EMC系列讲座之一-结构与线材设计

结构设计与EMC的关系在现代电子产品设计中，结构设计与EMC的关系非常密切。

下面将从三个方面介绍这两者的关系。

首先，结构设计对EMC的影响主要体现在电磁射频（RF）信号的传输和辐射控制方面。

结构设计的合理与否会直接影响到产品内部布线的规划和设计，进而影响到电磁信号在产品内部的传输效果。

例如，在PCB布线设计过程中，通常需要考虑短接、互引和电磁场辐射等问题，这些都是结构设计的一部分。

一个合理的结构设计可以减小电磁信号传输过程中的损耗和噪声，从而提高产品的EMC性能。

其次，结构设计还对产品的屏蔽和隔离能力产生影响。

在电子设备中，通常会利用金属屏蔽和隔离结构来阻止电磁信号的干扰和辐射。

结构设计需要考虑如何合理地布置这些屏蔽和隔离结构，以达到最佳的EMC效果。

例如，在手机设计中，需要考虑如何设计合适的金属机壳来屏蔽和隔离手机内部的电磁信号，避免对周围环境和其他设备造成干扰。

这要求结构设计人员在平衡机械结构强度和EMC性能的过程中做出正确的抉择。

最后，结构设计还与EMC测试和认证有关。

为了证明产品的EMC性能符合相关标准和要求，通常需要进行EMC测试和认证。

而结构设计的合理与否会直接影响到产品的EMC测试结果。

例如，在EMC测试中，常常会使用一定的测试设备对产品进行辐射和传导测试，而这些测试设备的放置位置和周围环境的影响也都与结构设计密切相关。

因此，在结构设计过程中，需要考虑如何合理布置测试设备和环境，以保证测试结果的准确性和可靠性。

综上所述，结构设计与EMC的关系十分密切，合理的结构设计可以提高产品的EMC性能，减少电磁干扰和辐射；同时，EMC的要求也会直接影响到结构设计的决策和布局。

因此，在现代电子产品设计中，结构设计人员需要充分了解EMC的要求和相关知识，以确保产品的EMC性能符合要求，并通过合适的结构设计来实现这一目标。

EMI / EMC设计讲座（二上）PCB上电的来源在PCB中，会产生EMI的原因很多，例如：射频电流、共模准位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。

为了掌握EMI，我们需要逐步理解这些原因和它们的影响。

虽然，我们可以直接从电磁理论中，学到造成E MI现象的数学根据，但是，这是一条很辛苦、很漫长的道路。

对一般工程师而言，简单而清楚的描述更是重要。

本文将探讨，在PCB上「电的来源」、Maxwell方程式的应用、磁通量最小化的概念。

电的来源与磁的来源相反，电的来源是以时变的电双极（electric dipole）来建立模型。

这表示有两个分开的、极性相反的、时变的点电荷（point charges）互为相邻。

双极的两端包含着电荷的变化。

此电荷的变化，是因为电流在双极的全部长度内，不断地流动而造成的。

利用振荡器输出讯号去驱动一个没有终端的（unte rminated）天线，此种电路是可以用来代表电的来源。

但是，此电路无法套用低频的电路原理来做解释。

不考虑此电路中的讯号之有限传播速度（这是依据非磁性材料的介电常数而定），反正射频电流会在此电路产生。

这是因为传播速度是有限的，不是无限的。

此假设是：导线在所有点上，都包含相同的电压，并且此电路在任何一点上，瞬间都是均衡的。

这种电的来源所产生的电磁场，是四个变数的函数：1. 回路中的电流振幅：电磁场和在双极中流动的电流量成正比。

2. 双极的极性和测量装置的关系：与磁来源一样，双极的极性必须和测量装置的天线之极性相同。

3. 双极的大小：电磁场和电流元件的长度成正比，不过，其走线长度必须只有波长的部分大。

双极越大，在天线端所测量到的频率就越低。

对特定的大小而言，此天线会在特定的频率下共振。

4. 距离：电场和磁场彼此相关。

两者的强度和距离成正比。

在远场（far field），其行为和回路源（磁的来源）类似，会出现一个电磁平面波。

当靠近「点源（point source）」时，电场和磁场与距离的相依性增加。

目录—EMC理论基础—EMC测试实质—PCB的接地设计—PCB内部EMC设计—EMC去耦分析EMC理论基础—EMC意义上的差模与共模信号EMC 理论基础—寄生电容的估算—电路板后金属外壳与参考金属大平面之间的寄生电容：—一个表面积为S ，对角线长度为D 的矩形浮地产品，其对参考接地平面的寄生电容：DC H S C C C C rinsic plate rinsic plate total ⋅=⋅=+≈0int 0int 4/πεεDC H S C rinsic plate 35/9int =≈寄生电容C 单位为pF ；金属板表面积S 单位为m 2；金属板与参考平面的距离H 单位为m ；等效对角线D 单位为mS=10cm*20cm=0.02m 2;D=0.22m; H=0.8m;C p =0.225pF;C i =7.7pFEMC 理论基础—寄生电容的估算—印制线与参考接地平面之间的寄生电容：HS C p /1.0×=Cp àpF, S àcm 2, H àcm²假设一块厚度为50mil ，过孔的内径为10mil ，焊盘直径为20mil ，焊盘与地铺铜区的距离为32mil ，则C=0.517pF ，L=1.015nH²对于上升时间Tr=1ns 的信号，其阻抗Ω==19.3/rLT L X πEMC理论基础—寄生电容的估算—距参考平面10cm的电缆，其对参考接地平面的寄生电容：C=50pF/m;—对于直径2mm以下的导线，其寄生电容和电感分别为：1pF/inch和1nH/mm;—继电器线圈与触点之间的寄生电容为10pF；—光耦器两端之间的寄生电容约为1~2pF；—小变压器初次级之间的寄生电容约为10pF或几十pF；EMC 理论基础—铜导线的阻抗估算—低频时Z=22L/d 2—高频时Z=1.25 [ln(L/d)+0.64].L .f —选用L/d 小于3的导线作连接，一般认为是低阻抗连接低频阻抗Z àmohm导线长度L àm导线直径d àmm 高频阻抗Z àohm导线长度L àm 导线直径d àm 频率f àMHzEMC测试实质—RE测试—CE测试—ESD测试—EFT/B测试EMC测试实质—RE测试：—RE测试实质：测试EUT（受试设备）中两种等效天线产生的辐射信号EMC测试实质—差模辐射：正常工作电流环路形成的辐射—共模辐射—电流驱动模式：差模电流信号传送回流产生的压降驱动产生的共模电流—电压驱动模式：工作差模电压通过寄生电容直接驱动产生的共模电流—磁耦合驱动模式：工作差模信号回路产生的磁场与电缆及金属外壳或印制板地组成的寄生回路产生此耦合时产生的共模电流EMC测试实质—CE测试—电源端口CE测试实质：流过50 ohm电阻的电流大小EMC测试实质—ESD测试—静电放电发生器的基本原理图—静电电流的波形EMC测试实质—ESD测试—ESD实质：瞬态共模电流和瞬态强磁场H=I/(2πD)U=µ0SdH/dtµ0=4π*10-78KV,S=2cm2，D=0.5m则：H=10A/mU=2.5VEMC测试实质—EFT/B测试—EFT/B发生器的基本原理图—单个脉冲波形EMC测试实质—EFT/B测试—EFT测试实质：共模电流注入，共模电压通过共模电流转化为差模电压PCB的接地设计—接地与浮地—单点接地和多点接地—接地点的选择—浮地产品的EMC设计—PCB之间的互连PCB的接地设计—接地与浮地—接地—“地”：逻辑电压参考点、机壳地、真正的大地。

先进EMC的PCB设计与布局随着电子产品的普及，电磁兼容性（EMC）问题也越来越受到关注。

在电路设计中，电路板(PCB)的布局和设计对于EMC有着重要的影响。

先进的EMC的PCB设计和布局思想是通过电路板的优化设计，实现电路的可靠性和稳定性，提高电路的抗干扰能力，同时确保更好的信号完整性和性能稳定性。

一、先进EMC的PCB布局设计思想PCB布局主要涉及到电路板上各元器件、电源信号、地线、信号线、射频线等的布置和电路板的层次设计。

在进行PCB布局设计时，需要充分考虑尽可能均匀地散布各元件，合理安排元件间的距离，保证信号传输的稳定性和抗干扰能力，减小因元件间距离过小而产生的电磁干扰。

对于多层PCB板，在布线时需要注意电源和地线的位置，通过将电源线和地线放置在同一层上并保持足够的距离来实现电磁兼容性。

对于射频线、时钟线等高速信号，需要将其与低速信号、功率信号和引导信号分离放置，以免产生互相干扰。

同时，为了避免信号线的双向串扰和地线回路的带入，应尽量在PCB板上使用分层结构，不同信号线应尽量在不同层中进行布局。

在布局过程中，还需注意元器件的排列方向及其相互间的距离。

在电路中，对于信号的传输速度来说，电路板的尺寸、布线长度、元器件的位置和方向等因素都会影响信号的传输质量和稳定性。

二、先进EMC的PCB板设计技术1.电源线过滤器电源线上的高频噪声和干扰容易影响到电路的稳定性，所以在进行PCB布局设计时，可以通过添加电源线过滤器来达到抑制电源线高频干扰的目的。

电源线过滤器可以使用磁环、电容等元器件进行滤波，这样可以降低电源线上噪声和干扰的干扰效应，提高整个电路的稳定性和可靠性。

2.地面平面设计地面平面也是一个重要的设计因素，合理布局可以有效降低电磁干扰。

可以在PCB板上布置一个大面积接地，从而形成一个良好的地面平面结构，这可以有效消除施加在电路上的电磁干扰。

3.综合线宽设计综合线宽设计主要指的是电线宽度和间距综合的设计，通过电线宽度和间距的变化，可以有效提高电路的抗干扰能力。

Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2018, 7(4), 118-125Published Online December 2018 in Hans. /journal/ojcshttps:///10.12677/ojcs.2018.74015The Structural and Cable EMC DesignResearch of the Power Supply SystemsShasha Shen1*, Lei Qiao21Department of Physics and Electronic Engineering, Shanxi Yuncheng University, Yuncheng Shanxi2Vertiv Technology (Xi’an) Co. Ltd., Xi’an ShaanxiReceived: Nov. 19th, 2018; accepted: Dec. 4th, 2018; published: Dec. 11th, 2018AbstractIn the power product design, EMC design in the early functional design is the most cost-effective to meet the EMC test. This paper discusses some EMC methods and precautions of communication power system design from the structural design and the cable aspects, including structural shielding, conductive continuity, the layout and assembly of devices, especially the EMC design of the mutual interference between cables and cable routing path. It has certain guiding significance to the power supply system.KeywordsStructural Shielding, Conductive Continuity, Cable Routing Path电源系统中结构和线缆的EMC设计申莎莎1*，乔磊21山西省运城学院，物理与电子工程系，山西运城2维谛技术(西安)有限公司，陕西西安收稿日期：2018年11月19日；录用日期：2018年12月4日；发布日期：2018年12月11日摘要在电源产品设计中为了使样机通过EMC测试，在前期功能设计时进行EMC设计是最省时间和最有经济效益的。

EMC基本原理及PCB设计抗干扰是指电子设备在电磁环境中能够抵抗外部电磁场干扰的能力。

干扰源可以是来自其他电子设备、电源、信号线以及无线电等。

为了抵抗这些外部干扰，PCB设计中需要采取适当的措施，例如加强电磁屏蔽，提高电路抗干扰能力等。

抗辐射是指电子设备在正常工作时不会产生过多的电磁辐射。

电磁辐射会对其他电子设备或者人体造成干扰甚至危害。

因此，在PCB设计时需要采取相应的措施来减少电磁辐射。

这包括控制信号线的长度、布局合理，优化电路的接地设计等。

在PCB设计中，为了满足EMC要求，主要有以下几个方面需要注意：首先，合理的布局和层叠是减少电磁干扰和辐射的关键。

布局时应尽量避免信号线与电源、地线、边缘及其他高速信号线等敏感区域交叉。

层叠设计时，应将地层和电源层分离，并合理布局敏感信号线与信号地线之间的间距。

同时，还需要控制信号线的长度和走线方式，以减少电磁辐射。

其次，良好的接地设计是EMC设计的重点。

通过确保接地线的低阻抗、减少负载电流回流路径的环路面积，可以降低信号的回流路径上的电压降和电磁辐射。

另外，使用适当的滤波器和抑制器也是EMC设计中的常见手段。

滤波器可以用于减少电源线上的电磁干扰，而抑制器则可以用于降低信号线上的电磁辐射。

此外，还需要注意信号线的走向和长度。

信号线的走向应尽量平行，并且避免形成环路。

同时，信号线的长度也需要控制在合理范围内，以避免信号的反射和辐射。

最后，EMC测试也是保证设计符合要求的重要手段。

通过进行EMC测试，可以评估设计的抗干扰和抗辐射能力，并及时调整设计方案。

综上所述，EMC是电子设备设计中不可忽视的重要环节。

通过合理的PCB设计，包括布局、层叠、接地、滤波和抑制等措施，可以确保电子设备在电磁环境中能够正常工作并且不对周围的电磁环境产生干扰。

EMC培训要点此次EMC培训内容归纳起来主要讲了两大方面：一、关于结构方面的EMC设计，包括接地点的位置选择、外部连接电缆的位置、外部连接器的放置位置等；二、关于PCB的EMC设计。

主要的学习要点归纳如下：第一天学习要点：1.外围干扰体现在干扰电压叠加在电路工作电压上，使器件工作电压高于正常工作电压范围，例如逻辑电路由0变1，使电路工作不正常2.导线尺寸大于辐射的波长时才会构成天线，产生干扰3.EMC测试以共模干扰测试为主，共模测试为对地的干扰测试，共模信号实际上都是对参考地的信号；共模测试需考虑的地方主要有金属机箱与参考地；除了电路正常工作的信号其它信号都是共模干扰信号4.抑制干扰的原则：改变电流流回大地的路径，使其远离PCB或者说远离关键器件5.外部电缆是干扰产生的原因及源头，构成天线输出干扰的一般都是线缆，接地点应靠近信号电缆，好的接地点应绕过PCB构成环路6.EMC测试时规定的测试高度其实是规定产品对地的寄生电容，保持测试的一致性7.外部I/O所放的位置应该放置在一个电路板的同一侧，这样可以使共模电流不流过整个电路板及其工作地，分散的在电路板中放置连接器意味着增加EMC风险8.传导骚扰测试中应注意接地环路的连接方式，即将EUT(被测体)的接地线借至LISN(测试仪器的接地端，同时接地线与电源线以较近的距离(小于5mm)平行布线9.PCB布板时应注意晶振下面不要走信号线，特别是与对外接口直接相连的信号，若底层一定要走信号线，需在中间加地层隔离10.PCB上没被利用的金属面都应该接地11.开关电源中Y电容的作用也是改变环路，从而减小电源线的干扰电流12.开关电源PCB设计时开关管与吸收电容的地要良好连接，保证等电势，否则会产生另外的辐射干扰13.外壳必须做到等电位14.PCB与金属外壳之间在靠近I/O端口间连接最好15.开关电源中开关管的散热器接0V的作用也是改变环路，从而旁路掉干扰电流16.从EMC方面考虑：模拟地与数字地之间最好不放磁珠、电感或者0欧姆电阻，应直接相连，目的是保证等电位，PCB中大面积铺地的作用就是为了保证等电位，从而抗干扰17.金属抗干扰最好，因此尽量用螺钉或金属相连，连接线缆是产生压降的原因，产生不等电位，由此可以联想到我们驱动器中驱动板与控制板、控制板与显示板用金属插针连接抗干扰性能最好18.导体之间面接触要比点接触EMC性能好很多，保证等电势19.电缆端口进行抗扰度和传导骚扰测试的电缆最小长度为3米(有些标准中规定进行浪泳测试的最小长度为10米)，因此理论上在产品电缆设计时，只要在满足使用要求的前提下可以尽量缩短电缆长度，避免电缆成为天线，并可免去大部分EMC测试。

结构方面的EMC设计首先，我们将从硬件方面来讨论EMC设计。

在电路板设计阶段，要考虑到信号线的布局和引线的附加。

一种常见的技术是使用分层的布局，将高频信号线和低频信号线分开，以减少相互之间的干扰。

此外，地线和电源线也需要正确布置，以降低电磁辐射和敏感度。

引线的附加可以通过使用滤波器、衰减器和隔离器来实现，以阻止高频噪音的传播。

在组装电子设备时，需要注意电磁屏蔽和接地。

电磁屏蔽可以通过使用金属外壳和铺设屏蔽层等方法来实现。

这有助于防止电磁辐射和对外界电磁波的敏感度。

接地是另一个重要因素，它确保设备内部各个部分的电势一致。

为了达到良好的接地效果，应避免共地导线的杂散电流。

软件方面的EMC设计同样重要。

在软件编程中，要注意减少电磁辐射和提高抗干扰能力。

一种方法是通过在代码中添加线缆长度和引脚的信息，以便在布局过程中考虑到这些因素。

此外，还应警惕信号的不正常传输路径，以避免电磁传导。

软件应该被设计成能够处理临时电磁噪声和忽略短时故障。

此外，EMC测试也是EMC设计中不可或缺的一部分。

通过使用EMC测试设备，可以评估设备对电磁辐射和干扰的抗性。

测试的过程包括辐射测试、传导测试和静电放电测试等。

这些测试可以帮助开发人员识别设备中可能存在的问题，并做出相应的修改。

最后，EMC设计还需要考虑到国际标准和法规的要求。

不同的国家和地区可能有不同的EMC标准，例如欧洲的CE标准和美国的FCC标准。

设计团队需要了解这些要求，并确保产品符合相关的认证标准。

综上所述，EMC设计在电子设备的开发过程中至关重要。

通过在硬件和软件层面上采取相应的措施，可以确保电子设备在各种电磁环境下能正常工作，并且不会对周围其他设备或系统产生干扰。

EMC测试和符合国际标准和法规的要求也是不可或缺的。

因此，在进行EMC设计时，我们需要全面考虑各个方面，以确保所开发的产品具有良好的电磁兼容性。