【可靠性】安规和EMC
前言
经常听到某些产品需要各种各样的认证，或者在产品标签上看到各种认证的标签贴纸。例如，中国强制性的3C认证，另有美国的UL、欧洲CE等。这些认证既需要对产品的功能、性能参数进行测试，也需要对安规和EMC进行测试。本文将讲解安规和EMC的测试内容，使工程师在设计时，能够有目的地设计。一个产品的安规和EMC问题，不仅仅是PCB工程师的职责，也是结构工程师的职责(辐射发射、辐射抗扰度、静电）。安规和EMC是一项系统工程，不能仅靠在测试中整改，而应贯穿需求分析、原理图设计、PCB设计、结构设计之中。
何为安规、EMC
安规主要是对产品安全性方面的测试和要求，例如阻燃性、绝缘性、漏电、防尘防水等。
EMC（Electromagnetic Compatibility）电磁兼容性，指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。EMC=EMI（Electromagnetic Interference）电磁干扰+EMS（Electromagnetic Susceptibility）电磁抗干扰。如果是非高频和射频设备，EMC主要是电源方面的EMI（辐射 和传导）问题。
设计前的准备
- 《产品需求说明书》：明确产品的功能、性能参数、安规标准和EMC标准。
- 安规标准文件
- EMC标准文件
1、EMC的基本测试项目
上面是EMC的所有项目：
- 辐射RE(Radiated Emission）:测试场地要求比较高，一般使用EMC暗室代替开阔场地测量。EMC暗室只有地面为反射面，其他面都安装吸波材料，测试时，人员等不在暗室内，防止有干扰。辐射测量的信号在30MHz-1GHz。注意频率，在150KHz～30MHz的干扰信号主要通过传导泄漏，辐射量比较小（原因是信号波长有关）。
- 传导CE（Conducted Emission）：传导测量信号频率在150KHz-30MHz。试验前，接好所有线缆（电源、通信、IO等），待设备工作正常稳定后，测试线缆上的传导骚扰。
- 谐波（Harmonics）：设备工作时，向电网中传输的电源高次谐波的强度。难点
- 电源闪烁（Flickers）：
- 静电放电ESD（Electrostatic Discharge）：包含直接放电和间接放电。直接放电时对产品直接打静电，模拟的是人体和其他带电设备对产品进行放电时的情况。直接放电分为：接触放电、空气放电。产品外壳是金属部分的，需要放电枪直接接触金属部位，塑料外壳需要空气放电。
- 辐射抗干扰RS（Radiated Susceptibility）：在暗室，使用天线对设备进行辐射发射，测试。
- 电快速瞬变脉冲群EFT/B：设备附近或者设备所处的电网中，有感性负载切断时，产生的脉冲。使用耦合板耦合在通讯和电源线上，脉冲群的能量会耦合到线缆上，产生电荷积累，对于没有大地的设备（浮地系统），积累到一定程度，会导致数字逻辑电平错乱、设备损坏等。
- 浪涌试验（Surge）：对电源和信号都需要做浪涌测试。浪涌的能量远大于脉冲群和静电。干扰频率宽度比较窄。一般使用压敏电阻和保险电阻抑制。
- 传导骚扰抗扰度CS（Conducted Susceptibility）：
- 工频磁场试验PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：50Hz工频磁场（例如大型变压设备）下对设备的影响，主要影响设备中的一些磁性设备，如线圈、霍尔器件。
- 电压跌落/短时中断DIP/interruptions：指设备所在的电网中突然接入大功率设备，导致电网电压变低对设备的影响。IEEE中定义，电网电压跌落10%~90%，持续10ms-1min后恢复正常。电网短路一般跌落幅度30%，输电线在绝缘子处发生闪络，或对地放电，一般跌落幅度60%。跌落、短时中断都会导致继电器复位、通讯错乱、不显示、设备复位等，需要添加大电容进行储能，扛过中断和跌落。
详细解释参考阅读：EMC常见测试项目
2、产品对EMC的标准要求？
中国强制3C认证，美国的UL、欧洲CE等。标准中对不同类型的产品有不同的等级，例如静电有6kV、8kV、12kV、15kV等级别，按照具体需求进行EMC试验。
3、产品EMC整改的思路？
要分析上述11中测试中，如何进行设计，才能提出如何整改。
辐射RE(Radiated Emission）
根源：EMI是高频电流回路形成。走线长度大于波长的1/20，就会成为天线。
测试：在内部可以先对设备进行测试，使用频谱仪，在设备开机和关机时各测试一次，结果相减，去除环境噪声的影响。在设备内部，使用近场探头，追踪定位EMI的源。另外，瞬态EMI可能不好测试，但可能会引起复位、死机、通讯错误等。
消除：传播路径、源头方面考虑。
源头：层叠设计、地平面的完整（布局、走线）、电源滤波、布线（阻抗连续）、提高频信号上升沿和下降沿的时间。
传导CE（Conducted Emission）
谐波（Harmonics）
电源闪烁（Flickers）
静电放电ESD（Electrostatic Discharge）：
辐射抗干扰RS（Radiated Susceptibility）
电快速瞬变脉冲群EFT/B：
浪涌试验（Surge）：
传导骚扰抗扰度CS（Conducted Susceptibility）
工频磁场试验PMS（Power-frequency Magnetic Susceptibility）：
电压跌落/短
4、产品整改时常用元器件的使用？
共模电感
共模电感用于抑制共模干扰（指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声）。注意，下图中的绕线方向。
当共模干扰从左向右经过时，根据右手螺旋法则，可以知道上面的线，产生的磁场是绕着铁氧体顺时针，下面的线，一样。这样，两个线圈就会产生比较大的感抗，阻碍共模干扰信号的流出。
当正常信号经过时，例如电流，上面的线是电源正，下面的线是电源负，上面的线电流从左到右走，下面的线从右到左走。这样，两个线圈会产生方向相反的磁场，并抵消掉。所以，电感主要表现出阻抗。
共模电感在选用时，应考虑
- 瞬时大电流经过时，磁芯会不会饱和，要选用电流合适的共模电感。
- 高电压经过时，漆包线的绝缘漆会不会被击穿。漆包线的耐压应该要测试，不能全信供应商。
- 线圈要尽可能单层，减小线圈的寄生电容。
- 共模电感的抑制频率。主要根据使用环境中的共模干扰频率决定。
- 由于绕线不能完全封闭，会产生部分差模电感，有时需要人为增加此部分差模电感，抑制差模干扰。
电感
电感可以抑制高频信号，其等效电路如下：
电感量越大，其分布电容也越大，导致其对高频信号的抑制作用降低，所以，电感的电感量是随着信号的频率变化的，在某个频率点，阻抗才会达到最大。在选型时，应该查看其频率电感特性曲线。
电感量越大，其谐振频率越低。也就是说，其分布电容谐振在这个频率点对交流的直通作用，抵消了电感的阻抗。
如果我们还要对抑制频率进一步提高，那么我们最后选用的电感线圈就只好是它的最小极限值，只有1圈或不到1圈了。磁珠，即穿心电感，就是一个匝数小于1圈的电感线圈。但穿心电感比单圈电感线圈的分布电容小好几倍到几十倍，因此，磁珠比单圈电感线圈的工作频率更高。
磁珠
磁珠是铁氧体材料，高频流过时，由于高感抗，转化成热能，低频信号可以经过。与普通电感相比，具有更好的高频抑制效果。
磁珠广泛应用在电源、信号线路上，可以抑制静电脉冲等。磁珠的单位是欧姆，可以在datasheet上查看频率阻抗特性曲线图，比如100MHz的频率下，阻抗位1000欧姆，通常选用600欧姆阻抗以上的。另外，需要降额80%使用，另外，用在电源线路上，应考虑直流阻抗产生的压降。
一般磁环居里温度110℃，达到这一温度以后立刻失去磁性，有如空气介质一般；恢复室温以后，磁性能发生了永久性改变，磁导率降低了10%。所以，在大功率电路中应用时，应该考虑这种可能出现的温度环境，放置器件失效。
滤波电容
滤波电容在高频应用时，应考虑其谐振（同物理意义上的共振）。对于高频噪声提供一个旁路，流通到地。
普通陶瓷电容的电容量会随着温度的变化而变化，但穿心电容更接近理想电容，在数百兆Hz~1GHz，具有很好的旁路作用。穿心电容怕高温和温度冲击，所以在焊接时，容易造成损坏。另外，穿心电容是三端电容：入、出、地。
5、EMC设计如何在设计过程的各阶段开展？
电路设计（包括器件选型）、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线电源线滤波、电路接地方式。
Tips：电磁兼容领域，要描述的幅度和频率范围都很宽，在图形上用对数坐标更容易表示，而 dB 就是用对数表示。
对于功率，dB=10log()，对于电压和电流，dB=20log()。
例如：X = 100000 = 10*log(10^5) = 50 dB X = 0.000000000000001 = 10*log(10^-15) = -150 dB 减法：10dB-5dB，实际就是两个数值的相除，例如信噪比。
如何设计好EMC:
- 设计人员的水平
- 公司EMC设计规范
- 公司EMC负责人
- 在设计前期解决EMC问题
系统流程法(System Flow Method)
系统流程法，即主要在研发流程中融入 EMC 设计理念，在产品设计的各个阶段进行 EMC 设计控制，把可能出现的 EMC 问题在研发前期进行考虑；设计过程中主要
从产品的电路（原理图、PCB 设计），结构与电缆，电源模块，接地等方面系统考虑 EMC 问题，针对可能出现 EMC 问题进行前期充分考虑，从而确保产品样品出来后能够一次性通过测试与认证！
- 产品总体方案设计
- 产品详细方案设计
- 产品原理图设计
- 产品PCB设计
- 产品结构设计
- 产品初样试装
- 产品EMC摸底验证
- 产品认证
设计Tips
1、设计阶段进行EMC设计，成本和效果是最好的。
2、高频电流环路面积越大，EMI越严重。高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时，一般走线电抗大于电阻，连线对高频信号就是电感，串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的，最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线，减小高频电流回路面积，尽量消除任何非正常工作需要的天线，如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。
3、环路电流频率f越高，引起的EMI辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二，就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f，即减小骚扰电磁波的频率f。
参考资料