EMC电磁兼容设计与测试案例分析（第3版）

本书以分析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、PCB layout还有器件、软件与频率抖动技术各个方面。

郑军奇，上海三基电子工业有限公司副总经理，全国电磁兼容标准化技术委员会通信委员全国无线电干扰委员会B分会委员。曾担任华为公司上海研究所EMC经理，负责华为公司上海研究所产品的EMC测试、设计、设计.审查及EMC设计咨询工作；施耐德电气中国投资有限公司EMC专家。

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

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本书的最大特点。
本书分为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。本书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。 本书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本书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,及对本书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，本书中部分图、表未进行翻译，保持英文原版。
郑军奇
于2018年