电磁兼容性(EMC)基础知识科普

电磁兼容性(EMC)基础知识科普

EMC概述(1)：什么是电磁兼容性(EMC)?

“电磁兼容性(EMC)”主要分为两种，一种是设备本身的电磁噪声对其他设备或人体带来的影响(电磁干扰，EMI：ElectromagneTIc Interference, Emission)，另一种是设备是否会因来自外部的电磁干扰而发生误动作(电磁敏感性EMS：ElectromagneTIc SuscepTIbility, Immunity)，之所称为“电磁兼容性”，是由于为了避免发生故障，这两方面都要兼顾。

以文字的形式写成“定义”是这样的，理解起来有点难是吧。下面我将浅显易懂地、直观地解释一下。我将以大家熟悉的半导体集成电路(LSI、IC)为主角进行解说。

首先是电磁干扰(EMI或电磁发射)。如今，已经开发出并且在售的LSI和IC种类繁多。为了便于说明，大致分类如下：

①老式三端电源(7805和7905等)和低饱和电源(LDO)等直流电源相关产品。这些产品要处理的信号是直流(DC)的。

②差分运算放大器(运算放大器)、电压比较器(比较器)、语音信号处理等相关的产品。要处理的信号是基于正弦波的模拟信号和线性信号。

③微控制器、存储器、逻辑等相关的产品。要处理的信号是数字信号。

④最近常用的开关电源和电荷泵电源等电源相关的产品;LED驱动器、LCD驱动器等显示相关的产品;PWM电机驱动器等驱动相关的产品。这些LSI和IC是涉及到开关技术的产品。

其中①和②不产生电磁干扰(EMI)，③和④产生电磁干扰(EMI)。可以简单的理解为模拟LSI和线性LSI不会产生电磁噪声，而数字LSI和开关LSI会产生电磁噪声，这样说可能更直观更易懂。

由于直流电压本身没有基波和谐波分量，正弦波中的高次谐波分量(基波的N倍频分量)很少，因此不易产生电磁噪声。而数字LSI和开关LSI是处理矩形波(脉冲波)的产品，因此会产生比如在1GHz(千兆赫兹)左右的高次谐波分量(主要是奇次谐波)。这就是“电磁干扰 (EMI)”的本来面目。换句话说，数字LSI和开关LSI所进行的电路工作会产生电磁干扰(EMI)。当然，其优点是通过数字工作可实现高速、大规模的运算处理，通过低功耗工作可延长电池驱动时间。这些产品之所以能够在世界范围内被广泛使用，因为它们的优点大于缺点。

其次，电磁敏感性(EMS或电磁抗扰度)是半导体集成电路(LSI、IC)对电磁噪声的抵抗能力，要求其足够强以防止误动作。可以从两个角度来看电磁敏感性(EMS)。

首先是从电压轴的角度来思考。制造工艺越来越微细，电源电压越来越低，这也就越来越容易导致误动作。很久以前，5V逻辑IC是主流产品，但现在电源电压为0.9V的产品并不少见。例如，在逻辑IC中，内部阈值电压(IC内部区分H电平和L电平的电压)已从2V降低到0.4V。5V逻辑IC受1V外部电磁噪声的影响是不会产生误动作的，而0.9V逻辑IC则很容易产生误动作。尽管如此，仍然使用0.9V逻辑IC是因为其具有低功耗设计所需的优点。

然后是从频率轴的角度来思考。半导体集成电路(LSI、IC)不能以其单体的形式单独工作，需要安装在印刷电路板(PCB)上组成电路后执行工作。在印刷电路板(PCB)上，包括LSI内部在内，存在很多与布线相关的寄生分量。简单的有寄生电阻R(布线电阻)、寄生电容C(杂散电容)、寄生电感L(直流电感)等。经常听到的比较有代表性的有ESR(Equivalent Series Resistance：等效串联电阻)和ESL(Equivalent Series Inductance：效串联电感)。而寄生分量中最麻烦的是电容分量和电感分量。这是因为存在于LSI内部和整个印刷电路板(PCB)的寄生电容C和寄生电感L会引发谐振现象。LC串联谐振和并联谐振可以发生在从低频到高频的各种频率上。在这些谐振频率上，阻抗会变为零或无穷大，从而形成容易发生误动作的频率。这也是需要很强的电磁敏感性(电磁抗扰度)的原因之一。之所以说是“之一”，是因为还有很多其他原因，比如容易误动作的电路结构和电路板底片等。一般说来，相比电磁干扰(EMI)对策，针对电磁敏感性(EMS)的对策更难，原因是电磁敏感性(EMS)涉及到诸多因素，而要判明其中的哪一个因素是起主要作用的，就需要时间和技巧了。

接下来我想谈谈电磁噪声的传播路径，但是放在这一篇文章里会显得内容过多，所以我会在下一篇中进行讲解。

EMC概述(2)：什么是电磁兼容性(EMC)?

您应该已经了解了电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)。在本文中我将介绍这些电磁噪声的传播路径。正如在初级篇中已经介绍过的，电磁噪声的传播方式大致分为两种：一种是传导(Conducted)发射，通过印刷电路板(PCB)和印刷电路板(PCB)之间的布线等传播;另一种是辐射(Radiated)发射，从测试对象(DUT)直接或以印刷电路板(PCB)的布线等为天线通过空间传播。一般情况下，30MHz(兆赫兹)以下被视为传导，30MHz以上被视为辐射。30MHz并非是明确的分隔线，理解为大致的参考线即可。因此，电磁兼容性(EMC)的物理现象大致可以分为以下四种：

电磁兼容性(EMC)

传导发射　(CE：Conducted Emission)

辐射发射　(RE：Radiated Emission)

传导抗扰度　(CI：Conducted Immunity)

辐射抗扰度　(RI：Radiated Immunity)

我曾介绍过设计时必须兼顾电磁干扰(EMI)和电磁敏感性(EMS)，但作为物理现象，必须避免以上四种问题。这是一项非常艰巨的工作。事实上，在电磁兼容性(EMC)的国际标准中也是按照这个体系进行分类的。在客户提供的采购规格书中，也按照上述分类规定了电磁兼容性(EMC)，并指定了更详细的国际标准。

此外，每种产品都有电磁兼容性(EMC)国际标准，并且分别都有具有代表性的标准。简单总结如下：

具有代表性的电磁兼容性(EMC)国际标准

 

产品体系 电磁干扰（EMI） 电磁兼容性（EMS） 半导体元件 IEC 61967-4标准
（传导发射）：1Ω/150Ω直接耦合法
150kHz~1GHz IEC 62312-4标准
（传导抗扰度）：DPI法
150kHz~1GHz 消费电子产品 CISPR32（旧22）标准
（传导发射）：电压法
150kHz~30MHz
（辐射发射）：3m法/10m法
30MHz~1GHz IEC 61000-4-3标准
（辐射抗扰度）：
射频电磁场辐射抗扰度
80MHz~6GHz 车载产品 CISPR25标准
（传导发射）：电压法
150kHz~108MHz
（辐射发射）：ALSE法
150kHz~2.5GHz ISO 11452-4标准
（传导抗扰度）：
HE法（BCI法/TWC法）
100KHz~400MHz
/400MHz~3GHz

看到辐射和传导的频率条件时，可能会有人会想“诶？这是怎么回事？”虽然我在前面提到作为一个“参考标准”，“一般情况下，30MHz（兆赫兹）以下被视为传导，30MHz以上被视为辐射”，然而，在实际的国际标准中，有很多标准将1GHz以下规定为传导，也有些标准将150KHz以上规定为辐射。可以理解为，传导测试中之所以规定了超过30MHz的测试，其实是测量范围不仅包括纯粹的传导分量，还包括部分高频段的辐射分量（通过传导测试电路进行测试）。此外，将上限频率提到更高作为自有标准进行标准化的客户也不在少数。

这些国际标准每几年会修订一次。这是因为当发生由电磁兼容性（EMC）问题导致的严重事件时，与其他法律法规一样，为了防止此类事件再次发生，就需要由国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）等相应的组织进行讨论并修改频率范围和测量极限值，修订和发布相应的国际标准。

EMC概述（3） ：什么是电磁兼容性（EMC）？

了解实例，就可以深入理解其重要性

本篇将具体介绍电磁兼容性（EMC）现象。本文的主角也是半导体集成电路（IC）。

首先是电磁干扰（EMI: ElectromagneTIc Interference，发射）的一个例子。假设这是半导体集成电路（IC）使用开关技术工作、并且印刷电路板（PCB）上的EMC措施不充分的情况。如果EMI滤波器的设计不好，比如低通滤波器（LPF）的截止频率高于开关频率的1/10，在这种情况下，如果使半导体集成电路（IC）工作，则可能会发生：

・其周围配置的AM/FM收音机功能的接收灵敏度变差，并且会出现哔哔嘎嘎之类的噪声

・通过Bluetooth连接的设备断开连接

・智能手机上的视频播放中断等现象。

接下来是电磁敏感性（EMS: Electromagnetic Susceptibility, 抗扰度）的一个例子。这是半导体集成电路（IC）附近有电磁噪声、而且这种噪声带来不良后果的一种情况。该示例也是假设印刷电路板（PCB）上的EMC措施不足的情况：没有噪声滤波器，或者即使有，其频率特性也不能充分抑制电磁噪声。在这种情况下，可能会发生：

・差分运算放大器（Op Amp）的工作点通常应该是VCC（电源电压）/2的偏置电压，但却会变为VCC附近或GND附近的电压。

・在数据通信用半导体集成电路（IC）的数据收发过程中，只在产生电磁噪声时接收到的数据会发生反转

・在低电压数字电路（包括CPU和存储器）中，只在产生电磁噪声时控制逻辑引发错误等问题。

可能单凭上一篇中符合/不符合电磁兼容性（EMC）国际标准的描述很难具体理解，但通过实际的例子，就可以理解这些问题都与严重的干扰和误动作息息相关。因此，与电磁兼容性（EMC）相关的现象是非常重要的，尤其对于航空航天、医疗、车载等可能会有生命危险的产品和元器件来说，这类情况是绝对不能发生的。正是为了进行充分的验证并提供安全放心的产品和元器件，从元器件制造商到终端产品制造商，各行各业的工程师们都在努力研究电磁兼容性（EMC）。

那么为什么直到如今电磁兼容性（EMC）还是如此受关注呢？

对于电磁干扰（EMI）来说，与工作频率的日益提高有很大关系。与很久以前100MHz被视为超高速的时代不同，如今产品工作频率为1GHz~10GHz的情况并不少见。当然，其谐波分量是电磁干扰（EMI）的源头，因此电磁干扰（EMI）的频段范围变得更宽。此外，频率越高，越容易产生辐射，因此需要更加注意。

对于电磁敏感性（EMS）来说，电源电压下降是影响因素之一。5V逻辑和0.9V逻辑相比，它们的H电压和L电压之间的电压差（VIH/VIL）完全不同。如果电源电压低，对电磁噪声的抵抗力就会降低。

而且，构成半导体集成电路（IC）的元器件数量也逐年增加。如今是在一枚硅芯片上能够配置5亿～10亿个晶体管的时代了。因此，出现电磁兼容性（EMC）问题的位置更多，概率也更高。随着微细化和高度集成化的发展，根据摩尔定律，未来，只要半导体集成电路（IC）的集成度继续提高，电磁兼容性（EMC）问题就会继续恶化。

在现场，工程师们已经深切意识到，过去不用格外注意电磁兼容性（EMC）也没有问题，但是对于最近的产品和元器件来说，一旦不好好处理电磁兼容性（EMC）问题，就会产生严重的后果。因此准确地说，现在的状况不是“正在关注”而是“不得不关注”，这样说可能更接近现实。

审核编辑：汤梓红