什么是 EMC：发射、抗扰度与耦合路径详解

电磁兼容(EMC)是设备在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。这个定义出自国际电工词汇(IEV 161-01-07)，分为两半，实务中遇到的每一项 EMC 要求都对应其中之一。本文介绍这两半的含义、分析任何干扰问题都适用的骚扰源–耦合路径–敏感设备模型，以及产品在欧盟、美国、韩国和日本等市场销售前要经历的步骤。

发射与抗扰度：EMC 的两个方面

发射要求限制产品向外输出的东西：传导到电缆上的噪声，以及从外壳和电缆辐射出的电磁场。抗扰度要求(在亚洲市场常写作 EMS，即电磁敏感度)检查产品在受到可合理预期的骚扰时能否继续工作：用户的静电放电、附近无线电设备的射频场、负载开关产生的快速瞬变，以及雷击在电源线上引起的浪涌。产品可能通过其中一项而不通过另一项，因此两者要分别设计、分别测试。

抗扰度试验的结果不是数值而是判定。判据 A 指试验期间和试验后都在规格范围内正常工作。判据 B 允许试验期间性能暂时降低，但试验后 EUT 必须自行恢复。判据 C 允许需要操作人员干预或重新启动才能恢复的暂时功能丧失，前提是功能可以恢复。每项试验适用哪个判据由产品标准规定，但对该产品而言什么是正常工作必须由制造商定义，并且应在试验开始前写入试验计划。

骚扰源–耦合路径–敏感设备模型

每个干扰问题都有三个要素：产生骚扰的骚扰源、传递骚扰的耦合路径，以及功能受到影响的敏感设备。去除或削弱其中任何一个，问题就会消失。这个模型双向适用。在发射试验中，产品是骚扰源，接收天线或 LISN 代替敏感设备；在抗扰度试验中，试验发生器是骚扰源，产品是敏感设备。

四种耦合路径

这些效应很容易被低估。在以 10 V/ns 开关的节点旁边，只要有 1 pF 的杂散电容，边沿持续期间就会注入 10 mA。5 nH 的互感遇到 0.1 A/ns 的电流边沿会感应出 0.5 V。近场边界 λ/2π 在 100 MHz 时约为 0.48 m，因此典型外壳内部的耦合大多是电容性或电感性的近场耦合，而向试验天线辐射的通常是引出外壳的电缆。

在哪里切断链条

从骚扰源入手通常单台成本最低、效果最好：在时序允许的范围内放慢边沿，采用扩频时钟，缩小电流回路。其次是处理耦合路径：在电缆引出的边界加滤波器、屏蔽、在布局上隔离。用输入滤波、软件合理性检查和看门狗加固敏感设备对抗扰度必不可少，但对发射不合格毫无帮助。项目后期在电缆上加铁氧体夹是路径对策，往往有效，但会给每一台产品增加成本。

从设计到上市：EMC 步骤

电子产品的典型流程如下：

• 确定目标市场和产品类别。类别决定标准：多媒体和信息技术设备的发射用 CISPR 32、抗扰度用 CISPR 35，工业、科学和医疗(ISM)设备用 CISPR 11，家用电器和电动工具用 CISPR 14-1 和 CISPR 14-2，照明设备用 CISPR 15。在欧盟它们以 EN 版本出现，如 EN 55032 和 EN 55035。
• 从第一版原理图开始就考虑 EMC：地平面和叠层、每个连接器上的滤波器焊盘、外壳接缝和电缆入口。开模或认证之后再改动，代价要高得多。
• 进行预兼容检查：带近场探头的频谱分析仪、卡在电缆上的电流探头、用于传导发射的 LISN，如有条件再加一台 ESD 发生器。结果是相对值而非绝对值，所以要留出裕量；许多团队以低于限值 3 到 6 dB 为目标。
• 编写试验计划：能驱动噪声最大、最敏感功能的工作模式，电缆长度和布置，辅助设备，以及每项抗扰度试验的合格/不合格定义。
• 在获认可的实验室(ISO/IEC 17025)测试，并把报告与所测硬件和固件的确切版本一起保存。
• 完成各市场的合格评定程序，并在设计变更时保持其有效。

辐射发射限值与特定测量距离挂钩，通常为 3 m 或 10 m。预兼容测试往往在更近处测量，而用 20·log(d) 规则换算只是近似；我们关于 3 m 到 10 m 限值换算的文章解释了它何时失效。要判断很小的裕量是否真的合格，可以使用限值裕量与不确定度判定计算器。

常见误解

• “发射合格就代表 EMC 合格。”抗扰度是另一组试验，ESD 和快速瞬变试验经常发现发射试验永远看不到的固件死机。
• “EMC 是最后才测的东西。”到那时 PCB 和外壳都已定型，对策只能是铁氧体、导电衬垫和屏蔽罩，每台产品都要增加成本。
• “地就是地。”在高频下地线就是电感。按常用的经验值每毫米约 1 nH 计算，10 cm 的导线约有 100 nH，在 100 MHz 时约为 63 Ω。
• “金属外壳能解决一切。”未经滤波穿过壳壁的电缆会把噪声直接带出去，长接缝或缝隙的泄漏可能和一个开孔一样多。
• “预扫描以 1 dB 裕量通过，所以没问题。”辐射发射结果在不同布置和实验室之间通常相差几个 dB，量产产品也有离散。小裕量不是合格，而是风险。
• “一台好样机就能证明合格。”合格性适用于投放市场的每一台产品，因此元件替换、PCB 改版，甚至改变时钟或开关行为的固件更新都需要评审。