EMI基础知识与常用的整改器件

Cyberbot4

EMC分为EMI（发射/骚扰）和EMS（敏感/抗扰度）。

今天讲讲EMI及相关器件等基础知识，内容包括EMI问题的本质，出现EMI问题时解决问题的思路，常用的整改器件介绍以及产品研发初期的EMC设计。

/ i0 B# \+ s2 ?9 L4 N

1.EMI问题的本质

, z' ^4 i0 u3 y7 C2 A/ w

绝大部分电子电气设备工作时都会有周期性的或者间歇性的电压电流变化，比如开关电源工作会有固定的一个开关频率，mos管开通和关断脉冲的产生会伴随其上升沿和下降沿（di/dt），并带来非常丰富的谐波；除了应用于各种各样场合的AC-DC、DC-DC开关电源、还有一些逆变器（光伏、电机控制等）的PWM信号，都是EMI问题产生的干扰源，这些源头在某些频率集中产生一些电磁能量，通过相应的电路、天线或等效天线发射到周围环境之中。这样的干扰进入到周围环境之中，一般有两种途径：传导和辐射。

而传导和辐射，也是EMI测试中最重要的两个项目，传导测试产品电源端口，信号端口在线上对外的干扰，而辐射，则测试产品本身包括线缆，对空间发射的干扰。

2.出现问题时的解决思路

- n' r. e, a4 o7 W0 d5 O5 q

EMC的三要素是：干扰源、传播路径、敏感源。

, E) D+ x8 I4 A

EMC整改的三大措施是：屏蔽、滤波、接地。

上面讲到的EMI本质，其实就是干扰源了。而传播路径，在实际解决问题时，也是一个及其重要的切入点，在电路中，许多不起眼的环节，其实一直都在担任着这样重要的角色。比如PCB布线时，为什么不能90°走线？仅从EMI角度讲，90°走线会使得线路的阻抗发生畸变，形成一个等效发射天线，高频信号容易借该路径对外发射；还有，信号线、电源线的高位线与回线之间为什么在走线时要尽量靠近，减小回路面积？因为这样的回路，在EMI角度看，还是一个等效发射天线，类似于环状天线，而它的发射效率，跟它的面积成正比。

7 F0 Z3 Y" |( g8 S% f5 _% k

关于敏感源，发射测试时，天线模拟敏感源，抗扰度测试时，产品本身是敏感源，至于抗扰度测试，本文就先不展开讲了。

, m# L3 Q' H1 Q7 E0 o! p

那么，当EMI测试不合格时，应该怎么去整改，或者说应该带着一个什么样的思路去整改呢？

- P3 O" T& `  \; @7 ^5 F

测试不合格时，首先排除测试本身的原因，包括测试线束的布置，产品的摆放，接地，测试仪器比如LISN的接地，测量开关，50Ω匹配等。其次，根据测试项目，可以作出初步判断，比如电源端口的传导测试，应该首先从电源电路着手排查，比如断开某一部分功能的电源，再测试，比对结果有何不同，是否能找到原因所在，其次才是检查产品或系统内其他线路的耦合干扰。

3 V8 E" U# s) h3 x

通过有针对性的合理的排查和比对测试，找到不合格的原因之后，再利用EMC整改的三大措施，开始对症下药，才是正确的整改思路。

9 \& J0 \+ S# H! j0 X' T$ s
8 }5 F' z/ o% V& C6 B4 u: |7 {) O1 @$ Z1 E9 |

3.常用EMI整改器件介绍

EMI干扰一般分为共模干扰和差模干扰，多数器件也是依据这些干扰类型来进行运用的。（共模电流：干扰电流在导线上电位相同，在导线与大地之间形成的回路中流动；差模电流：干扰电流在信号线之间或电源正负线之间流动。）

( G) `9 B: K6 A' b: I- ~# F+ S
* C7 L  E) b' @; [2 T# x# q" b

1）电容：电容的基本作用是充放电，特点是通交隔直，利用这些特性，灵活使用电容，用不同的容值来抑制不同频率的干扰，可以解决很多EMI问题；

# r9 S, r" V2 i
. D! B; W0 V! o3 `6 J

电容也分为共模电容（Y电容）和差模电容（X电容）。X电容跨接与导线两端，用于吸收差模干扰，Y电容用于线对地之间，一般成对出现，吸收/泄放共模干扰。

$ E9 o3 K  M/ S6 h, g

2）电感：电感的基本作用是储能，滤波电感也分为共模电感、差模电感两种；

共模电感（共模扼流圈）：共模电感两个线圈绕在同一个磁芯上，匝数和相位相同的，但绕制方向相反。当产品工作的正常电流通过时，电流在共模电感线圈中产生反向磁场相互抵消；而当共模电流通过时，由于共模电流的同向性，会在共模电感线圈内产生同向的磁场从而使共模电感表现为高阻抗衰减共模电流。

3 n  `" E) a# ?+ K3 @" B
% V, l9 m5 H. \$ L: V! _

差模电感：在信号频率一定的情况下，电感量越大，对高频信号电流的阻碍能力越大，电感量越小，其阻碍能力越小。

6 i/ B) v$ S" E! ~
0 L: Y. q& Z0 B; c0 M) ]% L

3）磁珠：磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠主要作用频段在50MHz以上，在电路中的用法类似于电阻，等效于电阻电感串联使用，在特定频段才会体现出较高的阻抗；

7 {; \9 n+ l' U# j7 N* W) z
# e$ U) ]( z% j  q

4）磁环、磁扣：将线束穿过一个磁环或磁扣就构成了一个共模扼流圈，根据实际情况，可以将线束在磁环上面绕几匝。匝数越多，感量越大，对频率较低的干扰抑制效果越好，而对频率较高的噪声抑制作用则较弱。

磁环按材质主要分为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、非晶、纳米晶等。

* C& D" z# A* S! L

锰锌铁氧体在低频时性能较好，镍锌铁氧体在高频时性能较好，非晶、纳米晶磁环在宽频范围内都具有较高的阻抗，但价格非常高。

- `$ K: k0 S* K* x
) |: [: d9 p3 }6 ?' I5 v& v; a

4.产品前期EMC设计

+ g, q4 C1 w, p5 C6 b

产品在研发初期如果能把EMC问题纳入考虑，可以节省后期测试、整改、改板甚至重新开模等环节的花费，同时也能很大程度的缩短了整个产品的研发周期。

想到什么说什么，具体还是得根据产品本身实际情况来做取舍。

2 m. Z2 v8 H# X* J7 X  t' h- a
9 K3 G* B# Z, U2 }$ [0 f% ~8 w

原理图、PCB方面：

: c" L& {) `/ `  I7 n

1）对产品电源、通讯等电路，要有针对性的去设计滤波电路，做好端口滤波电路必要位置预留，方便产品成型之后的调试；

! q/ G5 k. e8 ^9 @& r

2）器件统一规划，合理布局，对于敏感器件，尽量远离易受干扰的区域，且不能放在靠近板子边缘的地方，不能放在接插件附近；

3）高速信号一定要保证有完整的地平面来提供回流路径，必要时包地处理；

4）保证信号线阻抗的连续性，减小回流路径，要尽量控制过孔，不要跨电源分割；

) H- c6 d1 i& r+ T" n

5）走线尽量短，无论是电源还是信号线，其环路面积都要得到控制；

6）输入输出要远离，否则将使滤波电路失效；

1 k! h  j5 j7 T) {/ p7 @  D4 z

7）高频信号接地时，地线要短、直、粗，地线不能有较大的畸变，也不能拐弯；

8）当产品工作频率较高时，要将信号地、模拟地、电源地分开。

) O+ }( s) y1 _# ?

结构布局方面：

7 a6 w' C3 c% |1 W

1）高、低压模块（如IGBT与控制板）的布局要做好隔离，线束不相互穿插，也不并行；

2）各模块的输入输出走线要尽量短，特别是高压线（铜排），走线要短且回路面积要小，尽量挨在一起走线；

3）对于功率密度较高，干扰较强的产品，结构设计时要在高、低压输入及输出端口处预留滤波电容、磁环等位置。

  k% x5 t+ w* k