電磁兼容的設計方法介紹(1-2)

1、電磁兼容的設計方法介紹(1 2)一前言關于電磁兼容的要求目前世界上大多的先進國家都已經(jīng)有管制的法規(guī)并有相關的符合要求的單位若產(chǎn)品無法符合要求規(guī)定往往無法銷售到該地區(qū)的市場因此多數(shù)的電子產(chǎn)品在銷售前都必須經(jīng)過電磁兼容的測試若無法通過則需要經(jīng)過適當?shù)男薷膩矸舷嚓P的規(guī)定。本文主要是說明在電子產(chǎn)品設計的階段如何考慮避免電磁干擾的產(chǎn)生和增加產(chǎn)品耐干擾的程度從許多的經(jīng)驗得知若能在設計開始的階段就能適當?shù)淖龊秒姶偶嫒莸姆乐仆梢怨?jié)省事后大量的修改時間和金錢的尤其在現(xiàn)代產(chǎn)品汰換期非常短若不能快速的通過EMC 的測試很容易影響到市場上的高機。目前市面上介紹EMI&EMC相關的書籍也算是林林總總但是在

2、實務運用上總是會感覺有一段的差距許多的讀者雖然將一些經(jīng)典的書籍讀的很徹底但是一面臨實際產(chǎn)品無法符合 EMI 要求或開始作產(chǎn)品設計時都會有一種不知從何下手的感覺。太多的重點反而沒有重點太多的理論反而沒有理論,所謂執(zhí)簡御繁知其要者一言以終不知其要流散無窮,為使讀者能有一清楚的認識與實務上的充分掌握筆者參考Isidor 于 1992 年在 Compliance Engineering雜志所發(fā)個的Designing for Compliance 文章以講義的方式作一詳細的解說與應用的原則期使讀者能真正深入的了解一些EMI 的設計原理與方法。該文雖然距今已有八年多的歷史了在這八年的期間個人計算機從 28

3、6 的時代已經(jīng)進步到現(xiàn)在邁入 GHz 的時代進步可以說非常的神速但是我們回過頭來看一些處理電磁兼容的基本原則與方法還是沒有變的。 能夠掌握住這些基本的原則與方向往往才是處理電子產(chǎn)品噪聲干擾的最有效的啊具至于一些片段式的重點整理或括要有時反而會使得啊程人員在設計時有不知所從的感覺這也是本文要在一些簡單的原則上作較深入的探討與分析的。二電磁輻射的說明電磁波的輻射是產(chǎn)品在做數(shù)字運算處理時一定會產(chǎn)生的通常來講都是無法避免的因為從諧波的角度來看如果主波是20MHz 一定會有相關的諧波出來我們?nèi)绾稳タ刂撇灰男盘枺?unwanted signals), 一般主要有兩個方法這兩個方法也是我們目前最常用的。第

4、一個方法就是包覆抑制（containment), 這個方法就像是用一個罐頭包裝也就是用屏蔽（ shielding) 的方式把它包裝起來第二個方法就是電路板的設計目前我們時常就是從這兩個觀念上去著手。利用包覆抑制的對策技巧其好處就是不會影響到產(chǎn)品的功能（ Function) 因為你把它包起來根本不會動到電路板上的一些啊作的組件和信號但是其缺點就是制造成本（cost）比較高而且可靠度可能比較會有問題因為可能會因為每次碰撞一下而影響到其接觸的效果例如一般最常見的筆記型計算機（notebook PC) 可能會因為摔一下或重物壓過噪聲就會有很大的變化可能由可以符合到無法符合。而電路板設計（PCB Des

5、ign-in ）的好處由于是在電路板Layout 時就預先把間題考慮進去因此其對策的可靠度比較高而費用則因為是事先的設計所以往往沒有額外的費用產(chǎn)生當然在功能 （ Function) 上有時比較可能會受到影響因為在抑制噪聲時很可能同時降低產(chǎn)品的震蕩特性。在實際測試對策時我們這兩個的方法都會考慮進去一般在剛開始修改時一定會先考慮用包覆抑制的方法然后才考慮電路板上的干擾抑制修改因為電路板通常已經(jīng)固定了要再修改往往比較困難所以我們會從外殼上先處理也就是從屏蔽（Shielding) 和接地（ Grounding) 的觀點來考量看它的接觸與外殼或機座夠不夠好這個處理完我們才繼續(xù)處理電路板的修改也就是說如果

6、用屏蔽和接地的方法改不下來我們才開始處理電路板的修改。一般在市面上大多數(shù)電磁干擾的書籍都會比較喜歡介紹這個電路板設計的理論其實理雖然很重要不過在實際產(chǎn)品修改上包覆抑制反而是最快的最有效的因為良好的屏蔽只要處理適當就能降低噪聲10dB 以上可以說效果最快但是電路板的處理變量則比較大也就是說就算Re-layout 也無法保證馬上好可能要先花個五萬元洗板子然后再焊上組件萬一不好怎幺辦所以在對策處理的觀念上一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟這個如果還沒有熟練就先不要去處理電路板的修改因為整個修改的步驟必須是按步就班的處理當然在本篇的文章中會先介紹電路板處理的這個觀念這樣可以做為基本的基楚可以幫助讀者知道

7、一些原理知道一些問題的原因但是在實際對策上則是用屏蔽和接地的處理比較多。所謂空穴不來風通常要記住這個觀念會有發(fā)射（emission) 的產(chǎn)生那一定會有來源（ source),基本上我們應該叫做天線（ Antenna), 一定要有天線才會有發(fā)射這就是空穴不來風所以本文中將會說明的是有那些輻射來源的存在這樣我們知道這些來源以后就能夠去控制它而不是消滅它因為噪聲沒辦法消滅整個能量是不滅的電磁干擾的抑制主要是經(jīng)由良好的控制方法不使噪聲能量輻射到空中或傳導到電源線上。三造成EMI 基本的原因造成 EMI 噪聲輻射大部分的原因一般來說就是共模（Common Mode), 這就是大家常聽到的共模的輻射由于高

8、頻電流的來回瞬時變化而有磁生電電生磁的現(xiàn)象所以有了交流電的特性電場為什幺會跑向前跑這是因為磁場變化以后會產(chǎn)生一個電場電場隨著時間變化以后又會產(chǎn)生磁場這樣交互交替就會造成一個會跑的電磁場。所以說磁生電像是發(fā)電機就是用磁鐵轉(zhuǎn)動生電電生磁電磁鐵也是一樣它的電流只要是瞬時（ transient)來回變化就會造成這樣的情形。這些所產(chǎn)生的噪聲會造成有意義潛在的射頻（RF）干擾大部分會在電源供應器（PowerSupply) 的電路板上的走線（trace)因為走線上有電感由于電感的效應使得導線直的電感會有射頻電位的發(fā)生。為什幺電源供應器這幺重要呢因為對所有的周邊來講以PC 而言電源供應器有5V 和12V 的電

9、壓供給所有的組件使用所以系統(tǒng)里各各組件上的噪聲如果以電源供應器的角度來看所有的噪聲都會回流來這邊每一個都會經(jīng)過電源線回來這就是共模（CommonMode).什幺是共模呢各各不同的噪聲都走同一個方向所以噪聲全部都會回流到電源供應器上也就是所有主板（ Mainboard) 上的噪聲都會回流所以電源供應器變成一個噪聲的集散區(qū)這就像是一個菜市場菜市場也就是一個共模水果蔬菜最后都集中到菜市場來賣電源供應器也就是一個菜市場對所有的設備來講它就是一個噪聲集散地因此就有了共模的產(chǎn)生。因為所有的噪聲最后都會流到電源供應器上供應各個組件的電源噪聲會沿著電壓（Vcc)跟接地（ Ground）回到電源供應器這個噪聲我

10、們就叫共模噪聲因為從電源供應的角度來看都是同方向。關于一般數(shù)字產(chǎn)品的輻射機制為使讀者能更清楚的了解以圖標來說明如下？一般數(shù)字產(chǎn)品的簡單的結構如圖一中的說明產(chǎn)品的主機透過周邊電纜線連接到周邊上如果把其轉(zhuǎn)成一個等效電路來看在電路部分就相當于一個來源（source） ,而 I/O Cable就相當于一個天線。？圖二即為將期轉(zhuǎn)為等效電路的圖來看從圖中可以看出來源（ source)可以分成兩種的來源一個就是所謂的共模電壓（Vcm), 另一個就是異模電壓（V d/2),一般而言異模的電壓大多是產(chǎn)品電路設計時所使用的信號電壓而共模的電壓則大多是信號高頻的諧波噪聲詳細說明如下異模信號（ Differentia

11、l Signals)其特色為（ 1）傳送所要的信息（ 2）不會造成干擾由于異模電流所產(chǎn)生的場強彼此方向相反且相互抵銷。？共模信號（ Common Signals)其特色為（ 1）是電纜輻射的主要來源。（ 2）沒有特別可用的目的。（ 3）使得電纜成為一個單極的天線。解決 EMI 的問題第一個要處理哪邊通常首先我們要解決EMI 的目標是電源供應器上的共模噪聲因為所有噪聲都會流到電源供應器上也就是說我們在修改產(chǎn)品噪聲的第一件事要看電源供應器的噪聲是否很高因為很多人修改噪聲的步驟很容易疏忽這邊因為他們一看到噪聲很高他會分析產(chǎn)品中的Clock 是 12MHz 或 24MHz 然后開始改它這往往會浪費了很

12、多的時間而且有時也影響了產(chǎn)品的特性功能。很多噪聲只要把電源供應器的接地（ Ground) 處理好這些噪聲都會不見這看起來似乎很神奇有時可能無法相信它就是這樣簡單所以一開始不要以為這個12MHz 24MHz或48MHz 的諧波噪聲是從震蕩器出來這個想法就EMI 來說有時是錯的而要先處理電源供應器的共模噪聲這個方向要先掌握。在后繼的文中會討論到怎幺處理的原則就是說實際怎幺對策當然要先有一個觀念觀念不能錯觀念一錯就很容易找不到問題而愈修改愈不容易無將噪聲抑制下來。四產(chǎn)生輻射的條件要讓輻射很有效率的產(chǎn)生在某一個頻率其條件是什幺條件是必須要有一個天線而這天線的長度為何以100MHz的頻率來看能夠滿足10

13、0MHz的適當長度是在/2是 ,也就是說假設產(chǎn)品噪聲輻射主要都在100MHz 可能你的產(chǎn)品天線長度是或是/4 就是這代個產(chǎn)品內(nèi)可能有這個天線存在才會造成100MHz 的輻射。假設你發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品噪聲是在100MHz 的頻率最高結果我們發(fā)現(xiàn)有一條連接線正好是如果我們換一條比較長的線1m這噪聲會變怎樣呢此時原來最高噪聲頻率會降低但是其它旁邊的頻率噪聲反而會升高這就是在實務測試上常常講蹺蹺板整個的能量是不會變的但是它反應出來的對應頻率會隨天線長度不一樣而改變這點是EMI 最重要的觀念也就是修改EMI 一定要了解這個原理。這也是為什幺有時我們會發(fā)現(xiàn)在對策時用不同的電容舅 100p, 200p, 50p 也會

14、有這個蹺蹺板效應因為電容改變的就是天線的長度加個電容本來天線是 100 公分如果這邊用100p, 300p 則天線的等效長度就會不一樣有時換不同的電容有的頻率噪聲變低但是有的頻率噪聲反而升高為什幺換電容會有蹺蹺板的效應呢它的原理就是這邊因為它是改變整條線的長度也就是電氣上的等效長度。從電氣的等效長度來看我們加電感以及加陶鐵環(huán)（Core）為什幺有效陶鐵環(huán)的作用是個電感 ,L 和 C 在線上都會改變它的等效長度加陶鐵環(huán)為什幺能把噪聲抑制下來也就是說它的天線變短了我們等于在線上加一個電感它真正作用就是在這邊使得整個天線變短了。所以如果不要加電容也不要加電感那要如何處理呢如果把它縮成 50 公分 噪聲

15、可能很快就降下來不用任何對策只要把線改短 50 公分如果在產(chǎn)品設計上能接受的話這就是一個最好的方法當然有時線太短不能符合產(chǎn)品功能的要求或是組裝上有困難這時就要另外用別的方法來處理例如用良好的屏蔽線取代。在修改上有時就是把某些連接線長度降低整個噪聲都會降下來不是只有某個頻率也就是我們知道EMI 的原理你來改它很快不知道的話往往一直在Clock 上處理改了老半天還是改不下來通常在一般書上講的一些方法和理論如果設有印證過往往都是一個純理論有時無法用來作為實務對策的參考最好要實際去做做看。例如某些掃描儀（Scanner)的產(chǎn)品因為他有一個彈簧管或排線連接到掃描儀上這一排的導線通常做的比較長這樣比較好組

16、裝我們?nèi)绻s短噪聲會降多少降在哪邊呢這些都可以嘗試去做看看只要找出來這個噪聲是哪個線輻相似的那幺要抑制這個噪聲就不是很困難了。怎幺找如何找出哪條線會輻射一般常用的方法可以用三個 Core 的方式來找如果你加三個 Core 在某條線上而噪聲降低或消失再把 Core 拿掉噪聲又升高那幺就表示這條線就會輻射。然后我們就可以算它的/2 在哪邊不管噪聲的頻率100MHz 200MHz 或 300MHz 要先算其 /2 是多少假設產(chǎn)品噪聲在300MHz 不能符合規(guī)格要求要找出原因可以把機器打開來看看有沒有75 公分長的線或者是/4 亦即 40 公分長的線有時候處理一些問題我們要使用這個方法利用理論的計算找

17、出噪聲頻率的相對應線長。整個噪聲的產(chǎn)生如果沒有天線存在的話噪聲就不會輻射既然它存在我們就可以把它找出來怎幺找呢一個就是用理論計算另外一個方法是實際用儀器測量。用理論計算的方法在一開始時不會考慮這樣做大部分會先用儀器測量的方法來找出問題不過只要把EMI 原理了解清楚對于一般的噪聲問題應該都能夠修改下來整個重點說明如下既然噪聲是輻射在某一定的頻率就一定有一支天線相對應只是不容易找到而已電磁干擾修改的工作就是找出這支天線降低它的天線效應或是把它隔離以使得噪聲能符合相關的法令要求。五 I/O Cable 的天線效應在了解產(chǎn)生輻射的條件后接下來就是要知道產(chǎn)品有哪些地方會造成天線效應對一般擺在桌上大小的產(chǎn)

18、品I/O 電纜（Cable）正好就是一個天線前面有提到有輻射就會有天線因此 I/O 電纜是最重要最有效的輻射機制。在對策時很多時候只要把周邊電纜拿掉噪聲就是見或是降低電纜一加上則噪聲就出現(xiàn)所以我們要先針對這條電纜線來處理而不是先去修改產(chǎn)品內(nèi)部主板（ Mainboard) 的時脈震蕩。就噪聲的來源分析是由時脈（Clock ）造成所以是一支支的高頻諧波可是這些訊號存在電路板上并不代表這些訊號就會輻射到空中這是一般人容易忽略的一個重要觀念雖然輻射的來源是時脈（Clock) 但是把這些能量轉(zhuǎn)成電磁波輻射到空中則就是從I/O 電纜的貢獻。所以我們要先去修改I/O 電纜而不要去改時脈（Clock), 當然

19、所謂I/O 電纜不只是產(chǎn)品對外的連接周邊線在產(chǎn)品內(nèi)部的相互連接線都要把當成I/O 電纜來處理這也是一般人容易忽略的地方。EMI 只要把電纜線的問題解決了大部分的產(chǎn)品都會符合規(guī)格要求在我們處理的經(jīng)驗中只看過一兩件產(chǎn)品所有周邊電纜線拿掉產(chǎn)品本身主板（ Mainboard) 上的噪聲還是無法符合規(guī)格的要求通常如果遇到這種情形往往要重新布局（Layout) 才有可能修改通過否則就算在所有的電纜線加了一堆陶鐵環(huán)（Core）還是沒有用。I/O 電纜的問題是很容易確認如何確認呢只要把I/O 電纜取下就可以知道在EMI 修改上有時會有很多不同的爭論與看法這些都要靠實驗來證明自已的看法而不是只憑經(jīng)驗判斷。也就是

20、說在EMI 修改上有時有很多種的判斷有的人說要改這邊有的人說要改那邊其實這些都可以很快的用實驗證明例如如果認為是這顆IC 組件造成的噪聲那可以把這顆IC 組件拔掉然后看噪聲還在不在有時往往改了老半天一直以為是這顆IC 但是 IC 拿掉后結果噪聲還是存在。我們用儀器去測量模擬區(qū)的噪聲發(fā)現(xiàn)噪聲很高也就是模擬接地（Analog Ground ）的噪聲很高基本上就很難改下來因為電路板上接地區(qū)的噪聲會透過電纜周邊線而輻射出來我們在模擬組件上一直找對策后來發(fā)現(xiàn)怎樣都改不下來最后怎幺辦這中間換了很多不同廠牌的Analog IC 組件也在IC 上加了很多對策組件但是噪聲一直未能獲得有效的改善。只好將一顆一顆的

21、Analog IC 拿掉最后整個所有的模擬組件都拿光了也就是沒有一個模擬組件在電路板上然后接上電源用探棒（Probe)去測量結果噪聲還是一樣高也就是原先在模擬接地（Analog Ground ）的噪聲還是一樣的大。那幺模擬接地的噪聲怎幺來的明明沒有任何一個模擬組件在電路板上但是卻還是有噪聲存在。 經(jīng)過細部的追蹤后發(fā)現(xiàn)這個噪聲是從數(shù)字區(qū)過來的也就是由ASIC 上產(chǎn)生然后透過走線偉到模擬區(qū)可是在先前卻是誤判了。這是因為依照以往的經(jīng)驗模擬（Analog) 噪聲通常都是寬頻（Broadband) 而這邊的接地噪聲卻正好就是寬頻的型態(tài)所以一直會以為就是模擬的問題不過它是從數(shù)字區(qū)就是ASIC 上過來的有些

22、令人想象不到。但是無論如何我們都能用實驗來逐一找出問題因此對于I/O 電纜也是一樣通常把周邊線移去時共模噪聲往往會降低10dB 以上修改機器時常常會應用這個方法。六共模（ Common Mode) 與異模（ Differential Mode)對于共模和異模這兩個名詞EMI 的理論都會看到大部分的書本里都有介紹的很詳細但是很多人卻看的很模糊這關鍵就是在為什幺要了解共模和異模又為什幺要分成這兩種噪聲的來源在第三節(jié)造成EMI 基本的原因中有大概提供了共模跟異模的說明在本節(jié)中除了還是要把共模跟異模的分別作一些簡單的圖解外還會針對實際對策時如何藉由共模跟異模的噪聲現(xiàn)象來思考一些對策的方法跟原則這一點往

23、往在般書上被忽略。在此我們以PC 產(chǎn)品來說明 PC 的主機板（ Mainboard) 連到周邊以后經(jīng)過I/O Port 連到周邊線上我們把它轉(zhuǎn)成一個簡單的示意圖如下？從圖上可以看到有兩個電壓存在一個是Vdiff 異模電壓就是信號 （Singal) 在線路上所產(chǎn)生也就是一般習慣講的時脈（Clock), 另外一個就是靠近接地端的共模電壓Vcm, 這里面就是許多高頻諧波的成分存在。為了更能分清楚這兩種信號的差異和特性我們把這兩種信號分成兩個圖來表示？在圖中的電流由信號源中從正端走過一圈后回到負端這個信號本身是一個異模（ Differential) 的信號因為是走單方向所以稱為異模通常就是產(chǎn)品本身設計

24、所需要的信號也就是時脈 （Clock) 信號因此這些電流一定要回到信號源的負端這樣才能正常的工作。所以異模信號相對于負載一定是走相反的兩個方向而形成一個回路空中的量就比較大。（ Loop) 至于輻射到從這邊可以思考到如何降低異模噪聲的輻射也就是把走線所繞的面積減小如此噪聲所輻射的能量就會減小至于減小的方法一般有兩種一個就是在一開始布局 （ Layout ）時就盡量避免使得走線繞出太大的面積當然這是理想的情況往往實際布局 （ Layout ）時并不是都能做到。另外一個方法就是加上適當?shù)娜ヱ詈想娙堇秒娙荼旧淼奶匦钥梢允垢哳l的電流流過如此高頻電流就不會流過較大的面積而經(jīng)由去耦合電容走較小的而積這樣

25、相對輻射也會減低。？圖七中則是一個共模信號的說明信號在走線上跑除了一定會回到信號源的負端外還會流向共通的接地端也就是所有的組件上的各種信號包括高頻噪聲都會回流到接地端上這些電流由于接地點的阻抗而會產(chǎn)生一個電壓也就是共模Vcm 電流以數(shù)學式子表示為 Vcm=Icm x RG.RG在這邊是代表接地阻抗的大小Icm 則是所有產(chǎn)品上組件所產(chǎn)生的噪聲電流流向接地的總和即是Icm, 而在圖七中的Antenna 是什幺呢通常就是外接的電纜線因為電纜線接地的關系Vcm就會經(jīng)由接地間的連接而傳導到電纜上而電纜的線長就正好是一個天線的效應。所以為什幺會有Vcm 的存在這很重要一定要懂這個道理才會修改機器因為有接地

26、阻抗的存在所以才會有Vcm 也就是當Icm 流過去時遇到電阻此時就會產(chǎn)生電壓。圖七中有一個Vcm, 然后一個天線 （Antenna), 從另一個角度來看這就是標準的發(fā)射器也就是天線會把信號源輻射到空中所以EMI 會輻射共模噪聲為什幺會輻射就是這樣出來。在前面的文章中有提到為什幺有時候在電路板的接地（Ground ）上不能加陶鐵環(huán)（bead)從這個分析中很清楚的可以看到陶鐵環(huán)（bead)會使得接地的阻抗(RG)變大自然Vcm也就會變大也就是說整個噪聲就變大了。圖七雖然是一個很簡單的圖但是幾乎所有對策的觀念和方法就隱含在這圖里面一旦噪聲改不下來時就要去想問題在哪邊在產(chǎn)品中哪邊是Vcm 電壓哪邊是天

27、線只要把Vcm 電壓降下來或是縮短天線的長度就可獲得適當?shù)母纳?。對信號來講是依照六的線路走而產(chǎn)品設計中所不要的高頻諧波 （ Harmonic), 就變成如圖七的走法。所有噪聲的輻射（ EMI ）就是這樣來而對電磁而受性（ EMS）則是倒過來外界環(huán)境中的噪聲從天線端接收到然后傳導到產(chǎn)品的內(nèi)部所以往往在處理 EMS 的對策是和處理 EMI 相同。解釋了這幺多或許有的人還是有些模糊所以我們再用一個簡單的燈泡例子來說明在圖八中是一個電池跟一個燈泡中間是由導線來連接。？以上圖來說電流的路徑就相當于一般所謂的異模它沿著一定的路徑走也就是沿著導線走因此燈泡才能發(fā)光而熱流的路徑就相當于一般所謂的共模其并沒有一

28、定的路徑但是會分布在整個線路和基座上都存在也就是對電流而言只會存在導線中不會存在燈泡的基座上但是熱流則會存在燈泡的基座和導線上。熱流怎幺來的呢就是燈泡發(fā)光后所產(chǎn)生而造成這一點和實際電子產(chǎn)品的運作很像能使 IC 工作的是時脈信號這就像是燈泡發(fā)亮的電流路徑而整個熱流就像是電子產(chǎn)品中的共模噪聲伴隨時脈信號而產(chǎn)生。所以在對策時異模噪聲的問題往往很容易處理只要找出噪聲是哪一條線很快就能獲得改善一般可以用去耦合電容使其回路減小即可若因為產(chǎn)品功能問題而不能使用電容則可以改用屏蔽線或是從理線或整線上去處理盡量使走線的面積變小并且避開一些高頻能量強的組件。但是在修改共模噪聲時很多對策或設計（ R&D) 工程師會很迷惑有時把某處的接地改善后噪聲卻跑到別處去也就是噪聲會在機器內(nèi)跑來跑去把這