三招破解EMC，这么牛？

shuszhao

在现在产品中，电磁干扰问题越来越成为产品关注重点，也成为产品进入国外市场的重要瓶颈。由于中国长期忽略这块，以及这块的测试设备及其昂贵等众多因素，国内在这块领域中发展相对缓慢。
了解这块的工程师少之又少，成为大多数工程师及国内企业研发部最为头疼的事情，它们在解决这类产品问题的时候，大多都是盲人摸象，走了很多弯路之后，才勉强把问题解决。这类经验并且具有不可复制性，在开发下面产品中依旧会面临各种问题，而且即使在解决了的产品中，留的货量不够，在批量生产的时候，随机性较大。
电磁兼容的问题真的又这么难么？

                               
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今天让我们抛开事物的谜团，掌握其本质，彻底了解和掌握电磁兼容产生的原因并找到解决的方法，让工程师睡个安稳觉。
破解模拟硬件设计有三大定律：
[blockquote]
第一，源、回路、阻抗；
第二，电路是一个波形的整形，从无用的波形最终整形有用的波形，包括形态、相位的整形；
第三，对元器件的参数、封装、鲁棒性、成本要熟知，这样才把产品设计在临界区。[/blockquote]我们在此可以运用第一大定律源、回路、阻抗来融入到产品设计中，用第二大定律的波形测量分析来辅助我们整改电磁兼容问题，用第三大定律的元器件，封装来优化电磁兼容问题。
电磁兼容，简称EMC（electromagnetic compatibility)。它包含两个方面，一个是干扰其他的电器产品，简称EMI(electromagnetic interference)，即电磁干扰；另一个是被其他电器产品干扰，叫抗干扰性，我们用EMS（electromagnetic susceptibility）表示。
要想解决电磁兼容问题，我们要先理解频率带宽的问题。通俗讲带宽是信号的频率，而信号频率本质是信号的速度。那么信号速度的本质是什么？是信号的上升斜率和下降斜率。信号斜率（包含信号的上升斜率和下降斜率，这里统称），信号斜率越慢，则其绝大多数只能通过导线传播，它的频率一般在0-30M Hz之间，这就是我们传导测试重点测试的地方。信号的斜率越快（一般的频率在30M Hz-3Z Hz之间，这就是所谓的带宽）则可以借助天线向空间辐射，这样的天线可以包括电源的引入线，包括元器件的圆角，包括走线的直角等。


测量哪些内容？

EMC测量的内容包含2个方面，第一传导测试，第二辐射测试。传导测试主要测量引出线，辐射测试主要测试空间4米天线、10米天线两种。


什么叫ESD测试？

ESD测试是关于静电测试，当静电打向产品的时候，产品不会出现异常跑飞的现象的测试。


什么叫噪音？

一般来讲，我们把输入的无用信号，统称为噪音。最早的时候，由于电源发出一些声响，我们把这样的声响称为噪音，但是实际上人耳接受频段的能力是有限的，2Hz-2KHz。实际上更多的频段的信息（无用信号）是人耳听不见的，因此我们把凡是对器件本身无用的信号称为噪音。简而言之，一切无用的波形皆为噪音。
那么，构成干扰要有三要素，骚扰源，传播途径，敏感设备。骚扰源分两种，一种是电场的骚扰源，一种是磁场的骚扰源。
从第一大定律去分析，源--这里的源指的骚扰源，骚扰源包括电场引起的扰动，磁场引起的扰动，统称电磁场引起的扰动。那么从这个频段角度来说，30M以下的传导扰动和30M以上的辐射扰动。回路--那么30M以下的传导扰动，它的传播路径（回路）是引线，也包含PCB走线；30M以上的扰动，它的传播路径是空间，由天线发射和接收的空间。阻抗--阻抗就是说在回路中对波形衰减的能力称为阻抗。从两个大方向去解答，依旧从传导和辐射来分析。首先，讨论下传导阻抗的问题。传导的阻抗可以在电路中有两个方面，第一个方面是差模干扰的问题，第二个是共模干扰的问题。
差模干扰是指两条电源线之间（wire to wire）的，主要通过选择合适的电容（X电容，也称安规电容），和差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线分别对大地（简称线对地）的，主要通过选择合适的电容（Y电容，也是安规级别的），和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常用的低通滤波器，一般会同时具有抑制共模和差模干扰的功能。
如下图，低通滤波器原理图。

                               
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低通滤波器原理图
如图1，3为差模电容，2为共模电感，4为共模电容。
1，2，3共同组成的叫π型滤波器，1，3组成的电容主要是滤两根线之间的信号差，因此而得名。一般这两个电容的取值在0.22 uf-1.5 uf。在出现干扰超标的时候，一般解决方法是把这两个电容的值加大，但随着电容容值加大，会导致漏电流加大，这点需要注意。
由于差模电容是接在L和N线两线之间，那么它和后面的负载实际上是并联关系。又由于电容对低频次的信号有很强的阻碍作用，对高频次的信号有很强的导通作用，及低阻抗作用。当50Hz-60Hz低频交流信号流过电容两端的时候，由于电容的阻抗表现极其大，所以电容不起任何作用，等于没有这个电容。当差模信号通过的时候（差模信号一般是高频无用信号），那么电容表现为通路，阻抗很小，在高频信号下，则电容相当于将后面负载短路，那么后面负载就不会受高频信号的干扰。如图差模电容工作原理所以。以上是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析差模电容特性。

                               
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差模电容工作原理
2为共模电感，这个上面有两根独立的线圈，方向相反的绕制在同一个圆形闭合的磁芯上。由于这两根导线大小相等，反向相反，因此产生的磁场相互抵消了。共模电感和后面中的负载是串联关系，当有差分信号通过时（差模信号一般是高频无用信号），由于电感对电流的变化有阻碍作用，那么此时电感表现为大电阻，而后面负载类似于小电阻，则电感承担了绝大多数高次谐波的压降。根据电阻分压原则，后面的负载分得的电压接近于零。当50Hz-60Hz低频交流信号流过电感两端的时候，由于电感的感抗表现极其小，所以电感几乎不起任何阻碍作用，等于没有这个电感。所以我们说这个电感对差分信号起作用。如图共模电感工作原理所示。以上仍然是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析共模电感特性。共模电感的感量选型一般在几百微亨到几毫亨级别。

                               
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共模电感工作原理
4为共模电容，这两个电容由于分别连接着L和N两根线且对大地的（不是电路中的地，一般电路中的地为GND，也为浮地，而共模电容的地为大地earth），呈Y型状，因此而得名。由于Y电容一端连接着大地，那么它和后面负载实际上并联关系的。如图共模电容工作原理，当50Hz-60Hz低频交流信号流过Y电容两端的时候，由于电容的阻抗表现极其大，相当于断路，不导通。当共模信号通过的时候（共模信号一般是高频无用信号），那么电容表现为通路，阻抗很小，高频信号通过Y电容到大地，那么后面负载就不会受高频信号的干扰。以上仍然是运用张老师第一大定律源、回路、阻抗来分析共模电容特性。共模电容的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大，越容易解决干扰问题，但是漏电也越大，取值要甚重。

                               
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共模电容工作原理
当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。
一般 滤波器不单独使用差模线圈，因为共模电感两边绕线不一致等原因，电感必定不会相同，因此能起到一定的差模电感的作用。如果差模干扰比较严重，就要追加差模线圈。

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