内容简介

EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》以分析EMC案例分析为主线,通过案例描述分析,介绍产品设计中的EMC技术,向读者介绍产品设计有关EMC的实用设计技术与诊断技术,减少设计人员在产品的设计与EMC问题诊断中的误区。所描述的EMC案例涉及结构、屏蔽与接地、滤波与抑制、电缆、布线、连接器与接口电路、旁路、去耦与储能、PCBlayout还有器件、软件与频率抖动技术各个方面。

作者简介

  郑军奇,知名EMC专家,长期从事EMC理论与工程研究,具备丰富的EMC实践和工程经验。他是“EMC设计风险评估法”的创始人,多项国家EMC标准的主要起草人,“EMC设计风险评估法”将产品的EMC设计提升到了方法论阶段,被广大企业的研发部门所采纳。他又是专业的EMC讲师及高校特聘教授,具有数百场EMC培训经验,受到企业与学员的高度评价,是中国EMC工程应用领域培训*跑者。

  同时,他也是:

  CISPR(国际无线电干扰特别委员会)副主席;

  全国无线电干扰与标准化技术委员会秘书长;

  工信部国家信息技术紧缺人才认证(NITE)讲师。

  出版EMC专著:

  《电磁兼容(EMC)测试与案例分析》;

  《电子产品设计EMC风险评估》。

目录

目录
第1章 EMC基础知识及EMC测试实质…………………………………………………(1)
1??1 什么是EMC…………………………………………………………………………(1)
1??2 传导、辐射与瞬态……………………………………………………………………(2)
1??3 理论基础………………………………………………………………………………(3)
1??3??1 时域与频域…………………………………………………………………………(3)
1??3??2 电磁骚扰单位分贝(dB)的概念……………………………………………………(4)
1??3??3 正确理解分贝真正的含义……………………………………………………………(5)
1??3??4 电场、磁场与天线……………………………………………………………………(8)
1??3??5 RLC电路的谐振……………………………………………………………………(14)
1??4 EMC意义上的共模和差模…………………………………………………………(17)
1??5 EMC测试实质………………………………………………………………………(18)
1??5??1 辐射发射测试实质…………………………………………………………………(18)
1??5??2 传导骚扰测试实质…………………………………………………………………(21)
1??5??3 ESD抗扰度测试实质………………………………………………………………(22)
1??5??4 辐射抗扰度测试实质………………………………………………………………(23)
1??5??5 共模传导性抗扰度测试实质…………………………………………………………(25)
1??5??6 差模传导性抗扰度测试实质…………………………………………………………(27)
1??5??7 差模共模混合的传导性抗扰度测试实质……………………………………………(27)
第2章 产品的结构构架、屏蔽、接地与EMC…………………………………………(28)
2??1 概论…………………………………………………………………………………(28)
2??1??1 产品的结构、构架与EMC…………………………………………………………(28)
2??1??2 产品的屏蔽与EMC…………………………………………………………………(29)
2??1??3 产品的接地与EMC…………………………………………………………………(30)
2??2 相关案例分析………………………………………………………………………(31)
2??2??1 案例1:PCB工作地与金属壳体到底应该关系如何…………………………………(31)
2??2??2 案例2:接地方式如此重要…………………………………………………………(33)
2??2??3 案例3:传导骚扰与接地……………………………………………………………(37)
2??2??4 案例4:传导骚扰测试中应该注意的接地环路………………………………………(41)
2??2??5 案例5:屏蔽体外的辐射从哪里来…………………………………………………(44)
2??2??6 案例6:“悬空”金属与辐射………………………………………………………(46)
2??2??7 案例7:伸出屏蔽体的“悬空”螺柱造成的辐射……………………………………(49)
2??2??8 案例8:屏蔽材料的压缩量与屏蔽性能……………………………………………(52)
2??2??9 案例9:开关电源中变压器初、次级线圈之间的屏蔽层对EMI作用有多大…………(55)
2??2??10 案例10:金属外壳接触不良与系统复位……………………………………………(60)
2??2??11 案例11:静电放电与螺钉…………………………………………………………(61)
?Ⅸ?
2??2??12 案例12:怎样接地才有利于EMC…………………………………………………(62)
2??2??13 案例13:散热器形状影响电源端口传导发射………………………………………(66)
2??2??14 案例14:金属外壳屏蔽反而导致EMI测试失败……………………………………(70)
2??2??15 案例15:PCB工作地与金属外壳直接相连是否会导致ESD干扰进入电路…………(75)
2??2??16 案例16:是地上有干扰吗?………………………………………………………(81)
第3章 产品中电缆、连接器、接口电路与EMC…………………………………………83
3??1 概论………………………………………………………………………………………83
3??1??1 电缆是系统的最薄弱环节………………………………………………………………83
3??1??2 接口电路是解决电缆辐射问题的重要手段………………………………………………83
3??1??3 连接器是接口电路与电缆之间的通道…………………………………………………84
3??1??4 PCB之间的互连是产品EMC的最薄弱环节……………………………………………85
3??2 相关案例…………………………………………………………………………………87
3??2??1 案例17:由电缆布线造成的辐射超标…………………………………………………87
3??2??2 案例18:屏蔽电缆的“Pigtail”有多大影响……………………………………………89
3??2??3 案例19:屏蔽电缆屏蔽层是双端接地还是单端接地?…………………………………92
3??2??4 案例20:为何屏蔽电缆接地就会导致测试无法通过?…………………………………94
3??2??5 案例21:接地线接出来的辐射…………………………………………………………97
3??2??6 案例22:使用屏蔽线一定优于非屏蔽线吗………………………………………………99
3??2??7 案例23:塑料外壳连接器与金属外壳连接器对ESD的影响……………………………105
3??2??8 案例24:塑料外壳连接器选型与ESD………………………………………………107
3??2??9 案例25:当屏蔽电缆的屏蔽层不接地时………………………………………………108
3??2??10 案例26:数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题………………………(110)
3??2??11 案例27:为什么PCB互连排线对EMC那么重要…………………………………(116)
3??2??12 案例28:PCB板间的信号互联是产品EMC最薄弱的环节…………………………(123)
3??2??13 案例29:环路引起的辐射发射超标………………………………………………(125)
3??2??14 案例30:注意产品内部的互连和布线……………………………………………(128)
3??2??15 案例31:信号线与电源线混合布线的结果………………………………………(129)
3??2??16 案例32:电源滤波器安装要注意什么……………………………………………(132)
第4章 通过滤波与抑制提高产品EMC性能……………………………………………(136)
4??1 概论…………………………………………………………………………………(136)
4??1??1 滤波器及滤波器件…………………………………………………………………(136)
4??1??2 防浪涌电路中的元器件……………………………………………………………(140)
4??2 相关案例……………………………………………………………………………(145)
4??2??1 案例33:由Hub引起的辐射发射超标……………………………………………(145)
4??2??2 案例30:电源滤波器的安装与传导骚扰……………………………………………(149)
4??2??3 案例35:输出端口的滤波影响输入端口的传导骚扰………………………………(152)
4??2??4 案例36:共模电感应用得当,辐射、传导抗扰度测试问题解决决…………………(156)
4??2??5 案例37:电源差模滤波的设计……………………………………………………(158)
4??2??6 案例38:电源共模滤波的设计……………………………………………………(162)
4??2??7 案例39:滤波器件是否越多越好…………………………………………………(168)
?Ⅹ?
4??2??8 案例40:滤波器件布置时应该注意的事件…………………………………………(172)
4??2??9 案例41:信号上升沿对EMI的影响………………………………………………(175)
4??2??10 案例42:如何解决电源谐波电流超标……………………………………………(177)
4??2??11 案例43:接口电路中电阻和TVS对防护性能的影响………………………………(179)
4??2??12 案例44:防浪涌器件能随意并联吗………………………………………………(186)
4??2??13 案例45:浪涌保护设计要注意“协调”…………………………………………(188)
4??2??14 案例46:防雷电路的设计及其元件的选择应慎重…………………………………(190)
4??2??15 案例47:防雷器安装很有讲究……………………………………………………(191)
4??2??16 案例48:如何选择TVS管的钳位电芯,峰值功率…………………………………(193)
4??2??17 案例49:选择二极管钳位还是选用TVS保护……………………………………(196)
4??2??18 案例50:单向TVS取得更好的负向防护效果……………………………………(198)
4??2??19 案例51:注意气体放电管的弧光电压参数………………………………………(201)
4??2??20 案例52:用半导体放电管做保护电路时并联电容对浪涌测试结果的影响…………(207)
4??2??21 案例53:浪涌保护电路设计的“盲点”不可忽略…………………………………(210)
4??2??22 案例54:浪涌保护器件钳位电压不够低怎么办?…………………………………(212)
4??2??23 案例55:如何防止交流电源端口防雷电路产生的起火隐患………………………(214)
4??2??24 案例56:铁氧体磁环与EFT/B抗扰度……………………………………………(220)
4??2??25 案例57:磁珠如何降低开关电源的辐射发射………………………………………(222)
第5章 旁路和去耦………………………………………………………………………(226)
5??1 概论…………………………………………………………………………………(226)
5??1??1 去耦、旁路与储能的概念…………………………………………………………(226)
5??1??2 谐振………………………………………………………………………………(227)
5??1??3 阻抗………………………………………………………………………………(230)
5??1??4 去耦和旁路电容的选择……………………………………………………………(231)
5??1??5 并联电容…………………………………………………………………………(232)
5??2 相关案例……………………………………………………………………………(233)
5??2??1 案例58:电容值大小对电源去耦效果的影响………………………………………(233)
5??2??2 案例59:芯片电流引脚上磁珠与去耦电容的位置…………………………………(237)
5??2??3 案例60:静电放电干扰是如何引起的………………………………………………(241)
5??2??4 案例61:小电容解决困扰多时的辐射抗扰度问题…………………………………(244)
5??2??5 案例62:金属外壳产品中空气放电点该如何处理…………………………………(245)
5??2??6 案例63:ESD与敏感信号的电容旁路……………………………………………(247)
5??2??7 案例64:磁珠位置不当引起的浪涌测试问题………………………………………(249)
5??2??8 案例65:旁路电容的作用…………………………………………………………(251)
5??2??9 案例66:光耦两端的数字地与模拟地如何接………………………………………(253)
5??2??10 案例67:二极管与储能、电压跌落、中断抗扰度…………………………………(256)
第6章 PCB设计与EMC………………………………………………………………(262)
6??1 概论…………………………………………………………………………………(262)
6??1??1 PCB是一个完整产品的缩影………………………………………………………(262)
6??1??2 PCB中的环路无处不在…………………………………………………………(262)
?Ⅺ?
6??1??3 PCB中必须防止串扰的存在………………………………………………………(263)
6??1??4 PCB中不但存在大量的天线而且也是驱动源………………………………………(263)
6??1??5 PCB中的地平面阻抗与瞬态抗干扰能力有直接影响………………………………(264)
6??2 相关案例……………………………………………………………………………(265)
6??2??1 案例68:“静地”的作用…………………………………………………………(265)
6??2??2 案例69:PCB布线形成的环路造成ESD测试时复位………………………………(270)
6??2??3 案例70:PCB布线不合理造成网口雷击损坏………………………………………(274)
6??2??4 案例71:共模电感两边的“地”如何处理…………………………………………(275)
6??2??5 案例72:PCB中铺“地”和“电源”要避免耦合…………………………………(278)
6??2??6 案例73:数/模混合器件数字地与模拟地如何接……………………………………(283)
6??2??7 案例74:PCB布线宽度与浪涌测试电流大小的关系………………………………(286)
6??2??8 案例75:如何避免晶振的噪声带到电缆口…………………………………………(289)
6??2??9 案例76:地址线噪声引起的辐射发射……………………………………………(291)
6??2??10 案例77:环路引起的干扰………………………………………………………(294)
6??2??11 案例78:PCB层间距设置与EMI…………………………………………………(299)
6??2??12 案例79:布置在PCB边缘的敏感线为何容易受ESD干扰…………………………(303)
6??2??13 案例80:减小串联在信号线上的电阻可通过测试…………………………………(306)
6??2??14 案例81:数模混合电路的PCB设计详细解析案例………………………………(308)
6??2??15 案例82:晶振为什么不能放置在PCB边缘………………………………………(321)
6??2??16 案例83:强辐射器中下方为何要布置局部地平面…………………………………(325)
6??2??17 案例84:接口电路布线与抗ESD干扰能力………………………………………(327)
第7章 器件、软件与频率抖动技术……………………………………………………(330)
7??1 器件、软件与EMC………………………………………………………………(330)
7??2 频率抖动技术与EMC……………………………………………………………(331)
7??3 相关案例……………………………………………………………………………(331)
7??3??1 案例85:器件EMC特性和软件对系统EMC性能的影响不可小视…………………(331)
7??3??2 案例86:软件与ESD抗扰度………………………………………………………(333)
7??3??3 案例87:频率抖动技术带来的传导骚扰问题………………………………………(334)
7??3??4 案例88:电压跌落与中断测试引出电路设计与软件问题……………………………(340)
附录A EMC术语…………………………………………………………………………(341)
附录B 民用、工科医、铁路等产品相关标准中的EMC测试…………………………(343)
附录C 汽车电子、电气零部件的EMC测试……………………………………………(359)
附录D 军用标准中的常用EMC测试……………………………………………………(377)
附录E EMC标准与认证…………………………………………………………………(398)
?Ⅻ

前言/序言

前言

在国内市场上,大部分的EMC书籍存在的一个共同缺陷就是设计与测试脱节。谈论EMC设计技术与方法需要建立在EMC测试原理的基础上,不仅仅是因为EMC设计的第一道门槛就是EMC测试,更重要的是在EMC测试的标准中给出了明确的干扰源、接收源等模型。它们都是EMC问题分析中不可缺少的部分。如传导骚扰测试,它的实质是LISN中一个电阻两端的电压,在电阻一定的情况下,传导骚扰的高低取决于流经LISN中这个电阻的电流。EMC设计就是为了降低流经这个电阻的电流;又如EFT/B测试、BCI测试、ESD测试等抗扰度测试,它们是典型的共模抗扰度测试,干扰源是相对于参考接地板的共模电压,也就意味着这些干扰源的参考点是进行这些测试时的参考接地板,干扰所产生的所有干扰电流最终都要流回参考接地板,这是分析这类干扰问题的基本点。设想一下,对于以上所说的传导骚扰测试来说,如果在测试设计的产品时,骚扰电流不流过LISN中的那个电阻,同时,对于抗扰度测试来说,干扰电流也不经过产品电路,那么这个产品肯定是通过EMC测试的。因此,EMC设计必须从EMC测试开始。《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》(第3版)是一本紧密结合EMC测试实质、EMC设计原理及具体产品设计,来讲述EMC设计方法的工程参考用书。实践性与理论性的高度结合是《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》的最大特点。

EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》分为7章。其中,第1章描述EMC基础知识及EMC测试实质,为第2章~第7章的内容做铺垫。当读者在阅读后续章节,对一些基本概念比较模糊时可以方便查阅。第2章~第7章是案例部分,所涉及的均为EMC典型案例。案例描述都采用同样的格式,即包含“现象描述”“原因分析”“处理措施”“思考与启示”四部分。试图通过每个案例的分析,向设计人员介绍有关EMC的实用设计与诊断技术,减少在产品设计与EMC问题诊断中存在的误区,使产品具有良好的EMC性能。同时,通过案例说明EMC设计原理,为的是让读者更好地理解设计的由来。“思考与启示”部分实际上是问题的总结与相关问题的注意事项,也可以作为产品设计的EMC检查列表。案例分为下述6大类。

●产品的结构构架、屏蔽、接地与EMC:对于大部分设备而言,屏蔽都是必要的。特别是随着电路工作频率的日益提高,单纯依靠线路板设计往往不能满足EMC标准的要求。合理的屏蔽能大大加强产品的EMC性能,但是不合理的屏蔽设计不但不能起到预期的效果,相反可能引入一些额外的EMC问题。另外,接地不单有助于解决安全问题,同样对EMC也相当重要,许多EMC问题是由不合理的接地设计引起的。因为地线电位是整个电路工作的基准电位,如果地线设计不当,则地线电位就不稳,就会导致电路故障,也有可能产生额外的EMI问题。接地设计的目的是要保证地线电位尽量稳定,降低地压降,从而消除干扰现象。

●产品中的电缆、连接器、接口电路与EMC:电缆总是引起辐射或引入干扰的最主要通道,因为长度原因,电缆不单是“发射天线”,同时也是良好的“接收天线”。与电缆有最直接关系的就是连接器与接口电路。良好的接口电路设计不但可以使内部电路的噪声得到很好的抑制,使“发射天线”无驱动源,同样也可以滤除电缆从外界接收到的干扰信号。正确的连接器设计又给电缆与接口电路提供了一个很好的配合通道。

●通过滤波与抑制提高产品EMC性能:对于任何设备而言,滤波与抑制都是解决电磁干扰的关键技术之一。因为设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线,因此设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的,而外界干扰往往也是首先被导线接收到,然后串入设备的。滤波与抑制的目的就是消除导线上的这些干扰信号,防止电路中的干扰信号传到导线上,借助导线辐射,也防止导线接收到的干扰信号传入电路。

●旁路和去耦:当器件工作时,时钟和数据信号脚上的信号电平按规律发生变化,此时,去耦将提供给元件在时钟和数据变化期间正常工作的足够动态电压和电流。去耦是通过在信号线和电源平面间加一个低阻抗的电源来实现的。在频率升高到自谐振点之前,随着频率的提高,去耦电容的阻抗会越来越低。这样,高频噪声会有效地从信号线上泄放,余下的低频射频能量就没有什么影响了。最佳的实现效果可通过储能、旁路、去耦电容来达到。这些电容的值可通过特定的公式计算得到。另外,必须正确适当地选择电容的绝缘材料,而不是根据过去的用法和经验来随意选择。

●PCB设计与EMC:无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响,或者电路之间产生相互干扰,PCB都是问题的核心,无论是PCB中的器件布局,还是PCB中的线路布线,都会对产品整体的EMC性能产生本质的影响。例如,接口连接器的仿真位置将影响共模电流流经的方向,布线的路径将影响电路环路的大小。这些都是EMC的关键,因此设计好PCB对于保证设备的EMC性能具有重要的意义。PCB设计的目的就是减小PCB上电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性,减小PCB上电路之间的相互影响。

●器件、软件与频率抖动技术:电路由器件构成,但是器件的EMC性能往往被忽略掉,其实器件的封装、上升沿、管退分布及器件本身的抗ESD能力都对器件所应用产品的EMC性能产生很大的影响。软件虽然不是输入EMC学科范畴,但是在有些情况下,利用软件提供的容错技术可以避开产品对外界干扰的影响。频率抖动技术是近年来流行的一种降低电路传导骚扰和辐射骚扰的技术,但是该技术也不是万无一失的。《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》中的案例将详细说明频率抖动技术的实质及注意事项。

EMC设计规则犹如交通法规,虽然不遵守交通法规不一定会出交通事故,但是风险必然变大。EMC设计也是一样,有些规则不遵守或许也能在测试中过关,但是不遵守规则测试不过关的风险必然加大,所以在产品设计中有必要引入风险意识,EMC设计的目的是最大限度地降低EMC测试风险,只有遵守所有EMC“规则”的产品才是具有最低EMC风险的产品。《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》的大部分内容来自于笔者在实际工作中碰到的EMC问题,每个案例都有较详细的理论分析过程,并从中得出参考经验。这些案例是笔者积累的大量EMC案例中的典型,每一个案例的结果都形成了一个或多个EMC设计规则,这是值得借鉴与参考的。由于笔者所从事产品范围的限制,也许不能包含各类电子、电器产品的EMC问题,同时也可能由于笔者知识的不全面性,导致出现一些描述不合理或不精确,甚至错误的地方,还望广大读者指出。

在此我要特别感谢为《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》提过宝贵意见及建议的吴勤勤教授、博导同时还要感谢深圳滨城电子的各位技术专家,及对《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》提过宝贵意见的各位同人;另外也要感谢电子工业出版社的牛平月编辑及其同事。

注:鉴于EMC测试系统多为英文板,为方便读者阅读,《EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第3版)》中部分图、表未进行翻译,保持英文原版。

郑军奇

于2018年


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