EMI防治技巧總結(jié)

EMI防治技巧 包含EMI和EMS的EMC因?yàn)楦鲊?guó)均立下法規(guī)規(guī)范，成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者無(wú)可回避的問題。面臨各種EMI模式和各類EMI抑制方法，該如何因地制宜

電磁兼容問題EMC因?yàn)楦鲊?guó)均立下法規(guī)規(guī)范，成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者無(wú)可回避的問題。面臨各種EMI模式和各類EMI抑制方法，該如何因地制宜選擇最佳對(duì)策讓產(chǎn)品通過測(cè)試，同時(shí)又必須盡量降低成本強(qiáng)化產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，是所有電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評(píng)估思考的課題。

一、EMI類型與解決方法

所謂EMC（Electromagnetic Compatibility；電磁共容）實(shí)際上包含EMI（Electromagnetic Interference；電磁干擾）及EMS（Electromagnetic Sensibility；電磁抗干擾）兩大部份。

EMI指的是電氣產(chǎn)品本身通電后，因電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁波對(duì)周遭電子設(shè)備所造成的干擾影響，EMS則是指電氣產(chǎn)品本身對(duì)外來(lái)電磁波的干擾防御能力，也就是電磁場(chǎng)的免疫程度。

簡(jiǎn)單來(lái)說，只要是需要電力工作的產(chǎn)品都會(huì)有EMI問題，一個(gè)電子產(chǎn)品中的EMI來(lái)源多半來(lái)自交換式電源供應(yīng)回路（Switching Power Supply Circuit）、振蕩器（Crystal）和各類時(shí)鐘信號(hào)（Clock Signal），而根據(jù)傳導(dǎo)模式不同，EMI可分為接觸傳導(dǎo)（Conducted Emission）和幅射傳導(dǎo)（Radiated Emission）兩類。

接觸傳導(dǎo)是由電源供應(yīng)回路所形成的電磁波噪聲，透過實(shí)體的電源線或信號(hào)導(dǎo)線傳送至電源電路內(nèi)的一種電磁波干擾模式，此狀況會(huì)造成與干擾設(shè)備使用同一電源電路的電氣設(shè)備被電磁噪聲干擾，產(chǎn)生功能異?，F(xiàn)象，通常發(fā)生在較低頻；幅射傳導(dǎo)則是電路本身通電之后，由電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁波幅射發(fā)散所形成的電磁干擾模式，常見于高頻。

幅射傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的問題通常較接觸傳導(dǎo)嚴(yán)重，也更為棘手，其解決方式有下列幾種：

1. 在干擾源加LC濾波回路。
   2. 在I/O端加上DeCap by pass to Ground, 把噪聲導(dǎo)入大地。
   3. 用遮蔽隔離（Shielding）的方式把電磁波包覆在遮蔽罩內(nèi)。
   4. 盡量將PCB的地面積擴(kuò)張。
   5. 產(chǎn)品內(nèi)部盡量少使用扁平電纜或?qū)嶓w線。
   6. 產(chǎn)品內(nèi)部的實(shí)體線盡量做成絞線以抑制噪聲幅射，同時(shí)在扁平電纜的I/O端加上DeCap。
   7. 在差模信號(hào)線的始端或末端加上共模濾波器（Common Mode Filter）。
   8. 遵循一定的模擬和數(shù)字布線原則。

此外，EMI的形成又可分為共模幅射（Common Mode）和差模幅射（Differential Mode）兩類。共模幅射包括共地阻抗之共模干擾（Common-Mode Coupling）和電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的共模干擾（Field tocable/trace Common-Mode Coupling），前者是因噪聲產(chǎn)生源與受害電路間共享同一接地電阻所產(chǎn)生的共模干擾，解決方法可藉由實(shí)行地的切割來(lái)必免共地干擾問題；后者則為高電磁能量所形成的電磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備間之配線所造成的干擾，可藉由遮蔽隔離（Shielding）的因應(yīng)方法來(lái)處理場(chǎng)對(duì)線的干擾問題。

至于差模幅射，常見的是導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線的差模干擾（Cable to Cable Differential-Mode Coupling），干擾途徑為某一導(dǎo)線內(nèi)的干擾噪聲感染到其他導(dǎo)線而饋入受害電路，屬于近場(chǎng)干擾的一種，可藉由加寬線與線之間的距離來(lái)處理此類干擾問題。

二、常見EMI抑制方式

目前對(duì)于EMI的常見抑制方式包括屏蔽法（Shielding）、擴(kuò)展頻譜法（Spread Spectrum）、使用濾波器（Filter）等，以及透過整合接地、布線、搭接等層面來(lái)防治。

電磁屏蔽法大部份是用來(lái)屏蔽300MHz以上的電磁噪聲，例如法拉第蓋的使用就是一例，此外，運(yùn)用遮蔽復(fù)合材料也是常見的手法，例如手機(jī)就常見以真空電鍍方式，在塑料殼內(nèi)部布滿一層如鎳之類的屏蔽材質(zhì)，藉此隔絕電磁波發(fā)散。

擴(kuò)展頻譜法則是用來(lái)將時(shí)鐘（Clock）的信號(hào)展頻，使其峰值（Peak）信號(hào)波形振幅減低來(lái)降低信號(hào)的峰值位準(zhǔn)，目前有些BIOS已提供內(nèi)建的擴(kuò)頻功能，可讓用戶自行設(shè)定。使用擴(kuò)頻法需要在信號(hào)失真度和EMI減弱程度之間取得平衡，一般是取1％～1.5％，若超過3％通常就會(huì)讓信號(hào)過于失真而不可行。

此外，濾波器或?yàn)V波回路的使用因?yàn)槌杀镜土襍MD（表面黏著）制程的加工需求，所以最為一般設(shè)計(jì)工程師采用。濾波器的使用機(jī)會(huì)和模式根據(jù)不同防治需求來(lái)決定，例如大電流的Bead可用在電源電路的路徑（Power Trace）上；一般的Bead可用來(lái)抑制某特定頻率的噪聲信號(hào)；CMF則用來(lái)抑制USB、1394、LVDS等差模線路的噪聲幅射問題。

對(duì)于EMI的抑制有諸多解決方式，必須因時(shí)因地制宜選擇，只要有效就是好的防制方法，并沒有哪一種特定方式特別勝出。

三、高速數(shù)字電路及模擬-數(shù)字混合電路EMI防治法

由于指令周期的提升和高速傳輸接口的應(yīng)用，目前數(shù)字電路已走向高速化。在高速數(shù)字電路中，只要阻抗匹配接近理想的阻值（以銅線被覆于FR4材質(zhì)而言約50奧姆），讓所有信號(hào)線都成為傳輸線（Transmission Line）的理想狀態(tài)下，理論上應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生EMI問題，但是，目前實(shí)際上的布線設(shè)計(jì)還無(wú)法達(dá)到上述要求，所以只好將高速信號(hào)線盡量走在內(nèi)層，其相鄰的上層用地（鋪銅）來(lái)覆蓋以達(dá)到遮蔽隔離（Shielding）電磁幅射的效果，亦或在信號(hào)在線適當(dāng)?shù)木嚯x加上對(duì)地的濾波電容（DeCapbypass to Ground）來(lái)降低EMI。

另外，針對(duì)日漸普遍的模擬及數(shù)字信號(hào)混合電路EMI防治，特提出以下幾個(gè)可遵循的設(shè)計(jì)原則：

1. 模擬與數(shù)字信號(hào)須分區(qū)布線。
   2. 所有模擬信號(hào)要在模擬區(qū)內(nèi)布線（包含地，電源及信號(hào)線）。
   3. 所有數(shù)字信號(hào)要在數(shù)字區(qū)內(nèi)布線（包含地，電源及信號(hào)線）。
   4. 嚴(yán)禁模擬或數(shù)字信號(hào)直接跨區(qū)布線。
   5. AD IC芯片下方嚴(yán)禁布線。

四、了解各國(guó)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)以通過測(cè)試

除了各種抑制技巧外，量測(cè)也是EMI防治過程中重要的一環(huán)。 EMI量測(cè)絕大部份是使用頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）及接收器（Receiver），而EMS因是產(chǎn)品抗干擾性測(cè)試，所以必須在符合國(guó)際法規(guī)的環(huán)境下執(zhí)行測(cè)試，目前坊間有許多實(shí)驗(yàn)室均可執(zhí)行EMS標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

要通過測(cè)試，首先必須了解各國(guó)對(duì)于EMC的法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。 目前全球較重要的EMC標(biāo)準(zhǔn)包括：臺(tái)灣BSMI（CNS13438）、中國(guó)大陸CCC（GB4943）、日本VCCI、韓國(guó)MIC、美國(guó)FCC（Part 15）、歐盟CE（EN55022）、紐澳C-Tick（ANS3548）等等，EMS的要求標(biāo)準(zhǔn)則主要有韓國(guó)MIC（引用EN55024）和歐盟CE（EN55024）。

目前各國(guó)所引用的EMC和EMS測(cè)試項(xiàng)目則分別如下表一、二：

表一：各國(guó)EMC測(cè)試項(xiàng)目一覽

表二：各國(guó)EMS測(cè)試項(xiàng)目一覽

以最低成本符合國(guó)際規(guī)范將成最大挑戰(zhàn)

雖然以一般消費(fèi)性電子資通訊產(chǎn)品而言，并沒有特定類型產(chǎn)品的EMI會(huì)特別嚴(yán)重，不過以學(xué)理及經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，交流供電產(chǎn)品的EMI問題會(huì)比直流供電產(chǎn)品嚴(yán)重，處理上也較為復(fù)雜；此外，多層板產(chǎn)品的EMI問題也會(huì)比層數(shù)少的產(chǎn)品較容易處理。
   不過，對(duì)于電子廠商面臨的最大EMC問題，不在于技術(shù)而在于成本。因?yàn)樵诩ち业氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，產(chǎn)品成本是各家廠商最優(yōu)先考慮的重點(diǎn)，往往犧牲了技術(shù)上應(yīng)有的設(shè)計(jì)考慮來(lái)遷就成本要求，例如原本以四層板設(shè)計(jì)可獲致最佳EMI抑制效果，就可能因成本考慮而改用防治效果較差的兩層板。

一般EMC防治成本約占產(chǎn)品總體材料成本的15％～10％，而這中間的空間就需要看設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定費(fèi)用降低的幅度，所以如何在最低成本的艱困條件下，完成符合國(guó)際EMC規(guī)范的產(chǎn)品，將是未來(lái)電子廠商的研發(fā)或EMC工程師所面臨的最大挑戰(zhàn)與課題。

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