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

• 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。

• 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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

• 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。
• 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

• 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。

• 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

• dBm（分贝毫瓦）：以毫瓦（mW）为参考，表示功率的对数比值。

• 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)

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