔽、接地與EMC：對於大部分設備而言，屏蔽都是必要的。特別是隨著電路工作頻率的日益提高，單純依靠線路板設計往往不能滿足EMC標準的要求。合理的屏蔽能大大加強產品的EMC性能，但是不合理的屏蔽設計不但不能起到預期的效果，相反可能引入一些額外的EMC問題。另外，接地不單有助於解決安全問題，同樣對EMC也相當重要，許多EMC問題是由不合理的接地設計引起的。因為地線電位是整個電路工作的基準電位，如果地線設計不當，則地線電位就不穩，就會導致電路故障，也有可能產生額外的EMI問題。接地設計的目的是要保證地線電位儘量穩定，降低地壓降，從而消除干擾現象。
● 產品中的電纜、連接器、接口電路與EMC：電纜總是引起輻射或引入干擾的最主要通道，因為長度原因，電纜不單是“發射天線”，同時也是良好的“接收天線”。與電纜有最直接關係的就是連接器與接口電路。良好的接口電路設計不但可以使內部電路的噪聲得到很好的抑制，使“發射天線”無驅動源，同樣也可以濾除電纜從外界接收到的干擾信號。正確的連接器設計又給電纜與接口電路提供了一個很好的配合通道。
● 通過濾波與抑制提高產品EMC性能：對於任何設備而言，濾波與抑制都是解決電磁干擾的關鍵技術之一。因為設備中的導線是效率很高的接收和輻射天線，因此設備產生的大部分輻射發射都是通過各種導線實現的，而外界干擾往往也是首先被導線接收到，然後串入設備的。濾波與抑制的目的就是消除導線上的這些干擾信號，防止電路中的干擾信號傳到導線上，借助導線輻射，也防止導線接收到的干擾信號傳入電路。
● 旁路和去耦：當器件工作時，時鐘和數據信號腳上的信號電平按規律發生變化，此時，去耦將提供給元件在時鐘和數據變化期間正常工作的足夠動態電壓和電流。去耦是通過在信號線和電源平面間加一個低阻抗的電源來實現的。在頻率升高到自諧振點之前，隨著頻率的提高，去耦電容的阻抗會越來越低。這樣，高頻噪聲會有效地從信號線上泄放，餘下的低頻射頻能量就沒有什麼影響了。最佳的實現效果可通過儲能、旁路、去耦電容來達到。這些電容的值可通過特定的公式計算得到。另外，必須正確適當地選擇電容的絕緣材料，而不是根據過去的用法和經驗來隨意選擇。
● PCB設計與EMC：無論設備產生電磁干擾發射還是受到外界干擾的影響，或者電路之間產生相互干擾，PCB都是問題的核心，無論是PCB中的器件佈局，還是PCB中的線路佈線，都會對產品整體的EMC性能產生本質的影響。例如，接口連接器的仿真位置將影響共模電流流經的方向，佈線的路徑將影響電路環路的大小。這些都是EMC的關鍵，因此設計好PCB對於保證設備的EMC性能具有重要的意義。PCB設計的目的就是減小PCB上電路產生的電磁輻射和對外界干擾的敏感性，減小PCB上電路之間的相互影響。
● 器件、軟件與頻率抖動技術：電路由器件構成，但是器件的EMC性能往往被忽略掉，其實器件的封裝、上升沿、管退分佈及器件本身的抗ESD能力都對器件所應用產品的EMC性能產生很大的影響。軟件雖然不是輸入EMC學科範疇，但是在有些情況下，利用軟件提供的容錯技術可以避開產品對外界干擾的影響。頻率抖動技術是近年來流行的一種降低電路傳導騷擾和輻射騷擾的技術，但是該技術也不是萬無一失的。本書中的案例將詳細說明頻率抖動技術的實質及注意事項。
EMC設計規則猶如交通法規，雖然不遵守交通法規不一定會出交通事故，但是風險必然變大。EMC設計也是一樣，有些規則不遵守或許也能在測試中過關，但是不遵守規則測試不過關的風險必然加大，所以在產品設計中有必要引入風險意識，EMC設計的目的是最大限度地降低EMC測試風險，只有遵守所有EMC“規則”的產品才是具有最低EMC風險的產品。 本書的大部分內容來自于筆者在實際工作中碰到的EMC問題，每個案例都有較詳細的理論分析過程，並從中得出參考經驗。這些案例是筆者積累的大量EMC案例中的典型，每一個案例的結果都形成了一個或多個EMC設計規則，這是值得借鑒與參考的。由於筆者所從事產品範圍的限制，也許不能包含各類電子、電器產品的EMC問題，同時也可能由於筆者知識的不全面性，導致出現一些描述不合理或不精確，甚至錯誤的地方，還望廣大讀者指出。
在此我要特別感謝為本書提過寶貴意見及建議的吳勤勤教授、博導同時還要感謝深圳濱城電子的各位技術專家,及對本書提過寶貴意見的各位同人；另外也要感謝電子工業出版社的牛平月編輯及其同事。
注： 鑒於EMC測試系統多為英文板，為方便讀者閱讀，本書中部分圖、表未進行翻譯，保持英文原版。
鄭軍奇
於2018年

目錄
第１ 章　ＥＭＣ 基礎知識及ＥＭＣ 測試實質………………………………………………… （１）
１?? １　什麼是ＥＭＣ ………………………………………………………………………… （１）
１?? ２　傳導、輻射與瞬態…………………………………………………………………… （２）
１?? ３　理論基礎……………………………………………………………………………… （３）
１?? ３?? １　時域與頻域………………………………………………………………………… （３）
１?? ３?? ２　電磁騷擾單位分貝（ｄＢ） 的概念…………………………………………………… （４）
１?? ３?? ３　正確理解分貝真正的含義…………………………………………………………… （５）
１?? ３?? ４　電場、磁場與天線…………………………………………………………………… （８）
１?? ３?? ５　ＲＬＣ 電路的諧振…………………………………………………………………… （１４）
１?? ４　ＥＭＣ 意義上的共模和差模………………………………………………………… （１７）
１?? ５　ＥＭＣ 測試實質……………………………………………………………………… （１８）
１?? ５?? １　輻射發射測試實質………………………………………………………………… （１８）
１?? ５?? ２　傳導騷擾測試實質………………………………………………………………… （２１）
１?? ５?? ３　ＥＳＤ 抗擾度測試實質……………………………………………………………… （２２）
１?? ５?? ４　輻射抗擾度測試實質……………………………………………………………… （２３）
１?? ５?? ５　共模傳導性抗擾度測試實質………………………………………………………… （２５）
１?? ５?? ６　差模傳導性抗擾度測試實質………………………………………………………… （２７）
１?? ５?? ７　差模共模混合的傳導性抗擾度測試實質…………………………………………… （２７）
第２ 章　產品的結構構架、屏蔽、接地與ＥＭＣ ………………………………………… （２８）
２?? １　概論………………………………………………………………………………… （２８）
２?? １?? １　產品的結構、構架與ＥＭＣ ………………………………………………………… （２８）
２?? １?? ２　產品的屏蔽與ＥＭＣ ………………………………………………………………… （２９）
２?? １?? ３　產品的接地與ＥＭＣ ………………………………………………………………… （３０）
２?? ２　相關案例分析……………………………………………………………………… （３１）
２?? ２?? １　案例１： ＰＣＢ 工作地與金屬殼體到底應該關係如何………………………………… （３１）
２?? ２?? ２　案例２： 接地方式如此重要………………………………………………………… （３３）
２?? ２?? ３　案例３： 傳導騷擾與接地…………………………………………………………… （３７）
２?? ２?? ４　案例４： 傳導騷擾測試中應該注意的接地環路……………………………………… （４１）
２?? ２?? ５　案例５： 屏蔽體外的輻射從哪裡來………………………………………………… （４４）
２?? ２?? ６　案例６： “懸空” 金屬與輻射……………………………………………………… （４６）
２?? ２?? ７　案例７： 伸出屏蔽體的“懸空” 螺柱造成的輻射…………………………………… （４９）
２?? ２?? ８　案例８： 屏蔽材料的壓縮量與屏蔽性能…………………………………………… （５２）
２?? ２?? ９　案例９： 開關電源中變壓器初、次級線圈之間的屏蔽層對ＥＭＩ 作用有多大………… （５５）
２?? ２?? １０　案例１０： 金屬外殼接觸不良與系統複位…………………………………………… （６０）
２?? ２?? １１　案例１１： 靜電放電與螺釘………………………………………………………… （６１）
·Ⅸ·
２?? ２?? １２　案例１２： 怎樣接地才有利於ＥＭＣ ………………………………………………… （６２）
２?? ２?? １３　案例１３： 散熱器形狀影響電源端口傳導發射……………………………………… （６６）
２?? ２?? １４　案例１４： 金屬外殼屏蔽反而導致ＥＭＩ 測試失敗…………………………………… （７０）
２?? ２?? １５　案例１５： ＰＣＢ 工作地與金屬外殼直接相連是否會導致ＥＳＤ 干擾進入電路………… （７５）
２?? ２?? １６　案例１６： 是地上有干擾嗎？ ……………………………………………………… （８１）
第３ 章　產品中電纜、連接器、接口電路與ＥＭＣ ………………………………………… ８３
３?? １　概論……………………………………………………………………………………… ８３
３?? １?? １　電纜是系統的最薄弱環節……………………………………………………………… ８３
３?? １?? ２　接口電路是解決電纜輻射問題的重要手段……………………………………………… ８３
３?? １?? ３　連接器是接口電路與電纜之間的通道………………………………………………… ８４
３?? １?? ４　ＰＣＢ 之間的互連是產品ＥＭＣ 的最薄弱環節…………………………………………… ８５
３?? ２　相關案例………………………………………………………………………………… ８７
３?? ２?? １　案例１７： 由電纜佈線造成的輻射超標………………………………………………… ８７
３?? ２?? ２　案例１８： 屏蔽電纜的“Ｐｉｇｔａｉｌ” 有多大影響…………………………………………… ８９
３?? ２?? ３　案例１９： 屏蔽電纜屏蔽層是雙端接地還是單端接地？ ………………………………… ９２
３?? ２?? ４　案例２０： 為何屏蔽電纜接地就會導致測試無法通過？ ………………………………… ９４
３?? ２?? ５　案例２１： 接地線接出來的輻射………………………………………………………… ９７
３?? ２?? ６　案例２２： 使用屏蔽線一定優於非屏蔽線嗎……………………………………………… ９９
３?? ２?? ７　案例２３： 塑料外殼連接器與金屬外殼連接器對ＥＳＤ 的影響…………………………… １０５
３?? ２?? ８　案例２４： 塑料外殼連接器選型與ＥＳＤ ……………………………………………… １０７
３?? ２?? ９　案例２５： 當屏蔽電纜的屏蔽層不接地時……………………………………………… １０８
３?? ２?? １０　案例２６： 數碼相機輻射騷擾問題引發的兩個ＥＭＣ 設計問題……………………… （１１０）
３?? ２?? １１　案例２７： 為什麼ＰＣＢ 互連排線對ＥＭＣ 那麼重要………………………………… （１１６）
３?? ２?? １２　案例２８： ＰＣＢ 板間的信號互聯是產品ＥＭＣ 最薄弱的環節………………………… （１２３）
３?? ２?? １３　案例２９： 環路引起的輻射發射超標……………………………………………… （１２５）
３?? ２?? １４　案例３０： 注意產品內部的互連和佈線…………………………………………… （１２８）
３?? ２?? １５　案例３１： 信號線與電源線混合佈線的結果……………………………………… （１２９）
３?? ２?? １６　案例３２： 電源濾波器安裝要注意什麼…………………………………………… （１３２）
第４ 章　通過濾波與抑制提高產品ＥＭＣ 性能…………………………………………… （１３６）
４?? １　概論………………………………………………………………………………… （１３６）
４?? １?? １　濾波器及濾波器件………………………………………………………………… （１３６）
４?? １?? ２　防浪湧電路中的元器件…………………………………………………………… （１４０）
４?? ２　相關案例…………………………………………………………………………… （１４５）
４?? ２?? １　案例３３： 由Ｈｕｂ 引起的輻射發射超標…………………………………………… （１４５）
４?? ２?? ２　案例３０： 電源濾波器的安裝與傳導騷擾…………………………………………… （１４９）
４?? ２?? ３　案例３５： 輸出端口的濾波影響輸入端口的傳導騷擾……………………………… （１５２）
４?? ２?? ４　案例３６： 共模電感應用得當， 輻射、傳導抗擾度測試問題解決決………………… （１５６）
４?? ２?? ５　案例３７： 電源差模濾波的設計…………………………………………………… （１５８）
４?? ２?? ６　案例３８： 電源共模濾波的設計…………………………………………………… （１６２）
４?? ２?? ７　案例３９： 濾波器件是否越多越好………………………………………………… （１６８）
·Ⅹ·
４?? ２?? ８　案例４０： 濾波器件佈置時應該注意的事件………………………………………… （１７２）
４?? ２?? ９　案例４１： 信號上升沿對ＥＭＩ 的影響……………………………………………… （１７５）
４?? ２?? １０　案例４２： 如何解決電源諧波電流超標…………………………………………… （１７７）
４?? ２?? １１　案例４３： 接口電路中電阻和ＴＶＳ 對防護性能的影響……………………………… （１７９）
４?? ２?? １２　案例４４： 防浪湧器件能隨意並聯嗎……………………………………………… （１８６）
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