一、基本概念

????????電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是電子電氣設(shè)備在特定電磁環(huán)境中正常工作的能力，同時不會對其他設(shè)備產(chǎn)生不可接受的電磁干擾。其核心目標(biāo)是確保設(shè)備在共享的電磁環(huán)境中既能抵抗干擾，又能避免干擾他人。

1.1 EMC的兩個核心方面

• 電磁干擾（EMI, Electromagnetic Interference）
  設(shè)備運行時產(chǎn)生的電磁噪聲對其他設(shè)備的影響，分為：

  • 傳導(dǎo)干擾：通過電源線、信號線等導(dǎo)體傳播。
  • 輻射干擾：以電磁波形式通過空間傳播。

• 電磁敏感性/抗擾性（EMS, Electromagnetic Susceptibility）
  設(shè)備在電磁干擾下保持正常工作的能力，如抗靜電、抗浪涌等。

1.2. EMC三要素

• 干擾源（Source）：產(chǎn)生電磁噪聲的設(shè)備（如開關(guān)電源、電機）。
• 傳播路徑（Path）：干擾傳播的途徑（傳導(dǎo)或輻射）。
• 敏感設(shè)備（Victim）：易受干擾的設(shè)備（如傳感器、通信模塊）。

1.3. EMC標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

• 國際標(biāo)準(zhǔn)：CISPR（國際無線電干擾特別委員會）、FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）、CE（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）。
• 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：GB（中國國家標(biāo)準(zhǔn)）、3C認證（強制性產(chǎn)品認證）。
• 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：汽車電子（ISO 11452）、醫(yī)療設(shè)備（IEC 60601）等。

EMC標(biāo)準(zhǔn)選擇優(yōu)先級

1. 客戶要求：如果客戶（如特定行業(yè)用戶或認證機構(gòu)）有明確的EMC要求，應(yīng)優(yōu)先滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)。

2. 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：企業(yè)內(nèi)部制定的EMC標(biāo)準(zhǔn)通常比國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更嚴格，適用于企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品的設(shè)計和測試。

3. 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：針對特定產(chǎn)品或產(chǎn)品類別的標(biāo)準(zhǔn)，如醫(yī)療器械、信息技術(shù)設(shè)備等。

4. 產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：按照行業(yè)分類的標(biāo)準(zhǔn)，如工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備等。

5. 通用標(biāo)準(zhǔn)：適用于所有設(shè)備的通用EMC標(biāo)準(zhǔn)，通常根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境（如工業(yè)環(huán)境、居住/商業(yè)環(huán)境）進行分類。

6. 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：包括EMC測試方法和通用要求，如抗擾度和發(fā)射測試的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

具體優(yōu)先級順序

• 客戶要求 > 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) > 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) > 產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) > 通用標(biāo)準(zhǔn) > 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4. EMC設(shè)計原則

• 屏蔽：用金屬外殼或?qū)щ姴牧细綦x干擾（如屏蔽罩、屏蔽電纜）。
• 濾波：在電源或信號線中增加濾波器，抑制高頻噪聲。
• 接地：設(shè)計低阻抗接地路徑，避免地環(huán)路干擾。
• PCB布局優(yōu)化：
  • 關(guān)鍵信號線（如時鐘線）縮短并遠離敏感區(qū)域。
  • 電源與地平面分層設(shè)計，減小環(huán)路面積。
• 軟件抗干擾：通過冗余校驗、錯誤重試等增強魯棒性。

二、EMC檢測

• 主要測試項目：
  • 發(fā)射測試（EMI）：測量設(shè)備產(chǎn)生的干擾是否符合限值。
    • 傳導(dǎo)發(fā)射（CE）、輻射發(fā)射（RE）。
  • 抗擾度測試（EMS）：驗證設(shè)備在干擾下的穩(wěn)定性。
    • 靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT）、浪涌（Surge）、輻射抗擾度（RS）等。
• 測試環(huán)境：電波暗室、屏蔽室、接地參考平面等。

檢測項目表格

	檢測項目	適用端口	檢測指標(biāo)	通過標(biāo)準(zhǔn)	參考標(biāo)準(zhǔn)
EMI	傳導(dǎo)騷擾測試（CE）	電源端口、信號線端口	傳導(dǎo)干擾電壓（150kHz-30MHz），限值如Class B≤40dBμV	實測值低于標(biāo)準(zhǔn)限值線	CISPR 22、EN 55014-1、GB/T 18655
	輻射騷擾測試（RE）	設(shè)備整體外殼端口	輻射場強（30MHz-1GHz），限值如Class B≤40dBμV@30-230MHz	實測值低于標(biāo)準(zhǔn)限值線	CISPR 25、EN 55032、GB/T 18655
	諧波電流測試（Harmonic）	電源輸入端口	電流諧波成分（如3次、5次諧波），限值按設(shè)備功率分類	諧波電流總畸變率（THD）符合IEC 61000-3-2要求	IEC 61000-3-2、EN 61000-3-2
	電壓波動與閃爍（Flicker）	電源輸入端口	短時電壓波動幅度（ΔVmax≤4%）及閃爍指數(shù)（Pst≤1）	波動幅度及閃爍指數(shù)低于限值	IEC 61000-3-3、EN 61000-3-3
EMS	靜電放電抗擾度（ESD）	外殼端口、通信端口	接觸放電±8kV，空氣放電±15kV（Class 4級）	設(shè)備功能正常（Class A）或可自恢復(fù)（Class B）	IEC 61000-4-2、GB/T 17626.2
	電快速瞬變脈沖群（EFT）	電源端口、信號線端口（線長≥3m）	脈沖電壓±2kV（電源線）、±1kV（信號線），重復(fù)頻率5kHz	設(shè)備無功能降級（Class A/B）	IEC 61000-4-4、GB/T 17626.4
	浪涌抗擾度（Surge）	電源端口、通信端口	浪涌電壓±2kV（線-線）、±4kV（線-地）（Class 4級）	設(shè)備無損壞且功能恢復(fù)（Class B/C）	IEC 61000-4-5、GB/T 17626.5
	輻射抗擾度（RS）	設(shè)備整體外殼端口、通信端口	射頻場強10V/m（80MHz-6GHz）	設(shè)備功能正常（Class A）或可自恢復(fù)（Class B）	IEC 61000-4-3、GB/T 17626.3
	傳導(dǎo)抗擾度（CS）	電源端口、信號線端口（線長≥3m）	射頻干擾電壓（150kHz-80MHz），限值3V（Class 3級）	設(shè)備無功能降級（Class A/B）	IEC 61000-4-6、GB/T 17626.6
	電壓跌落與中斷（DIP）	電源輸入端口	電壓跌落至0%（短時中斷）、40%（持續(xù)10ms）	設(shè)備重啟后功能正常（Class B/C）	IEC 61000-4-11、GB/T 17626.11

適用端口分類

• 電源端口：包括交流/直流輸入端口（如AC 220V、DC 12V）。
• 信號端口：如RS-485、以太網(wǎng)、USB等通信接口。
• 外殼端口：設(shè)備金屬外殼或非導(dǎo)電外殼的接縫、按鈕等暴露區(qū)域。

通過標(biāo)準(zhǔn)等級

EMI：分Class A（工業(yè)級）和Class B（民用級），限值嚴格度B > A。

以輻射3m場測試為例：

Class A在30-230MHz要求不能超過50dBuV, 在230-1000MHz要求不能超過57dBuV

Class B在30-230MHz要求不能超過40dBuV, 在230-1000MHz要求不能超過47dBuV

EMS：分Class A（完全正常）至Class D（設(shè)備損壞），嚴格度A > B > C > D。

Class A:?測試完成后或測試中被測設(shè)備一直處于正常工作；

Class B:?測試完成或測試中允許被測設(shè)備出現(xiàn)重啟，不需要人為干預(yù)的情況下，可以恢復(fù)正常工作；

Class C:?測試完成或測試中允許被測設(shè)備死機(或其他無法正常工作的現(xiàn)象)，但是需要人為調(diào)整后可以重啟并正常工作；

Class D:?設(shè)備已損壞，無論怎樣調(diào)整也無法啟動。

測試環(huán)境要求

• EMI測試：傳導(dǎo)騷擾需屏蔽室，輻射騷擾需電波暗室。
• EMS測試：靜電放電需接地參考平面，浪涌需隔離測試臺

三、EMC防護設(shè)計

3.1常見概念

3.1.1 差模干擾和共模干擾

• 差模干擾：指在兩條導(dǎo)線之間傳輸?shù)母蓴_信號，其電流方向相反、幅度相等。

• 共模干擾：指在兩條導(dǎo)線中同時出現(xiàn)的干擾信號，其電流方向相同、幅度相等，且以地為參考

特性	差模干擾	共模干擾
電流方向	相反	相同
傳輸路徑	通過兩條導(dǎo)線之間的回路	通過導(dǎo)線與地之間的回路
頻率范圍	主要為低中頻段	可能覆蓋更寬頻段
抗干擾能力	較強，適合高速信號傳輸	較弱，易受外部干擾

3.1.2?分貝單位

• dBm（分貝毫瓦）：以毫瓦（mW）為參考，表示功率的對數(shù)比值。

• 分貝（dB）和分貝毫瓦（dBm）之間的換算關(guān)系是： dB=dBm+30

單位	定義	換算公式
dBm	功率單位（參考1mW）	dBm=10log10?(P/1mW)
dBμV	電壓單位（參考1μV）	dBμV=20log10?(V/1μV)
dBμA	電流單位（參考1μA）	dBμA=20log10?(I/1μA)
dBpT	磁通密度單位（參考1pT）	dBpT=20log10?(B/1pT)

3.1.3 防雷和ESD防護器件

防雷器件（浪涌防護）

陶瓷氣體放電管（GDT）

• 原理：利用氣體電離導(dǎo)通特性，在高壓下形成電弧放電通道泄放雷電流。
• 特點：
  • 通流量大（可達100kA），適合一級防護。
  • 極間電容小（<3pF），適用于高頻信號線路。
  • 擊穿電壓分散性較大（±20%）。
• 應(yīng)用：通信基站電源、電力系統(tǒng)防雷。

壓敏電阻（MOV）

• 原理：基于氧化鋅材料的非線性電阻特性，鉗位過電壓。
• 特點：
  • 響應(yīng)時間快（ns級），通流容量中等（1-20kA）。
  • 結(jié)電容較大（nF級），不適用于高頻信號。
  • 易老化，多次沖擊后性能下降。
  • 失效模式為短路
• 應(yīng)用：電源輸入端口、AC/DC轉(zhuǎn)換器防護。

ESD保護器件（靜電防護）

TVS二極管（瞬態(tài)抑制二極管）

• 原理：利用PN結(jié)雪崩擊穿特性，快速鉗位電壓。
• 特點：
  • 響應(yīng)時間極快（ps級），鉗位電壓低。
  • 結(jié)電容小（0.5-50pF），適合高速接口（USB 3.0、HDMI）。
  • 支持雙向/單向配置，工作電壓范圍廣（6.8V-550V）。
• 應(yīng)用：手機接口、汽車電子ECU

SPD（浪涌保護器）

????????SPD通常由多種元件組合而成，如MOV（壓敏電阻）、TVS（瞬態(tài)抑制二極管）和GDT等。其核心功能是通過限壓或分流的方式，將過高的電壓限制在安全范圍內(nèi)

防護器件	特性	應(yīng)用場景	優(yōu)點	缺點
MOV（壓敏電阻）	非線性電阻特性，電壓超過閾值時阻值急劇下降，限制過電壓。	電源端口、低頻信號線、防雷保護。	響應(yīng)速度快（納秒級），通流量大，成本低。	容易老化，多次使用后漏電流增加，失效模式為短路。
TVS（瞬態(tài)電壓抑制二極管）	基于半導(dǎo)體工藝，響應(yīng)速度快（亞納秒級），可將電壓鉗位到安全水平。	低電壓接口、IC保護、ESD防護。	響應(yīng)速度極快，鉗位電壓低，電壓精度高。	耐浪涌電流能力較弱，適合低能量場景。
GDT（氣體放電管）	內(nèi)部惰性氣體擊穿導(dǎo)電，將過電壓泄放到地。	電源端口、通信接口（如RS485、網(wǎng)口）、防雷保護。	通流量大，耐高能量沖擊，殘壓低。	響應(yīng)速度較慢（微秒級），存在放電延遲。
SPD（浪涌保護器）	內(nèi)部包含非線性元件（如MOV、TVS、GDT），用于限制過電壓。	電源線路、信號線路、設(shè)備外殼等。	保護能力強，可承受高能量浪涌，適用于多種應(yīng)用場景。	需根據(jù)應(yīng)用場景選擇合適的內(nèi)部元件，成本較高。

3.2 防護方法

1. 控制干擾源強度

• 抑制電磁發(fā)射：通過優(yōu)化電路設(shè)計降低設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁噪聲，例如采用低噪聲電源拓撲、控制高速信號上升時間、使用軟開關(guān)技術(shù)減少開關(guān)電源的瞬態(tài)干擾。
• 限制輻射范圍：對高頻電路（如時鐘電路、射頻模塊）采取屏蔽措施，如金屬屏蔽罩或?qū)щ娡繉?#xff0c;并通過多層PCB設(shè)計（信號層與電源/地層交替布局）減小環(huán)路面積。
• 降低傳導(dǎo)干擾：在電源端口增加濾波器（如共模電感、X/Y電容組合），信號接口使用低通濾波電路抑制高頻噪聲。

2. 阻斷干擾傳播路徑

• 傳導(dǎo)路徑管理：
  • 采用星型接地或單點接地，避免地環(huán)路耦合；
  • 電源線與信號線分離布線，敏感線路兩側(cè)布設(shè)“Guard Ground”地線。
• 輻射路徑阻斷：
  • 使用屏蔽電纜（如雙絞線或同軸線）替代非屏蔽線纜；
  • 優(yōu)化PCB布局，高速信號遠離板邊并縮短走線長度。
• 耦合路徑抑制：
  • 相鄰布線層避免平行走線，必要時增大層間距；
  • 對敏感電路（如模擬采樣）進行包地處理，阻斷空間耦合。

3. 提升設(shè)備抗干擾能力

• 硬件防護設(shè)計：
  • 關(guān)鍵接口（如RS485、以太網(wǎng)）增加TVS管、氣體放電管（GDT）等多級浪涌防護；
  • 采用差分信號傳輸（如LVDS、USB3.0）增強共模干擾抑制。
• 軟件容錯機制：
  • 通過CRC校驗、數(shù)據(jù)冗余重傳增強通信可靠性；
  • 設(shè)計看門狗電路和異常狀態(tài)恢復(fù)邏輯。
• 結(jié)構(gòu)防護優(yōu)化：
  • 機箱采用導(dǎo)電材料（如鋁合金）并確保接縫連續(xù)導(dǎo)電，屏蔽效能需達40dB以上；
  • 通風(fēng)孔設(shè)計為蜂窩狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兼顧散熱與電磁泄漏控制。

4. 系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計

• 分層防護策略：
  • 一級防護：在外部接口（如電源輸入、通信端口）部署大通流器件（如壓敏電阻）泄放能量；
  • 二級防護：在板級電路使用TVS管、濾波電容實現(xiàn)精細保護。
• 成本與性能平衡：
  • 消費類產(chǎn)品優(yōu)先選擇低成本方案（如單層屏蔽+基礎(chǔ)濾波）；
  • 高可靠性領(lǐng)域（航空航天、醫(yī)療）采用冗余設(shè)計（如雙路隔離電源+全屏蔽機箱）。

參考資料

電磁兼容(EMC)設(shè)計與整改 - 電子技術(shù)論壇 - 廣受歡迎的專業(yè)電子論壇! (elecfans.com)

EMC/EMI詳解 - bujidao1128 - 博客園 (cnblogs.com)

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