EMC/EMI详解

EMC/EMI详解

EMI（干扰）和EMS（抗扰）基础知识与整改流程

EMC主要包含两大项：EMI（干扰）和EMS（产品抗干扰和敏感度）。

EMI（Electromagnetic Interference），表示电磁干扰（电磁干涉、电磁妨碍）的术语。由于发射电磁波会导致干扰，所以经常与Emission（辐射、发射）这一术语成对使用。从开关电源方面讲，是指因开/关工作而产生开关噪声。

EMS（Electromagnetic Susceptibility），电磁敏感性，要求具备“即使受到EMI，也不会引起误动作等问题”的耐受能力，多与Immunity（耐受性、抗扰度、排除能力）成对使用。

EMI和EMS这两大项中又包括许多小项目，

EMI主要测试项：RE（产品辐射，发射）、CE（产品传导干扰）、Harmonic（谐波）、Ficker（闪烁）。其中关键测试指标CE和RE分别为传导噪声（Conducted Emission）和辐射噪声（Radiated Emission），传导噪声CE是指经由线体或PCB板布线传导的噪声，辐射噪声RE是指排放（辐射）到环境中的噪声。

EMS主要测试项：ESD（产品静电）、EFT（瞬态脉冲干扰）、DIP（电压跌落）、CS（传导抗干扰）、RS（辐射抗干扰）、Surge（雷击）、PMS（磁场抗扰）。

即：

1. EMC（电磁兼容性）是指兼备EMI和EMS两方面的性能。
2. EMI（电磁干扰）是指因辐射/排放（Emission）电磁波而对环境产生的干扰。
3. EMS（电磁敏感性）是指对电磁波干扰（EMI）的耐受性/抗扰度（Immunity）。

通过这些测试项目我们不难看出EMC测试主要围绕产品的电磁干扰和敏感度两部分，如果一旦产品不符合安全认证标准需要EMC整改的时候我们可以通过降低其材料和零部件进行整改。

EMI典型电路

EMI（Electromagnetic Interference）电磁干扰屏蔽的主要元件包括电容、磁珠（磁珠抑制作用在频带宽上比电感更佳，用磁珠替代电感作为EMI元件）、电感、共模电感、ESD器件。基本共模、差模滤波电路如下。

因此，有必要采用一些其他方法来提高传导EMI的性能。本文主要讨论的是引入输入滤波器来滤除噪声，或增加屏蔽罩来锁住噪声。

EMI滤波器示意简图

上图是一个简化的EMI滤波器，包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。

通常，DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声)，CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。

但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。

一个常用共模、差模噪声抑制、传导干扰屏蔽电路、防电磁干扰的滤波电路，该电路用于滤除电源的输入和输出的噪声（150kHz～30MHz），消减对直流稳压电源的传导干扰：

通常对于追求效率的电源来说，NTC热敏电阻几瓦的损耗始终会降低电源的转换效率，而且对于关机后在短时间内再次开机的情况，如果没有继电器，处于高温下的NTC热敏电阻将无法发挥正常作用，因此继电器与NTC在高端电源中往往是配套使用，以达到“鱼与熊掌得兼”的效果。

PC电源中的EMI滤波电路可以分为一级EMI滤波电路以及二级EMI滤波电路，也就是我们常说的“一级EMI”和“二级EMI”，其中前者一般放置在电源上的AC输入插座上，有直接把元件焊接在插座上的，也有制作成独立PCB再与插座连接的；而后者在多数是放置在PC电源的主PCB上，元件相比一级EMI滤波电路更多，同时也是电源保护系统的重要组成部分。

海韵X-650电源的一级EMI与二级EMI电路组成

当然并不是所有电源都会明显地区分“一级EMI”以及“二级EMI”，也有不少产品是把两者都整合到主PCB上的，不过目前大部分的产品还是会采用分离式的设计，这样既可以确保EMI滤波电路能够完全发挥作用，同时电源主PCB的布局也不会过于拥挤。

EMI滤波电路的典型元件

图中左侧黄色方块为X电容，右侧两个蓝色元件为Y电容，中间白色磁环线圈为共模电感

PC电源的一级EMI滤波电路主要由X电容和Y电容组成，X电容和Y电容都属于安规电容。

其中X电容并接在火线和零线之间，块头通常比较大，负责滤除差模干扰。

而Y电容则是在火线与地线之间以及零线与地线之间并接的电容，通常以成对的形式出现，负责滤除共模干扰。

大部分的PC电源在都会采用一个X电容和一对Y电容组成一级EMI滤波电路，基本上这个属于主流的标准配置。

而有部分产品会在这个基础上加入共模电感以增强EMI滤波作用，高端PC电源甚至会在这样的基础上增加接地金属罩以加强对EMI的防护效果，如海韵X-650电源就采用了类似这样的一级EMI滤波电路。

海韵X-650电源的二级EMI滤波电路组成

PC电源的二级EMI滤波电路则是在一级EMI滤波电路的基础上增添更多元件而来，除了X电容和Y电容外还会有共模电感和差模电感。共模电感(Common Mode Choke) 是拥有两个绕组的线圈，即上图中绿色磁环的电感线圈，其主要作用是抑制市电输入中的共模干扰，同时也抑制电源本身的共模干扰对外泄漏；而差模电感(Differential Mode Choke) 则是单个绕组的电感线圈，及上图中的黑色磁环线圈，其主要用于抑制市电输出中的差模干扰。

当然二级EMI滤波电路的组成往往不止如此，以海韵X-650电源的二级EMI滤波电路为例，其差模电感的旁边有一个使用热缩套包裹的两脚直插元件，被称为MOV，即金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor)，它可以抑制输入电压的尖峰，可以起到防止输入电压过高以及雷击保护的作用。

此外NTC即热敏电阻(Negative Temperature CoeffiCient Resistor)也是二级EMI滤波电路中常见的元件，就是海韵X-650电源的二级EMI电路中位于差模电感旁边、采用热缩套包裹的墨绿色元件，具有常温下高电阻、随着自身温度提升阻值迅速减小的特性，电源在刚通电的时候NTC的温度往往与室温相当，自身呈高阻值，可以限制电源主电容充电形成的冲击电流。

降低NTC影响，实现高效率电源
由于NTC本质上是一个电阻，因此其多少会形成不必要的电流消耗，从而影响电源的转换效率。不过其在电源进入正常工作后，会因为自身通电而发热，随之阻值下降，对电流的限制也会放宽，从而减少对电源效能的影响。也有部分追求高效率的电源会设法将NTC的影响降到最低，这就需要用到继电器了。

在海韵X-650电源的二级EMI滤波电路中，位于NTC隔壁的白色方块元件即为继电器。继电器一般并联在NTC热敏电阻上，在开机前处于断开状态，因此在电源通电时是NTC热敏电阻在工作;而当电源进入正常工作状态后，继电器启动并导通，从而短路NTC热敏电阻，此时NTC热敏电阻不再工作，不再消耗电流，也就不再发热，重新回到高阻态的模式下。

继电器与NTC并联的设计可以在减少电流损耗的同时也提高了PC电源的可靠性。

EMC整改意见

1、在拿到整改意见书以后，需要提前定位好EMC整改计划。没有定位好计划就去盲目的整改产品就像无头的苍蝇一样到处乱动，这样只会增加整改的成本。

2、定位手段，主要可以分为两点。第一：直觉判断，需要完全依托工程师的直觉和经验来进行判断。第二：比较测试，根据测试仪器所提供的数据来进行分析问题。

EMC整改流程

RE超标整改流程：

电线电缆超标整改流程：

信号电缆整改流程：

屏蔽体泄漏整改流程：

EMC整改的一些小建议

电容的滤波作用

即频率f越大，电容的阻抗Z越小。

当低频时，电容C由于阻抗Z比较大，有用信号可以顺利通过；

当高频时，电容C由于阻抗Z已经很小了，相当于把高频噪声短路到GND上去了。

电容滤波在何时会失效

整改中常常会使用电容这种元器件进行滤波，往往有“大电容滤低频，小电容滤高频”的说法。

以常见的表贴式MLCC陶瓷电容为例，进行等效模型如下：

容值10nF，封装0603的X7R陶瓷的模型参数如下：

由于等效模型中既有电容C，也有电感L，组成了二阶系统，就存在不稳定性。对电路回路来说，就是会发生谐振，谐振点在如下频率处：

下图是谐振曲线的示例：

即常说的在谐振点前是电容，谐振点之后就不再是电容了。

LC滤波何时使用

如果串联电感L，再并联组成C，就形成了LC滤波：

单独一个电容C是一阶系统，单独一个电感L也是一阶系统，在幅值衰减斜率是-20dB。但LC组成的二阶系统，幅值衰减斜率是-40dB，更靠近理想的“立陡”的截止频率的效果，即滤波效果更好。

PWM频率到底是多少

往往提到PWM，比如会说用20kHz PWM驱动电机等。但实际上，这个20kHz仅代表PWM的脉冲周期是50us：

那么所谓的20kHz PWM在频域上的频率点落在哪里呢，如下公式：

对于阶跃信号来说，由于上升时间tr无穷小，则频率f无穷大。当频率高了之后，寄生参数则不能在忽略，会引发很多谐振的问题。

从信号上来看，就是很陡峭的阶跃信号会有过冲和振荡的问题。简单来说就是频率f越大，则噪声所占的频率就会越宽泛，即EMC特性就会越差。

如何将原理图和PCB对应起来

由于细分工种的问题，原理图和PCB被割裂开来，由两组人进行分工作业：

例如在原理图上有如下的电路：

隐含一个问题就是在PCB上其实V1的负极和C1的负极是有一条线（PCB layout工具软件中用的词比较准确，Trace，踪迹/轨迹）。

往往在设计阶段A->B->C是都会关注的。如果EMC出现问题，除了要在原理图上查找电路参数的问题，还需要特别关注C->D，即回流路径。

如果回流路径不顺畅，会造成信号的畸变：

比如在EMC试验时，MCU的ADC采集到的信号被干扰到了，则除了在原理图上分析外，在PCB上讲该信号高亮出来，然后再耐心寻找该信号的回流路径是否有不顺畅的地方：

对着信号线头脑中想象回流路径。

总结

电容滤波
整改时最常使用到的元器件就是电容了。
当然如果干扰来自差模信号，那电容就化身差模电容，如果干扰来自共模信号，那么电容就化身共摸电容

电容会谐振
整改时需要注意电容的引线尽量短，避免谐振，且需要注意电容的另外一端的回流路径

LC滤波
当遇到CE的问题，在电源端增加铝电解电容已经没效果时，可考虑加入LC进行滤波

PWM
在有PWM信号的系统里，需要关注PWM信号波形的上升沿、是否有过冲、过冲后是否振荡过多才回到稳态等。
比如H桥驱动直流有刷电机，可在M0SFET的栅极串联电阻，用于阻尼的作用，减少PWM上升沿

回流路径
两层板以上的PCB，一般有专门的GND层，即GND是比较完整的一层，回
流路径是比较清晰的。
现实中，往往是骨感的，没有完整的GND层。需要在纷杂的走线中，想象回程的回流路径是加何的，这是个需要想象力的工作。