電磁兼容整改這個(gè)事說大不大說小不小。很多硬件工程師在原理圖階段覺得一切盡在掌握PCB走線順了、電源紋波壓住了、信號(hào)眼圖也漂亮結(jié)果一進(jìn)暗室做輻射發(fā)射測(cè)試曲線在某個(gè)頻點(diǎn)直接翹起來整整改改折騰兩三周。我做了這些年經(jīng)手的整改案子從消費(fèi)電子到工業(yè)控制板都有踩過的坑比走過的路還多。這篇就把我在電磁兼容整改上的一些實(shí)戰(zhàn)心得攤開來講從問題定位到具體手段盡量說透。1. 整改之前先搞清楚你面對(duì)的到底是哪類問題1.1 電磁兼容測(cè)試的幾大項(xiàng)目與整改優(yōu)先級(jí)很多人一上來就說“EMC過不了”但EMC是個(gè)統(tǒng)稱底下分好幾項(xiàng)。常見的測(cè)試項(xiàng)目包括輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度、靜電放電、電快速瞬變脈沖群、浪涌等。不同項(xiàng)目不過整改思路完全不一樣。輻射發(fā)射超標(biāo)是最常見的通常在30MHz到1GHz這個(gè)頻段出問題。傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)一般集中在150kHz到30MHz跟電源端口的關(guān)系最大。靜電放電和脈沖群屬于抗擾度范疇問題往往出在接口防護(hù)和地平面設(shè)計(jì)上。我的經(jīng)驗(yàn)是先看測(cè)試報(bào)告里具體是哪個(gè)項(xiàng)目、哪個(gè)頻點(diǎn)、超標(biāo)多少dB。超3dB以內(nèi)和超10dB以上整改難度天差地別。超得少的可能一個(gè)磁珠、一個(gè)電容就壓下去了超得多的往往要?jiǎng)咏Y(jié)構(gòu)或者重新規(guī)劃地平面。1.2 從頻譜曲線反推噪聲源的基本邏輯拿到測(cè)試曲線第一件事是判斷這是窄帶噪聲還是寬帶噪聲。窄帶噪聲在曲線上表現(xiàn)為一根根尖峰通常來自晶振、時(shí)鐘線、開關(guān)電源的開關(guān)頻率及其諧波。寬帶噪聲表現(xiàn)為整體抬升的包絡(luò)多半來自高速數(shù)字信號(hào)的邊沿或者電源的開關(guān)振鈴。舉個(gè)例子如果尖峰出現(xiàn)在25MHz、50MHz、75MHz這樣等間隔排列的位置基本可以鎖定是25MHz時(shí)鐘的諧波。如果是125MHz、250MHz、375MHz那就去找125MHz的時(shí)鐘源。這個(gè)判斷方法看著簡單但實(shí)際整改中能幫你省掉大量盲試的時(shí)間。還有一點(diǎn)近場(chǎng)探頭配合頻譜分析儀在板子上掃一圈能快速定位噪聲是從哪顆芯片、哪條走線出來的。這個(gè)步驟千萬別省比憑感覺換電容高效得多。1.3 整改前必須確認(rèn)的幾件事在動(dòng)手改板之前有幾個(gè)信息必須確認(rèn)清楚。第一測(cè)試時(shí)的線纜布置和負(fù)載狀態(tài)是否和正式認(rèn)證一致有時(shí)候輔助設(shè)備的擺放位置變了曲線能差好幾個(gè)dB。第二測(cè)試報(bào)告里的余量要求是多少有些產(chǎn)品要求留3dB余量有些留6dB這直接影響你的整改目標(biāo)。第三板子的版本和測(cè)試時(shí)的版本是否一致我見過拿舊版板子測(cè)試、拿新版板子整改的烏龍。注意整改前一定要保留原始測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)照片后續(xù)對(duì)比整改效果時(shí)這些是唯一的基準(zhǔn)。2. 輻射發(fā)射超標(biāo)的常見根因與針對(duì)性手段2.1 時(shí)鐘與高速信號(hào)線的處理思路時(shí)鐘線是輻射發(fā)射的頭號(hào)嫌疑犯。一條沒處理好的時(shí)鐘線能讓整個(gè)板子的輻射曲線在諧波頻點(diǎn)集體起飛。處理手段分幾個(gè)層次。最基礎(chǔ)的是在時(shí)鐘源輸出端串一顆電阻通常22Ω到33Ω目的是減緩邊沿速率。邊沿越陡高頻諧波能量越強(qiáng)串阻之后上升沿變緩高頻分量自然下降。這個(gè)電阻的位置很關(guān)鍵必須盡量靠近時(shí)鐘芯片的輸出引腳放在走線中間效果會(huì)打折扣。再進(jìn)一步是在時(shí)鐘線上并聯(lián)電容到地容量一般選10pF到33pF。但要注意電容太大會(huì)影響信號(hào)完整性導(dǎo)致時(shí)鐘波形失真。我一般先用小容量試看頻譜改善情況再?zèng)Q定是否加大。如果時(shí)鐘線要經(jīng)過連接器或者排線那就要考慮在連接器附近加共模扼流圈。共模扼流圈對(duì)差分信號(hào)沒影響但對(duì)共模噪聲呈現(xiàn)高阻抗能有效抑制線纜上的共模電流。2.2 開關(guān)電源噪聲的抑制策略開關(guān)電源的輻射噪聲主要集中在開關(guān)頻率及其諧波上。比如一個(gè)500kHz的開關(guān)電源它的諧波會(huì)一直延伸到幾十MHz甚至上百M(fèi)Hz。輸入端加π型濾波是最常規(guī)的做法但電容的選擇有講究。電解電容對(duì)高頻噪聲基本沒效果必須搭配陶瓷電容使用。我通常會(huì)在電源輸入端口放一顆100nF到1μF的陶瓷電容再并一顆10μF左右的電容覆蓋不同頻段。開關(guān)節(jié)點(diǎn)是輻射的重災(zāi)區(qū)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)的銅皮面積要盡量小走線要短而粗。有些設(shè)計(jì)為了散熱把開關(guān)節(jié)點(diǎn)的銅皮鋪得很大結(jié)果輻射直接超標(biāo)。如果實(shí)在壓不下去可以考慮在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上加RC吸收電路電阻一般選幾歐姆到十幾歐姆電容選幾百pF到1nF。電感的選型也很關(guān)鍵。屏蔽電感比非屏蔽電感的輻射低很多如果空間允許優(yōu)先選屏蔽型。另外電感的自諧振頻率要高于你關(guān)心的頻段否則它在高頻下會(huì)變成電容濾波效果大打折扣。2.3 地平面設(shè)計(jì)與共模電流的關(guān)系很多輻射問題歸根結(jié)底是地平面不完整導(dǎo)致的。地平面被分割、被走線切斷回流路徑被迫繞遠(yuǎn)形成大的環(huán)路面積等效于一個(gè)環(huán)形天線輻射效率非常高。我的做法是在多層板中至少保證一層完整的地平面不做任何分割。所有信號(hào)的回流都通過最近的過孔回到地平面避免跨分割走線。如果是兩層板地平面的完整性很難保證那就盡量讓地線走成網(wǎng)格狀減小回流路徑的阻抗。共模電流是線纜輻射的元兇。當(dāng)板子上的共模電壓驅(qū)動(dòng)線纜時(shí)線纜就像一根天線往外輻射。解決辦法是在接口處加共模扼流圈或者用屏蔽線纜并把屏蔽層良好接地。還有一種方法是降低板子上的共模電壓比如改善地的阻抗、增加去耦電容等。2.4 結(jié)構(gòu)屏蔽與吸波材料的輔助作用當(dāng)PCB層面的手段用盡輻射還是壓不下去就要考慮結(jié)構(gòu)層面的措施了。導(dǎo)電泡棉、導(dǎo)電布、金屬屏蔽罩都是常見的選擇。屏蔽罩的接地很關(guān)鍵接地不良的屏蔽罩反而可能成為輻射的二次源。吸波材料在特定場(chǎng)景下很有效比如腔體諧振或者窄帶尖峰。吸波材料貼在腔體內(nèi)壁或者芯片上方能把電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱量耗散掉。但吸波材料成本較高而且對(duì)低頻效果有限一般作為最后的手段。整改手段適用場(chǎng)景典型效果注意事項(xiàng)串阻時(shí)鐘線、高速信號(hào)線高頻諧波下降3-6dB阻值不宜過大影響信號(hào)質(zhì)量共模扼流圈線纜接口共模噪聲下降6-10dB注意額定電流和阻抗匹配屏蔽罩強(qiáng)輻射源整體下降10dB以上接地必須良好吸波材料腔體諧振、窄帶尖峰特定頻點(diǎn)下降3-6dB成本高低頻效果差RC吸收開關(guān)節(jié)點(diǎn)高頻振鈴下降電阻電容參數(shù)需調(diào)試3. 傳導(dǎo)發(fā)射與抗擾度問題的整改差異3.1 傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的濾波與接地處理傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試的是電源端口和信號(hào)端口上的噪聲電壓。超標(biāo)的原因通常是電源的開關(guān)噪聲通過輸入線傳導(dǎo)出去或者數(shù)字電路的噪聲通過地線耦合到電源端口。電源端口的整改核心是濾波。除了前面提到的π型濾波還可以考慮加共模電感。共模電感對(duì)共模噪聲有很好的抑制效果但對(duì)差模噪聲效果有限。如果差模噪聲也超標(biāo)那就需要差模電感或者增大X電容。接地方面Y電容是傳導(dǎo)發(fā)射整改的利器。Y電容接在火線和地之間、零線和地之間為共模噪聲提供低阻抗回流路徑。但Y電容的容量受安規(guī)限制一般不能超過幾nF否則漏電流會(huì)超標(biāo)。提示Y電容的選型必須考慮安規(guī)認(rèn)證要求不同地區(qū)的漏電流限值不同整改時(shí)別只顧著壓噪聲而忽略了安規(guī)。3.2 靜電放電與脈沖群抗擾度的防護(hù)設(shè)計(jì)靜電放電不過通常是接口或者縫隙處沒有做好防護(hù)。TVS管是最常用的防護(hù)器件響應(yīng)速度快、鉗位電壓低。但TVS管的選型要注意結(jié)電容高速信號(hào)線上要選低結(jié)電容的型號(hào)否則會(huì)影響信號(hào)完整性。脈沖群抗擾度不過往往跟電源和信號(hào)線的濾波有關(guān)。脈沖群是一連串快速瞬變頻譜很寬從幾百kHz到幾十MHz都有。鐵氧體磁環(huán)對(duì)脈沖群有不錯(cuò)的抑制效果套在電纜上就能看到改善。還有一個(gè)容易被忽略的點(diǎn)是復(fù)位電路和看門狗電路。脈沖群干擾可能導(dǎo)致MCU復(fù)位或者死機(jī)如果復(fù)位電路沒有做好濾波問題會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。我一般會(huì)在復(fù)位引腳上加RC濾波電阻10kΩ、電容100nF效果比較穩(wěn)。3.3 接口電路防護(hù)器件的選型經(jīng)驗(yàn)接口防護(hù)器件的選型我總結(jié)了幾條經(jīng)驗(yàn)。第一TVS管的鉗位電壓要低于被保護(hù)芯片的絕對(duì)最大額定電壓否則保護(hù)等于沒保護(hù)。第二TVS管的響應(yīng)時(shí)間要快ns級(jí)別的才靠譜。第三防護(hù)器件的布局要盡量靠近接口走線要短否則寄生電感會(huì)削弱防護(hù)效果。對(duì)于RJ45這類網(wǎng)絡(luò)接口防護(hù)電路通常包括共模扼流圈、TVS管和隔離變壓器。共模扼流圈抑制共模噪聲TVS管鉗位浪涌電壓隔離變壓器提供電氣隔離。這三者配合好了網(wǎng)絡(luò)接口的EMC問題基本能搞定。4. 整改實(shí)操中的幾個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)與避坑經(jīng)驗(yàn)4.1 電容選型與布局的常見誤區(qū)去耦電容的選型不是容量越大越好。大容量電容的等效串聯(lián)電感也大高頻下阻抗反而高。正確的做法是大容量和小容量搭配使用比如10μF和100nF并聯(lián)覆蓋低頻和高頻。布局上去耦電容要盡量靠近芯片的電源引腳走線要短而粗。我見過把電容放在芯片背面、通過過孔連接的效果也還可以但過孔的電感要盡量小多打幾個(gè)過孔并聯(lián)。還有一個(gè)誤區(qū)是只在電源入口放電容芯片附近不放。電源入口的電容負(fù)責(zé)濾除來自電源的噪聲芯片附近的電容負(fù)責(zé)濾除芯片自身產(chǎn)生的噪聲兩者分工不同不能互相替代。4.2 磁珠使用不當(dāng)反而引入新問題磁珠在EMC整改中用得很多但用不好會(huì)引入新問題。磁珠的阻抗隨頻率變化低頻時(shí)阻抗很低高頻時(shí)阻抗高。如果在低頻信號(hào)線上用磁珠可能對(duì)信號(hào)沒有影響但在高頻信號(hào)線上用可能造成信號(hào)衰減。另外磁珠的額定電流要留足余量。電流超過額定值后磁珠會(huì)飽和阻抗急劇下降濾波效果消失。我一般會(huì)選額定電流至少是實(shí)際電流兩倍的磁珠。磁珠的位置也有講究。放在噪聲源附近可以抑制噪聲往外傳播放在敏感器件附近可以阻擋外部噪聲進(jìn)入。具體放哪里取決于你的主要矛盾是什么。4.3 整改驗(yàn)證的測(cè)試方法與數(shù)據(jù)對(duì)比整改之后怎么驗(yàn)證最直接的方法是重新做一次完整的EMC測(cè)試。但整改過程中不可能每次都去暗室成本太高。我的做法是先用近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀在板子上對(duì)比整改前后的噪聲水平確認(rèn)有改善之后再去暗室做正式測(cè)試。近場(chǎng)探頭測(cè)試雖然不能直接給出遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的數(shù)值但能反映噪聲的相對(duì)變化。如果某個(gè)頻點(diǎn)的近場(chǎng)噪聲下降了10dB遠(yuǎn)場(chǎng)輻射通常也會(huì)有明顯改善。數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)要注意測(cè)試條件的一致性。探頭的位置、角度、板子的工作狀態(tài)都要保持一致否則數(shù)據(jù)沒有可比性。我一般會(huì)在板子上做標(biāo)記確保每次測(cè)試探頭都放在同一個(gè)位置。4.4 從整改到設(shè)計(jì)規(guī)范的沉淀整改做完不是終點(diǎn)把整改經(jīng)驗(yàn)沉淀到設(shè)計(jì)規(guī)范里才是。我每做完一個(gè)案子都會(huì)把整改措施整理成checklist下次設(shè)計(jì)新板子的時(shí)候直接對(duì)照檢查。比如時(shí)鐘線串阻、電源入口π型濾波、接口共模扼流圈、地平面完整性檢查這些都可以提前在設(shè)計(jì)階段做好避免后期整改的反復(fù)折騰。設(shè)計(jì)階段多花一天整改階段可能省一周。還有一個(gè)建議是建立元器件庫的時(shí)候把EMC相關(guān)的參數(shù)標(biāo)注清楚比如電容的ESL、磁珠的阻抗曲線、TVS管的結(jié)電容。選型的時(shí)候直接看參數(shù)不用每次都去翻datasheet。5. 幾個(gè)典型整改案例的復(fù)盤5.1 工業(yè)控制板輻射超標(biāo)30MHz頻點(diǎn)的處理之前做過一塊工業(yè)控制板輻射發(fā)射在30MHz附近超標(biāo)6dB。用近場(chǎng)探頭一掃發(fā)現(xiàn)噪聲來自DC-DC電源模塊的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。開關(guān)頻率是300kHz30MHz正好是第100次諧波。處理方法是先在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上加RC吸收電路電阻選10Ω電容選470pF。加了之后30MHz頻點(diǎn)下降了4dB但還是超標(biāo)2dB。后來在電源輸入線上加了一顆共模扼流圈又下降了3dB最終通過了測(cè)試。這個(gè)案例說明單一手段往往不夠需要組合拳。而且整改要有耐心一步步試每次只改一個(gè)地方觀察效果這樣才能積累經(jīng)驗(yàn)。5.2 網(wǎng)絡(luò)接口脈沖群抗擾度失敗的排查過程有個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做脈沖群抗擾度測(cè)試時(shí)一打脈沖群就丟包。排查發(fā)現(xiàn)RJ45接口的防護(hù)電路里TVS管選型不對(duì)結(jié)電容太大導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降脈沖群一來就誤碼。換了低結(jié)電容的TVS管之后信號(hào)質(zhì)量恢復(fù)了但脈沖群測(cè)試還是偶爾丟包。后來在變壓器的中心抽頭加了電容到地為共模噪聲提供泄放路徑問題才徹底解決。這個(gè)案例的教訓(xùn)是防護(hù)器件的選型不能只看防護(hù)能力還要看對(duì)信號(hào)的影響。高速信號(hào)線上的防護(hù)器件結(jié)電容是必須關(guān)注的參數(shù)。5.3 從失敗到通過一次完整的整改記錄還有一次是做一款消費(fèi)類電子產(chǎn)品輻射發(fā)射在200MHz到400MHz整體超標(biāo)。這個(gè)頻段比較寬不是單一頻點(diǎn)的尖峰說明是寬帶噪聲。排查發(fā)現(xiàn)板子上的DDR內(nèi)存走線沒有做阻抗控制走線長度也不匹配導(dǎo)致信號(hào)反射和振鈴。振鈴產(chǎn)生了豐富的諧波形成了寬帶噪聲。整改方法是重新設(shè)計(jì)DDR走線控制阻抗在50Ω等長匹配并且在走線末端加端接電阻。改板之后200MHz到400MHz的噪聲整體下降了8dB順利通過測(cè)試。這個(gè)案例說明信號(hào)完整性問題和EMC問題是相通的。信號(hào)質(zhì)量不好EMC往往也會(huì)出問題。設(shè)計(jì)階段把信號(hào)完整性做好EMC整改就能省很多事。6. 日常工作中如何減少EMC整改的返工6.1 設(shè)計(jì)評(píng)審階段就把EMC納入檢查項(xiàng)很多公司的設(shè)計(jì)評(píng)審只關(guān)注功能實(shí)現(xiàn)和信號(hào)完整性EMC往往被忽略。我的建議是在評(píng)審checklist里加入EMC相關(guān)項(xiàng)比如接口防護(hù)電路是否完整、電源濾波是否到位、地平面是否完整、時(shí)鐘線是否串阻。評(píng)審的時(shí)候讓有EMC經(jīng)驗(yàn)的工程師參與提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。我見過太多案例評(píng)審時(shí)沒人提EMC做完測(cè)試超標(biāo)了再回頭改時(shí)間和成本都翻倍。6.2 預(yù)測(cè)試與近場(chǎng)掃描的日常化如果有條件建議在公司內(nèi)部搭建簡易的預(yù)測(cè)試環(huán)境。近場(chǎng)探頭加頻譜分析儀成本不高但能在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)大部分輻射問題。預(yù)測(cè)試雖然不能替代正式認(rèn)證但能幫你提前排除明顯的問題。近場(chǎng)掃描可以做成標(biāo)準(zhǔn)流程每版板子回來之后都掃一遍記錄噪聲水平的變化。時(shí)間長了你就能建立起板子噪聲的基線一旦某個(gè)頻點(diǎn)異常升高馬上就能發(fā)現(xiàn)。6.3 元器件選型與供應(yīng)商溝通的注意事項(xiàng)EMC相關(guān)的元器件選型時(shí)一定要看完整的數(shù)據(jù)手冊(cè)不能只看幾個(gè)參數(shù)。比如共模扼流圈要看它的阻抗-頻率曲線確認(rèn)在你關(guān)心的頻段內(nèi)阻抗足夠高。TVS管要看鉗位電壓和結(jié)電容兩者要兼顧。和供應(yīng)商溝通時(shí)可以直接問他們有沒有類似產(chǎn)品的EMC測(cè)試數(shù)據(jù)。有些供應(yīng)商會(huì)提供參考設(shè)計(jì)或者應(yīng)用筆記里面有很多實(shí)用的整改建議。多問一句可能省掉你幾天的調(diào)試時(shí)間。6.4 團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)共享與案例庫建設(shè)EMC整改的經(jīng)驗(yàn)很難通過文檔完全傳遞很多是手感、是直覺。但案例庫還是很有價(jià)值的。每次整改完之后把問題現(xiàn)象、排查過程、整改措施、最終效果記錄下來形成案例庫。新員工入職的時(shí)候讓他們先看案例庫了解常見的EMC問題和處理思路。遇到新問題的時(shí)候也可以翻翻案例庫看看有沒有類似的場(chǎng)景可以參考。這個(gè)習(xí)慣堅(jiān)持幾年團(tuán)隊(duì)的EMC能力會(huì)有明顯提升。說到底電磁兼容整改是個(gè)經(jīng)驗(yàn)活也是個(gè)細(xì)致活。理論懂再多不動(dòng)手試都是空的。每次整改都是一次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)把問題搞清楚、把手段用對(duì)、把經(jīng)驗(yàn)記下來下次就能少走彎路。我在實(shí)際項(xiàng)目中最大的體會(huì)是EMC問題越早介入越好設(shè)計(jì)階段花的心思整改階段都會(huì)回報(bào)給你。