技術在線 發表於 2016-03-07 07:36:08
現在，受到EMC（電磁兼容性）問題困擾的技術人員越來越多。這是因為隨著產品向多功能化、高功能化和高速化發展，EMC對策的難度也與日俱增。車載電子產品稱得上是一個典型的代表。對此，日本Qualtec可靠性測試中心所長前野剛指出：「只要掌握了訣竅，就能找到EMC解決方法。」圍繞EMC對策當前的課題和對策的重點，前野所長接受了記者採訪。（採訪人：近岡裕）
——聽說以車載電子產品為代表，對於最近的電子產品，很多電路設計人員都在為EMC對策犯愁。首先請您用外行也能理解的語言，簡單介紹一下EMC對策。
前野：基本來說，EMC就是指電子產品應當具備的電磁抗幹擾性和耐受性。EMC有EMI（電磁幹擾）和EMS（電磁耐受）兩個方面。EMI是指電子產品工作時發出的電磁噪聲（以下簡稱噪聲）影響（幹擾）周圍其他電子產品工作的現象。EMS是指電子產品受到周圍其他電子產品發出的噪聲幹擾的現象。
也就是說，EMC對策既要遏制自身發出的噪聲，又要防止在周圍噪聲的影響下出現誤操作。簡單來說，就是防止電子產品成為噪聲的「加害者」或是「被害者」。
——EMC領域現在正在發生哪些變化？
前野：之所以有很多人會受到EMC對策的困擾，是因為EMC對策的難度增加，出現的問題越來越多。最常出現的是關於高頻噪聲的問題。這是因為高頻噪聲轉化成電波後容易發散，而且，擁有高頻噪聲對策設計經驗的數字電路設計人員太少。其實在很多情況下，印刷電路板的銅箔圖案（以下簡稱圖案）也不適合抑制高頻噪聲。
車載電子產品等許多電子產品的數字電路正逐年向高速化發展。高速化是指時鐘頻率提高，1秒時間裡重複的周期縮短，也就是實現了高頻化。如此一來，高頻噪聲會隨之增加。而且必須使用支持高速化的半導體。但適合高速化的半導體大多對噪聲的耐受性比較差。總而言之，數字電路越向高速化、高頻化發展，就越容易產生噪聲、越容易受到噪聲的幹擾。
過去，我們身邊的高頻電路只有FM廣播、電視機和收發器之類。日本的FM廣播的頻率是76～90MHz。不過，最近的車載電子產品等內嵌的數字電路的時鐘頻率要高於FM廣播的頻率。
也就是說，最近的數字電路開始頻繁使用過去沒有設想到的高頻信號。但這些變化帶來的問題，也是電路設計人員之前很少遇到的。因為不熟悉，所以設計的圖案不合適，從而造成了問題。
而且，最近的產品增加了配備的接收器，而接收器對於噪聲比較敏感，這也加大了EMC對策的難度。汽車過去只配備AM廣播和FM廣播的接收器，而現在增加了電視接收器、ETC接收器、GPS接收器和藍牙接收器等。接收器會對非常微弱的信號作出反應，因此，電子產品必須採取精密的噪聲對策，防止接收器受到幹擾。
現在，面向自動駕駛的車車間通信已經在開發，今後應該會加快進度。到那時，汽車配備的無線通信媒體還會更多，EMC對策今後也會變得越來越複雜。
——不只是車載設備，數字產品、家電產品和工業設備等其他電子產品似乎也存在數字電路需要採取高頻噪聲對策、配備的接收器越來越多的情況。那麼，在車載電子產品特有的EMC對策中，最近有沒有特別引人關注的？
前野：有，就是混合動力車（HEV）和純電動汽車（EV）用電子產品的EMC對策。HEV和EV需要向驅動電機通入大電流，並且通過PWM （脈衝寬度調製）控制來控制電機。PWM信號本身是100A級的大電流，而且是脈衝信號，因此含有大量的諧波。也就是含有大量的高頻成分，很可能產生低頻到高頻的噪聲，成為其他電子產品的幹擾源。
而且，HEV的電子產品使用高電壓。典型的混動系統使用650V電壓。通常的汽車，也就是「12V車」可以採用「-（負極）」端直接與車體接地的「車身接地」。這是因為普通車使用的電壓低，沒有觸電的風險。通過採用這種方式，比較容易降低電源線上的噪聲。
但是對於HEV使用的高電壓，就很難再直接採用車身接地的方法。因為高電壓有可能導致觸電。噪聲對策的難度也相應提高了。而且，伴隨多功能化和高功能化的發展，大量的電子產品密集地配置在一起，這也增加了EMC對策的難度。現在的汽車配備50多個電子產品。內置的MCU動輒超過100個。這些電子產品都密密麻麻地擠在狹小的空間裡。
其實，電路板小型化對於EMC對策是有利的。因為小型化意味著天線變小，不容易接收到噪聲。但電路板縮小後，相同的空間會擠進更多的電子產品。從而導致EMC環境惡化。
——有讀者評價您的講座「功率電子等車載電子產品的EMC兼容設計」富有實踐性。為什麼能做到這樣呢？
前野：可能是因為我在講課的時候，為了方便實際運用，會注意介紹電子產品產生的具體現象，並且回到基礎理論的層面講解現象。也就是儘可能將實際產品與理論結合起來，這應該是我講課的一個特點。
學術性講座大多是以講解基礎理論為主，雖然能夠寬泛地進行學習，但運用到設計現場還存在一定難度。而擁有實務經驗的講師在講課時會結合大量實例，雖然通俗易懂，但不具備普遍性，聽眾很難在實際工作中活學活用。
而且，大多數的學術性講座沒有一定基礎很難聽懂。而擁有實務經驗的講師教授大多是「雜學」，雖然能令聽眾「恍然大悟」、「點頭稱是」，但不深入講解基礎理論。無論是哪一種，都很難直接應用於實際工作。
因此，我的講座綜合了以實務為基礎的講座和學術性講座。希望能夠為聽眾正在挑戰的EMC對策提供一點參考。
——這應該是實務經驗豐富，而且取得了博士學位的前野老師獨有的視角。請您通過具體例子，更詳細地介紹一下。
前野：例如製作印刷電路板圖案的「底片」。在製作過程中有「不能做的事情」和「必須做的事情」。不能做的事情之一是「不能在通用接地層上設置狹縫（去掉細長銅箔的部分）」。這是大多數電路設計人員都知道的「常識」。
比如說，有1塊多層印刷電路板上設置了模擬電路、數字電路和電源電路。假設第2層是接地層，通過在圖案上設置狹縫，使各條電路的接地分離（成3個）。對於這種情況，一般的講座給出的說明是「狹縫會導致流出噪聲增加。因此應當去掉狹縫，減少流出噪聲」。關於狹縫的好壞，多數講座只會講到這裡，然後就進入下一個話題。
但在我看來，正確方式應該是解釋清楚為什麼狹縫不好。的確，按照功能電路分離接地層也有起到良好效果的例子。但帶來負面影響的情況要多得多。如果囫圇吞棗，條件反射式地記住「狹縫不好」，而不理解其中的原理，在設計現場就會被支持狹縫的上司和客戶駁倒。在實際工作中，在不能設置狹縫的地方加入狹縫的情況也時有發生。
為了讓大家理解原理，我講課時首先會解釋狹縫有哪些類型，然後講解哪些狹縫好，哪些不好。然後回到基礎理論的層面說明原因，讓大家「信服」。
根據實踐數據實踐性地講解，最後連同電磁能源的傳輸在內，對現象進行說明，讓大家聽懂。
——您現在雖然是EMC對策的專業人士，但年輕時也可能經歷過失敗。請問您在電裝的時候，在EMC對策上吃過哪些苦頭？
前野：進入電裝的第3年，我作為一名技術人員，職業生涯才剛剛開始。我當時奉命設計車用收發器。因為是第一次主動參與設計，在設計的過程中，我很用心地學習。以前輩設計的取得了良好效果的接收器為基礎，通過對高頻放大部、頻率轉換部和局部振蕩器進行調整，沿用中頻放大器及其後續部件，總算是完成了接收器的設計。
我興高採烈地製作出試製品，馬上安裝到汽車上進行測試。但沒想到，試製品在單獨工作時接收信號的靈敏度很高，但發動機啟動後，接收靈敏度驟降。
原因說起來有點專業，是因為我為了防止大帶寬的接收信號失真，在設計中頻放大級時，採用了錯誤的參差調諧電路。因此，在經過調製後，汽車的點火噪聲超過了途中的放大器接收到的信號。因為太想在接收靈敏度方面超過競爭對手廠商的產品，所以我忘了要充分考慮發動機的點火噪聲的影響，真是很難為情。
有了這次失敗，我第一次意識到了EMC的重要性。切身了解到了噪聲有多可怕、在汽車中配備電子產品有多可怕。
——請介紹一下學習EMC對策時的重點。
前野：需要具備電磁學的思維模式。很多人以為EMC的問題可以通過高頻電路技術解決，我過去也是這樣想。但實際上，從電磁學角度把握能深化理解，是通往解決的一條近路。
比如說，很多人認為電流只在電路的布線（圖案）中流動。但在實際的電子產品中，電路之間存在「空間耦合」。這用電磁爐的機制來解釋應該比較容易理解。在電磁感應的作用下，線圈彼此分離，但能夠通過空間傳導高頻功率。
印刷電路板中也是如此。仔細觀察圖案，就像是極薄的一匝線圈。這樣的一匝線圈在印刷電路板內大量存在，其間就會產生空間耦合。具體包括電磁感應耦合和電容耦合。也就是說，電介質中有大量的噪聲流通。理解這個現象需要一定的電磁學知識。
——哪些人員需要學習EMC對策相關知識？
前野：電子產品的電路設計人員、EMC設計審查（DR）委員，以及質檢部門的工作人員。
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