單片機EMC的檢測工作,一文教你搞定!

來源：凡億PCB

講述EMC的定義，EMC在單片機應用系統的測試方法，EMC新器件新材料的應用以及故障排除技術。只要從事電子產品的研發、生產或者供應，就必須進行EMC電磁兼容的檢測工作。

所謂EMC就是：設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測試包括兩大方面內容：對其向外界發送的電磁騷擾強度進行測試，以便確認是否符合有關標準規定的限制值要求；對其在規定電磁騷擾強度的電磁環境條件下進行敏感度測試，以便確認是否符合有關標準規定的抗擾度要求。

對於從事單片機應用系統設計的工程技術人員來說，掌握一定的EMC測試技術是十分必要的。EMC是電磁兼容（Electro-MagneTIc CompaTIbility）的縮寫，它包括電磁幹擾（EMI）和電磁敏感性（EMS）兩部分。由於電器產品在使用時對其它電器有電磁幹擾，或受到其它電器的電磁幹擾，它不僅關係到產品工作的可靠性和安全性，還可能影響其它電器的正常工作，甚至導致安全危險。

（1）測試環境

為了保證測試結果的準確和可靠性，電磁兼容性測量對測試環境有較高的要求，測量場地有室外開闊場地、屏蔽室或電波暗室等。

（2）測試設備

電磁兼容測量設備分為兩類：一類是電磁幹擾測量設備，設備接上適當的傳感器，就可以進行電磁幹擾的測量；另一類是在電磁敏感度測量，設備模擬不同幹擾源，通過適當的耦合/去耦網絡、傳感器或天線，施加於各類被測設備，用作敏感度或幹擾度測量。

（3）測量方法

電磁兼容性測試依據標準的不同，有許多種測量方法，但歸納起來可分為4類；傳導發射測試、輻射發射測試、傳導敏感度（抗擾度）測試和輻射敏感度（抗擾度）測試。

（4）測試診斷步驟

圖1給出了一個設備或系統的電磁幹擾發射與故障分析步驟。按照這個步驟進行，可以提高測試診斷的效率。

（5）測試準備

①試驗場地條件：EMC測試實驗室為電波半暗室和屏蔽室。前者用於輻射發射和輻射敏感測試，後者用於傳導發射和傳導敏感度測試。

②環境電平要求：傳導和輻射的電磁環境電平最好遠低於標準規定的極限值，一般使環境電平至少低於極限值6dB。

③試驗桌。

④測量設備和被測設備的隔離。

⑤敏感性判別準則：一般由被測方提供，並實話監視和判別，以測量和觀察的方式確定性能降低的程度。

⑥被測設備的放置：為保證實驗的重複性，對被測設備的放置方式通常有具體的規定。

（6）測試種類

傳導發射測試、輻射發送測試、傳導抗擾度測試、輻射抗擾度測試。

（7）常用測量儀

電磁幹擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）測試，需要用到許多電子儀器，如頻譜分析儀、電磁場幹擾測量儀、信號源、功能放大器、示波器等。由於EMC測試頻率很寬（20Hz～40GHz）、幅度很大（μV級至kW級）、模式很多（FM、AM等）、姿態很多（平放、斜放等），因此正確地使用電子儀器非常重要。測量電磁幹擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁幹擾中的缺點，能夠精確測量各個頻率上的幹擾強度，用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。

在解決電磁幹擾問題時，最重要的一個問題是判斷幹擾的來源。只有準確將幹擾源定位後，才能夠提出解決幹擾的措施。根據信號的頻率來確定幹擾源泉是最簡單的方法，因為在信號的所有特徵中，頻率特徵是最穩定的，並且電路設計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此，只要知道了幹擾信號的頻率，就能夠推測出幹擾是哪個部位產生的。對於電磁幹擾信號，由於其幅度往往遠小於正常工作信號，用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由於頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠將與幹擾信號頻率不同的信號濾除掉，精確地測量出幹擾信號頻率，從而判斷產生幹擾信號的電路。

（1）傳導型問題的解決

①通過串聯一個高阻抗來減少EMI電流。

②通過並聯一個低阻抗將EMI電流短路到地或引到其它迴路導體。

③通過電流隔離裝置切斷EMI電流。

④通過其自身作用來抑制EMI電流。

（2）電磁兼容的容性解決方案

一種常見的現象是不把濾波電容的一側看成直接與一個分離的阻抗相連，而看成與傳輸線相連。典型的情況是，當一條輸入輸出線的長度達到或超過1/4波長時，該傳輸線變「長」。實際可以用下式近似表示這種變化：

l≥55/f

式中：l單元為m，f單位為MHz。這個公式考慮了平均傳播速度，它是自由空間理論的0.75倍。

a. 電介質材料及容差

電磁幹擾濾波使用的大部分電容是無極性電容。

b. 差模（線到線）濾波電容性電容。

c. 共模（線到地/機殼）濾波電容

共模（CM）去耦通常使用小電容（10～100nF）。小電容可以將不期望的高頻電流在其進入敏感電路之前或在其離噪聲電路較遠時就將其短路到機殼上去。為了得到良好的高頻衰減電路，減小或消除寄生電感是關鍵之所在。因此有必要使用超短導線，尤其希望使用無引線元器件。

（3）感性、串聯損耗電磁兼容解決方案

就電容而言，Zs和Z1如果不是純電阻的話，在計算頻率時，要使用它們的實際值。電容器串聯在電源或信號電路時，必須滿足：

①流過的工作電流不應該引起電感過熱或過大的有過之而無不及降；

②流過的電流不能引起電感磁飽和，尤其是對高導磁材料是毫無疑問的。

解決方案有以下幾種：

*磁芯材料；

*鐵氧體和加載鐵氧體的電纜；

*電感、差模和共模；

*接地扼流圈；

*組合式電感電容元件。

（4）輻射型問題的解決

在很多情況下，輻射電磁幹擾問題可能在傳導階段產生並被排除，還有些解決方案是可以抑制幹擾裝置在輻射傳輸通道上，就像場屏蔽那樣工作。根據屏蔽理論，這種屏蔽的效果主要取決於電磁幹擾源的頻率、與屏蔽裝置之間的距離以及電磁幹擾場的特性——電場、磁場或者平面波。

①導體帶。

使用銅或鋁帶要吧簡單快速地建立一種直接的屏蔽和低阻連連接或總線。它們對於臨時的解決方案和相對永久的解決方案來說是很方便的。厚度在0.035～0.1mm之間，並且背面帶有導電黏合劑以便安裝。如果使用銅導電帶，其通過電阻約20mΩ/cm2。應用場合：電氣屏蔽罩；發生故障時洩露點定位；作為一個應急的解決方案，將塑料連接器變成金屬的、屏蔽普通的扁平電纜等。

②網狀屏蔽帶和拉鏈式外套。

塗錫的鋼網帶：主要用來安裝在一個已經裝配好的電費護套上作為一種易安裝的繃帶型的屏蔽罩。為了降低電費的磁場輻射或敏感問題，鋼網帶是一種有效的解決方案。

拉鏈式屏蔽外套：當有明顯跡象表明電費是主要的引起EMI耦合的原因時使用。

③EMI密封墊。

應用場合：當下述條件存在，並且需要真正的SE時，EMI密封墊是最常用的解決輻射問題、敏感問題、ESD、電磁脈衝和TEMPEST問題的方法。

*已經把機箱洩漏確認為主要的輻射路徑。

*嚙合面不夠光滑、平整或不夠硬、本身無法提供良好的連接接觸。

④窗口和通風板的EMI屏蔽：

適合對孔徑的屏蔽。

平面波的大概模型是：

SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中，SE單位為dB；l為網格或網孔的尺寸，單位為mm；f單位為MHz。當然，隨著頻率的下降，網孔的屏蔽效率SE的上限受限於金屬本身。在近區場，對H場的屏蔽，其屏蔽功率SHE不受頻率的影響，可由下式近似得出：

SEH≈10lg(πr/l)

其中，r為源到屏蔽罩之間的距離，l為網孔尺寸，兩者單位均為mm。

⑤導電塗料：

應用於在系統的塑料外殼建立EMI屏蔽罩、發送現有普通的或惡化的導電錶面的屏蔽效能SE、防止ESD或靜電積累現象、增大結合面或密封墊片的接觸面積。

⑥導電箔：

鋁是一種良導體，在10MHz以下沒有吸收損耗，但它對於電場的任何頻率都有較好的反射損耗。應用場合請參閱有關資料。

⑦導電布：

可應用於任何100kHz到GHz級頻率範圍需要達到30～30dB衰減的立體屏蔽場合中

在實際EMC測試應用中，除了通過標準資格實驗室的鑑定測試以外，還有兩種可行的方法也是被業界所認可的：TCF（Technical ConstrucTIon File）和Self CeriTIfication(自檢證明)。抗幹擾能力測試是十分實用的測試項目。實現電磁兼容的最好辦法是，將所有的數字及模擬電路均視為對高頻信號響應的電路，用高頻設計方法來處理電費屏蔽、PCB布線和共模濾波。採用整塊地平面和電源面也很重要，對模擬電路也該如此，這樣做有利於限制高頻共模環環。大多數瞬態幹擾均屬高頻，並產生很強的輻射能量。

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