综合详细分析电磁兼容分层

　　【前言】按照产品在电磁兼容设计时所采取的各项措施的重要性为先后，分为若干层次进行设计，并加以综合分析进行适当调整直到完善，这就是本文提出的" 电磁兼容分层与综合设计法"。可以做到电磁兼容试验一次成功。

　　人们在研发新产品时，往往急于实现产品的功能，于是沿用低频、低速时的经验，满足于利用软件将单片机、芯片和元器件连接起来，就希望实现产品功能、效能和性能，结果事与愿违，不仅只是在低水平徘徊，而且延误了宝贵的时间。

　　其实，随着集成电路时钟速率的提高，上升、下降沿速率加快，电源电压降低以及产品复杂性和密集度的提高、设计周期的不断缩短，沿用低频、低速时的经验已完全不能实现产品的功能、效能和性能。如果在产品设计的后期重新设计，则成本很高。如果延误日期，损失就更大。

　　因此，"第一时间推出产品"的设计目标，是生死攸关的竞争需要。要在第一时间实现产品规定功能、使产品效能得以充分发挥，并达到最高性能，就必须做好EMC设计。为了以最低的成本解决EMC问题，就必须在功能设计的同时，进行EMC设计，并选用正确的方法。

　　现在，产品设计的重点已从功能设计和逻辑设计，转移到EMC设计上来了。

　　进行电磁兼容设计的正确方法，应做到：标本兼治，重在治本。 就是从治理电磁兼容问题的源头出发，按重要性为先后，分为若干层次进行设计，并加以综合分析，进行适当调整，直到完善：

　　第一层为重在治本之一：有源器件的选型和印刷电路板设计

　　第二层为重在治本之二：接地设计

　　第三层为标本兼治之一：结构/屏蔽设计

　　第四层为标本兼治之二：滤波设计

　　第五层为标本兼治之三：瞬态骚扰抑制设计

　　第六层为系统级电磁兼容设计

　　并且在每一层进行接地、屏蔽和滤波的综合设计和软件抗骚扰设计。这就称为"电磁兼容分层与综合设计法"。可以做到电磁兼容试验一次成功。

　　"电磁兼容分层与综合设计法" 是本文作者在2000年5月"全国电磁兼容标准与质量认证研讨会"上，首次提出，至今已十余年。在全国推广十余年以来， 一批企业先后走出"测试修改法"导致电磁兼容试验失败的"怪圈"，做到在产品设计之初，就主动进行电磁兼容设计。而且，电磁兼容设计的投入仅需1％ （国内一般为5%至10%）。既降低了成本，又缩短了研发时间。同时，也使"电磁兼容分层与综合设计法"更加充实与完善，得到了全国许多企业和单位的认可。

　　第一层 有源器件的选型和印刷电路板设计

　　在电磁兼容问题的源头，根本上解决EMC问题，必须首先做好芯片的选型和印刷电路板设计。

　　一．有源器件的敏感度特性与发射特性

　　1. 电磁敏感度特性

　　模拟器件带内敏感度特性取决于灵敏度和带宽；带外敏感度特性用带外抑制特性表示。

　　逻辑器件带内敏感度特性取决于噪声容限或噪声抗扰度，带外敏感度特性也是用带外抑制特性表示。

　　2.电磁发射特性

　　逻辑器件是一种骚扰发射较强的最常见的宽带骚扰源。时钟波形的上升时间tr 越短，对应逻辑脉冲所占带宽越宽

　　BW=1/ptr

　　此带宽也是最高频率分量。实际辐射频率范围可能达到BW的十倍以上。通过器件手册可以查出tr的典型值。

　　人们普遍认为：在PCB设计中，需要考虑的关键问题是时钟频率，其实，时钟波形的上升时间tr才是最关键的因素。上升时间tr定义为从波形的10%处上升到90%处所需要的时间。如果在互连线的一端输入方波，要求在另一端也得到方波，则该互连线不仅必须能传输方波的基波，还必须能传输全部高次谐波，至少为15次谐波。这就是说，PCB的时钟频率并不重要，上升时间tr和需要重新产生的谐波才是最重要的。描述这个要求的词语就是带宽BW，也即最高频率分量。

　　3. △I 噪声电流、瞬态负载电流IL的产生和危害

　　当数字集成电路在加电工作时，它内部的门电路将会发生 "0"和"1"的变换，即开关状态。在变换的过程中，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，会有瞬间变化电流-浪涌电流di/dt从所接电源流入门电路，或从门电路流入地线，这个变化电流就是△I噪声的初始源，称△I噪声电流。如图1所示。

　　图1 △I噪声电流

　　设驱动线对地电容与驱动门输入电容之和为负载电容 Cs，平时被充电，其值为电源电压。驱动门由高电位翻转为低电位时Cs放电，放电电流称为瞬态负载电流：

　　IL = Cs&TImes;dv/dt

瞬态负载电流IL与△I噪声电流复合后，会产生更强的电磁骚扰发射。是阻碍实现产品规定功能、使产品效能得不到充分发挥的主要原因。由于PCB上，信号线、电源线和地线等都存在一定的引线电感L，瞬态负载