学习笔记--电磁兼容性EMC
一、基本概念
电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是电子电气设备在特定电磁环境中正常工作的能力，同时不会对其他设备产生不可接受的电磁干扰。其核心目标是确保设备在共享的电磁环境中既能抵抗干扰，又能避免干扰他人。
1.1 EMC的两个核心方面
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电磁干扰（EMI, Electromagnetic Interference）
设备运行时产生的电磁噪声对其他设备的影响，分为：- 传导干扰：通过电源线、信号线等导体传播。
- 辐射干扰：以电磁波形式通过空间传播。
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电磁敏感性/抗扰性（EMS, Electromagnetic Susceptibility）
设备在电磁干扰下保持正常工作的能力，如抗静电、抗浪涌等。
1.2. EMC三要素
- 干扰源（Source）：产生电磁噪声的设备（如开关电源、电机）。
- 传播路径（Path）：干扰传播的途径（传导或辐射）。
- 敏感设备（Victim）：易受干扰的设备（如传感器、通信模块）。
1.3. EMC标准与法规
- 国际标准：CISPR（国际无线电干扰特别委员会）、FCC（美国联邦通信委员会）、CE（欧洲标准）。
- 国内标准：GB（中国国家标准）、3C认证（强制性产品认证）。
- 行业标准：汽车电子（ISO 11452）、医疗设备（IEC 60601）等。
EMC标准选择优先级
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客户要求：如果客户（如特定行业用户或认证机构）有明确的EMC要求，应优先满足客户标准。
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企业标准：企业内部制定的EMC标准通常比国家标准和行业标准更严格，适用于企业内部产品的设计和测试。
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产品标准：针对特定产品或产品类别的标准，如医疗器械、信息技术设备等。
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产品行业标准：按照行业分类的标准，如工业设备、医疗设备、信息技术设备等。
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通用标准：适用于所有设备的通用EMC标准，通常根据设备使用环境（如工业环境、居住/商业环境）进行分类。
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基础标准：包括EMC测试方法和通用要求，如抗扰度和发射测试的基础标准。
具体优先级顺序
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客户要求 > 企业标准 > 产品标准 > 产品行业标准 > 通用标准 > 基础标准。
1.4. EMC设计原则
- 屏蔽：用金属外壳或导电材料隔离干扰（如屏蔽罩、屏蔽电缆）。
- 滤波：在电源或信号线中增加滤波器，抑制高频噪声。
- 接地：设计低阻抗接地路径，避免地环路干扰。
- PCB布局优化：
- 关键信号线（如时钟线）缩短并远离敏感区域。
- 电源与地平面分层设计，减小环路面积。
- 软件抗干扰：通过冗余校验、错误重试等增强鲁棒性。
二、EMC检测
- 主要测试项目：
- 发射测试（EMI）：测量设备产生的干扰是否符合限值。
- 传导发射（CE）、辐射发射（RE）。
- 抗扰度测试（EMS）：验证设备在干扰下的稳定性。
- 静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）、浪涌（Surge）、辐射抗扰度（RS）等。
- 发射测试（EMI）：测量设备产生的干扰是否符合限值。
- 测试环境：电波暗室、屏蔽室、接地参考平面等。
检测项目表格
| 检测项目 | 适用端口 | 检测指标 | 通过标准 | 参考标准 | |
|---|---|---|---|---|---|
| EMI | 传导骚扰测试（CE） | 电源端口、信号线端口 | 传导干扰电压（150kHz-30MHz），限值如Class B≤40dBμV | 实测值低于标准限值线 | CISPR 22、EN 55014-1、GB/T 18655 |
| 辐射骚扰测试（RE） | 设备整体外壳端口 | 辐射场强（30MHz-1GHz），限值如Class B≤40dBμV@30-230MHz | 实测值低于标准限值线 | CISPR 25、EN 55032、GB/T 18655 | |
| 谐波电流测试（Harmonic） | 电源输入端口 | 电流谐波成分（如3次、5次谐波），限值按设备功率分类 | 谐波电流总畸变率（THD）符合IEC 61000-3-2要求 | IEC 61000-3-2、EN 61000-3-2 | |
| 电压波动与闪烁（Flicker） | 电源输入端口 | 短时电压波动幅度（ΔVmax≤4%）及闪烁指数（Pst≤1） | 波动幅度及闪烁指数低于限值 | IEC 61000-3-3、EN 61000-3-3 | |
| EMS | 静电放电抗扰度（ESD） | 外壳端口、通信端口 | 接触放电±8kV，空气放电±15kV（Class 4级） | 设备功能正常（Class A）或可自恢复（Class B） | IEC 61000-4-2、GB/T 17626.2 |
| 电快速瞬变脉冲群（EFT） | 电源端口、信号线端口（线长≥3m） | 脉冲电压±2kV（电源线）、±1kV（信号线），重复频率5kHz | 设备无功能降级（Class A/B） | IEC 61000-4-4、GB/T 17626.4 | |
| 浪涌抗扰度（Surge） | 电源端口、通信端口 | 浪涌电压±2kV（线-线）、±4kV（线-地）（Class 4级） | 设备无损坏且功能恢复（Class B/C） | IEC 61000-4-5、GB/T 17626.5 | |
| 辐射抗扰度（RS） | 设备整体外壳端口、通信端口 | 射频场强10V/m（80MHz-6GHz） | 设备功能正常（Class A）或可自恢复（Class B） | IEC 61000-4-3、GB/T 17626.3 | |
| 传导抗扰度（CS） | 电源端口、信号线端口（线长≥3m） | 射频干扰电压（150kHz-80MHz），限值3V（Class 3级） | 设备无功能降级（Class A/B） | IEC 61000-4-6、GB/T 17626.6 | |
| 电压跌落与中断（DIP） | 电源输入端口 | 电压跌落至0%（短时中断）、40%（持续10ms） | 设备重启后功能正常（Class B/C） | IEC 61000-4-11、GB/T 17626.11 |
适用端口分类
- 电源端口：包括交流/直流输入端口（如AC 220V、DC 12V）。
- 信号端口：如RS-485、以太网、USB等通信接口。
- 外壳端口：设备金属外壳或非导电外壳的接缝、按钮等暴露区域。
通过标准等级
EMI：分Class A（工业级）和Class B（民用级），限值严格度B > A。
以辐射3m场测试为例：
Class A在30-230MHz要求不能超过50dBuV, 在230-1000MHz要求不能超过57dBuV
Class B在30-230MHz要求不能超过40dBuV, 在230-1000MHz要求不能超过47dBuV
EMS：分Class A（完全正常）至Class D（设备损坏），严格度A > B > C > D。
Class A: 测试完成后或测试中被测设备一直处于正常工作；
Class B: 测试完成或测试中允许被测设备出现重启，不需要人为干预的情况下，可以恢复正常工作；
Class C: 测试完成或测试中允许被测设备死机(或其他无法正常工作的现象)，但是需要人为调整后可以重启并正常工作；
Class D: 设备已损坏，无论怎样调整也无法启动。
测试环境要求
- EMI测试：传导骚扰需屏蔽室，辐射骚扰需电波暗室。
- EMS测试：静电放电需接地参考平面，浪涌需隔离测试台
三、EMC防护设计
3.1常见概念
3.1.1 差模干扰和共模干扰
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差模干扰：指在两条导线之间传输的干扰信号，其电流方向相反、幅度相等。
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共模干扰：指在两条导线中同时出现的干扰信号，其电流方向相同、幅度相等，且以地为参考
| 特性 | 差模干扰 | 共模干扰 |
|---|---|---|
| 电流方向 | 相反 | 相同 |
| 传输路径 | 通过两条导线之间的回路 | 通过导线与地之间的回路 |
| 频率范围 | 主要为低中频段 | 可能覆盖更宽频段 |
| 抗干扰能力 | 较强，适合高速信号传输 | 较弱，易受外部干扰 |
 |  |
3.1.2 分贝单位
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dBm（分贝毫瓦）：以毫瓦（mW）为参考，表示功率的对数比值。
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分贝（dB）和分贝毫瓦（dBm）之间的换算关系是： dB=dBm+30
| 单位 | 定义 | 换算公式 |
|---|---|---|
| dBm | 功率单位（参考1mW） | dBm=10log10(P/1mW) |
| dBμV | 电压单位（参考1μV） | dBμV=20log10(V/1μV) |
| dBμA | 电流单位（参考1μA） | dBμA=20log10(I/1μA) |
| dBpT | 磁通密度单位（参考1pT） | dBpT=20log10(B/1pT) |
3.1.3 防雷和ESD防护器件
防雷器件（浪涌防护）
陶瓷气体放电管（GDT）
- 原理：利用气体电离导通特性，在高压下形成电弧放电通道泄放雷电流。
- 特点：
- 通流量大（可达100kA），适合一级防护。
- 极间电容小（<3pF），适用于高频信号线路。
- 击穿电压分散性较大（±20%）。
- 应用：通信基站电源、电力系统防雷。
压敏电阻（MOV）
- 原理：基于氧化锌材料的非线性电阻特性，钳位过电压。
- 特点：
- 响应时间快（ns级），通流容量中等（1-20kA）。
- 结电容较大（nF级），不适用于高频信号。
- 易老化，多次冲击后性能下降。
- 失效模式为短路
- 应用：电源输入端口、AC/DC转换器防护。
ESD保护器件（静电防护）
TVS二极管（瞬态抑制二极管）
- 原理：利用PN结雪崩击穿特性，快速钳位电压。
- 特点：
- 响应时间极快（ps级），钳位电压低。
- 结电容小（0.5-50pF），适合高速接口（USB 3.0、HDMI）。
- 支持双向/单向配置，工作电压范围广（6.8V-550V）。
- 应用：手机接口、汽车电子ECU
SPD（浪涌保护器）
SPD通常由多种元件组合而成，如MOV（压敏电阻）、TVS（瞬态抑制二极管）和GDT等。其核心功能是通过限压或分流的方式，将过高的电压限制在安全范围内
| 防护器件 | 特性 | 应用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| MOV（压敏电阻） | 非线性电阻特性，电压超过阈值时阻值急剧下降，限制过电压。 | 电源端口、低频信号线、防雷保护。 | 响应速度快（纳秒级），通流量大，成本低。 | 容易老化，多次使用后漏电流增加，失效模式为短路。 |
| TVS（瞬态电压抑制二极管） | 基于半导体工艺，响应速度快（亚纳秒级），可将电压钳位到安全水平。 | 低电压接口、IC保护、ESD防护。 | 响应速度极快，钳位电压低，电压精度高。 | 耐浪涌电流能力较弱，适合低能量场景。 |
| GDT（气体放电管） | 内部惰性气体击穿导电，将过电压泄放到地。 | 电源端口、通信接口（如RS485、网口）、防雷保护。 | 通流量大，耐高能量冲击，残压低。 | 响应速度较慢（微秒级），存在放电延迟。 |
| SPD（浪涌保护器） | 内部包含非线性元件（如MOV、TVS、GDT），用于限制过电压。 | 电源线路、信号线路、设备外壳等。 | 保护能力强，可承受高能量浪涌，适用于多种应用场景。 | 需根据应用场景选择合适的内部元件，成本较高。 |
3.2 防护方法
1. 控制干扰源强度
- 抑制电磁发射：通过优化电路设计降低设备自身产生的电磁噪声，例如采用低噪声电源拓扑、控制高速信号上升时间、使用软开关技术减少开关电源的瞬态干扰。
- 限制辐射范围：对高频电路（如时钟电路、射频模块）采取屏蔽措施，如金属屏蔽罩或导电涂层，并通过多层PCB设计（信号层与电源/地层交替布局）减小环路面积。
- 降低传导干扰：在电源端口增加滤波器（如共模电感、X/Y电容组合），信号接口使用低通滤波电路抑制高频噪声。
2. 阻断干扰传播路径
- 传导路径管理：
- 采用星型接地或单点接地，避免地环路耦合；
- 电源线与信号线分离布线，敏感线路两侧布设“Guard Ground”地线。
- 辐射路径阻断：
- 使用屏蔽电缆（如双绞线或同轴线）替代非屏蔽线缆；
- 优化PCB布局，高速信号远离板边并缩短走线长度。
- 耦合路径抑制：
- 相邻布线层避免平行走线，必要时增大层间距；
- 对敏感电路（如模拟采样）进行包地处理，阻断空间耦合。
3. 提升设备抗干扰能力
- 硬件防护设计：
- 关键接口（如RS485、以太网）增加TVS管、气体放电管（GDT）等多级浪涌防护；
- 采用差分信号传输（如LVDS、USB3.0）增强共模干扰抑制。
- 软件容错机制：
- 通过CRC校验、数据冗余重传增强通信可靠性；
- 设计看门狗电路和异常状态恢复逻辑。
- 结构防护优化：
- 机箱采用导电材料（如铝合金）并确保接缝连续导电，屏蔽效能需达40dB以上；
- 通风孔设计为蜂窝状波导结构，兼顾散热与电磁泄漏控制。
4. 系统级协同设计
- 分层防护策略：
- 一级防护：在外部接口（如电源输入、通信端口）部署大通流器件（如压敏电阻）泄放能量；
- 二级防护：在板级电路使用TVS管、滤波电容实现精细保护。
- 成本与性能平衡：
- 消费类产品优先选择低成本方案（如单层屏蔽+基础滤波）；
- 高可靠性领域（航空航天、医疗）采用冗余设计（如双路隔离电源+全屏蔽机箱）。
参考资料
电磁兼容(EMC)设计与整改 - 电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛! (elecfans.com)
EMC/EMI详解 - bujidao1128 - 博客园 (cnblogs.com)
带你了解EMC,常用EMC测试项目介绍，判定标准及EMC设计需要注意事项 (qq.com)
电磁兼容试验EMC常规测试项目及目的(学习笔记） (qq.com)
深入理解差模与共模：EMC(电磁兼容)中的关键概念_emc差模 共模-CSDN博客