更好的 EMC 標準設計指南

EMC衡量的是設備在其共用操作環境中按預期運作的能力，同時不影響同一環境中其他設備如預期運作的能力。評估設備在暴露於電磁能量時的反應是 EMC 測試的一部分，稱為抗擾度（或敏感度）測試。測量設備內部電氣系統產生的 EMI 量（稱為輻射測試）是 EMC 測試的另一部分。

EMC 的兩個面向在任何系統中都是重要的設計和工程考量。未能正確預測設備的 EMC 性能可能會帶來許多負面後果，包括防護風險、產品故障和資料遺失。因此，各種 EMC 和 EMI 測試設備應運而生，旨在幫助工程師更清楚地了解設備在實際條件下的運作。

EMC 的重要性：確保設備在運作時不受其他設備的干擾，且本身不會造成乾擾。

不斷增長的需求：隨著設備的複雜性和互連性不斷增加，EMC 對於合規性和功能性至關重要。

1.什麼是EMC？

EMC 代表電磁相容性 (Electromagnetic Compatibility)。市場上銷售的所有電子設備/機器都必須符合 EMC 標準，這意味著它必須符合產品預期用途的 EMC 法規和標準。哪些 EMC 法規和標準適用於哪些產品，由產品銷售的國家/地區（例如歐盟或美國等）定義。

符合 EMC 規範的產品必須符合以下一項或多項要求：

◦不會幹擾其環境中的其他設備/機器（發射）。

◦不會受到周圍環境中其他設備/機器的干擾（免疫）。

◦不會因靜電放電 (ESD)事件而受到干擾或破壞。

◦不會被電磁脈衝（EMP）擾亂或摧毀。

在此背景下，還有一點需要補充：產品不應幹擾自身。這裡指的並非電磁相容 (EMC)，而是訊號完整性。然而，訊號完整性和電磁相容 (EMC) 往往是相輔相成的。

2. EMC 與 EMI：

EMI 代表電磁幹擾 (Electromagnetic Interference)，常與 EMC 混淆。 EMI 指的是電子設備/機器 A 對位於其周圍的電子設備/機器 B 造成乾擾。

EMC 和 EMI 有什麼區別？現在，符合 EMC 要求的產品在開發過程中必須進行 EMI 測試。符合 EMC 要求的產品不會再出現 EMI。這是因為符合 EMC 要求的產品已證明其電磁抗擾度足夠高，電磁輻射足夠低，能夠在預定環境中無縫工作。

3.EMC合規性：

EMC 合規性是指電子或機電產品符合其銷售國家的法律、指示和法規。首先，每個國家的政府都會頒佈各自的 EMC 法規（法律、指令）。而這些國家的法規通常指的是多國法規（例如，歐盟國家指的是EMC 指令2014/30/EU）。

其次，政府通常會建立、任命或選擇組織、委員會或委員會，負責制定適用的EMC標準。這些組織或委員會制定適用的EMC標準，以確保通過適用EMC標準中定義的測試的產品符合EMC法規（法律、指示）。

4.什麼是EMC標準？

1）什麼是EMC標準？

EMC 標準和規範定義了 EMC 的術語、規則和測試方法。此外，它們還規定了機電和電子產品的電磁輻射和抗擾度的限值和最低測試水平。

2）為什麼需要EMC標準？

EMC 標準透過定義測試方法、測試設備和測試環境，使測量結果具有可比性和可重複性。最重要的是，EMC 標準旨在實現 EMC 測試的協調一致，在最佳情況下，實現全球協調。這可以降低貿易壁壘，對社會最重要的影響是：協調一致的 EMC 標準有助於促進全球繁榮和財富。

3) 誰制定 EMC 標準？

EMC 中的規範和標準由公認的國際和國家或地區組織定義和措辭（例如，歐盟將 EMC 標準的措辭委託給 CENELEC，或行政和/或監管機構自己措辭 EMC 標準和法規）。

4）EMC標準有哪些類型？

EMC 標準可分為以下類別或類型：

基礎 EMC 出版品：基礎 EMC 出版品規定了 EMC 測試的條款和條件，定義了實現電磁相容性所需的規則，並指定了測試方法（測試技術、測試設定、測試設備和環境）等。基礎 EMC 出版品是其他 EMC 標準（EMC 產品標準、一般 EMC 標準等）所參考的 EMC 標準。

EMC 產品標準： EMC 產品標準適用於特定產品，例如電動道路車輛或同軸電纜。

EMC 產品系列標準：EMC 產品系列標準適用於一組具有共同一般特徵、可能在相同環境中運作且具有相似應用領域的產品。

通用 EMC 標準：通用 EMC 標準適用於在特定 EMC 環境（住宅/工業）中運作的產品，這種環境中不存在特定的產品（系列）EMC 標準。

5.測量和監測EMC？

輻射測試需要使用EMI 測量設備，例如接收天線、放大器和頻譜分析儀。這些工具協同工作，可以精確測量設備產生的噪音量和類型。測試可以在開放區域測試場地或屏蔽式消音（或半消音）測試室中進行。

抗擾度（或敏感度）測試旨在確定設備耐受外部噪音源的能力。為此，需要能夠模擬和測量特定頻率電磁能量的工具。 EMC 測試設備可用於使設備承受各種頻率的電磁雜訊、類比電湧或評估設備電源的有效性。最終，設備的性質、預期用途以及相關法規要求將決定所需的測試設備類型。

6.更好的EMC標準的設計指南：

       1. 最小化環路面積

       2. 請勿分割、間斷或切割訊號返回平面Locate

       3.不要將高速電路置於連接器之間

       4. 控制訊號轉換時間

規則1：最小化環路面積

這條簡單的規則幾乎出現在每個人的EMC指南清單上，但它常常被忽略或為了其他指南而妥協。電路板設計師通常甚至不知道訊號電流的流向。數位電路設計師喜歡從電壓的角度來考慮訊號。訊號完整性和EMC工程師必須從電流的角度來考慮訊號。

每個優秀的電路設計師都應該了解關於訊號電流的兩件事。

     1. 訊號電流總是返回其源頭（即電流路徑始終為環路）

      2. 訊號電流採用阻抗最小的路徑。

在兆赫茲及更高頻率下，訊號電流路徑相對容易辨識。這是因為高頻下阻抗最小的路徑通常是電感最小的路徑，這通常是最小化環路面積的路徑。電流返迴路徑盡可能靠近輸出電流的路徑。在低頻（通常為 kHz 及以下）下，阻抗最小的路徑往往是電阻最小的路徑。低頻電流更難追踪，因為它們會擴散。重要的電流返迴路徑可能距離輸出電流路徑相對較遠。

規則2：不要分割、間斷或切斷訊號返回平面

當然，在某些情況下，可能需要在返回平面上留出合適的間隙。然而，這種情況相對罕見，通常需要控制低頻電流的流動。最安心的經驗法則是提供一個完整的平面來返回所有訊號電流。如果您預期某個低頻訊號容易受到影響或可能幹擾電路板上的電路，請使用單獨層上的走線將該電流返回到其源頭。一般來說，切勿分割、留出間隙或切斷電路板的訊號返回平面。如果您確信為了防止低頻耦合問題，必須留出間隙，請諮詢專家。不要依賴設計指南或應用筆記，也不要嘗試實施在其他人的「類似」設計中「有效」的方案。

規則3：不要將高速電路置於連接器之間

在我們實驗室審查或評估過的電路板設計中，這是最常見的問題之一。很多時候，一些簡單的電路板設計本應能夠輕鬆滿足EMC要求，無需額外成本或精力，但最終卻因為違反了這條簡單的規則而被嚴格屏蔽和濾波。

為什麼連接器的位置如此重要？在幾百兆赫茲以下的頻率下，波長約為一公尺或更長。印刷電路板本身上的任何可能的天線往往體積小，因此效率低。然而，連接到電路板的電纜或其他設備可以充當相對高效的天線。

訊號電流在走線上流動，並返回實體平面，會導致平面上任兩點之間產生微小的電壓差。這些電壓差通常與平面上的電流成正比。當所有連接器都沿著電路板的同一邊緣佈置時，它們之間的電壓往往可以忽略不計。然而，位於連接器之間的高速電路很容易在連接器之間產生幾毫伏特或更大的電位差。這些電壓可能會將電流驅動到連接的電纜上，導致產品超出輻射發射要求。

規則4：控制訊號轉換時間

時脈速度為 100 MHz 的電路板在 2 GHz 下絕對能夠滿足輻射發射要求。結構良好的數位訊號在低次諧波頻率下會具有相當大的功率，而在高次諧波頻率下則不會有太大的功率。控制高次諧波頻率下功率的最佳方法是減慢數位訊號的轉換時間。過長的轉換時間可能會導致訊號完整性和散熱問題，因此必須在這些相互衝突的要求之間達成工程上的妥協。大約為位元週期 20% 的轉換時間會產生相當美觀的波形，同時最大限度地減少串擾和輻射發射引起的問題。根據應用的不同，轉換時間可能需要大於或小於位元週期的 20%，但轉換時間不應隨意調整。

7. 控制上升和下降時間的方法:

1.使用具有可控斜率的邏輯系列。

2.將電阻器或鐵氧體與設備的輸出串聯。

3.將電容器與設備的輸出並聯。

首選方案是控制斜率邏輯，這通常是最有效的選擇，尤其是在驅動匹配終端時。然而，大多數設計精良的電路板上的大多數邏輯電路都採用電容終端。使用串聯電阻來控制這些電路的上升時間，可以讓設計人員更好地控制，而且通常成本更低。鐵氧體電感也是有效的方案，但成本更高，控制能力也比電阻差。電容實際上會增加源元件吸收的高頻電流，在大多數情況下，電容並不適合控制轉換時間。

請注意，試圖透過阻礙返迴路徑中的電流來減慢或過濾單端訊號絕對不是一個好主意。例如，切勿故意將低速走線穿過返回平面的間隙，或將鐵氧體放在地上，以濾除高頻雜訊。

8. 電路板佈局設計指南：

1）跡線：

增加走線寬度：更寬的走線會減少輻射發射。

避免 90 度角：特別是在高速應用中，以減少反射。

考慮返回電流路徑：減少輻射發射和公共阻抗耦合。

2）過孔：

在高速訊號通孔周圍添加縫合通孔：在高速訊號通孔周圍添加縫合通孔可提高接地平面的完整性並減少輻射。

3）面積：

分離關鍵區域和非關鍵區域：高頻電路和低階類比電路至關重要。

4）接地：

直接接地路徑：確保電流回流的低阻抗和直接路徑。

使用接地層：頂層和底層的實心接地層有助於屏蔽內層。

避免分裂接地平面：防止大環路和高輻射。

填充接地：用電路接地填充 PCB 的頂層和底層，為電流提供可靠的返迴路徑，有助於減少輻射發射。

利用接地層進行屏蔽：PCB 上的實心接地層可作為屏蔽層，將雜訊訊號與敏感訊號隔離。然而，它們對電場和高頻磁場的抑制效果更佳。

5）解耦：

每個連接器引腳上的電容：用於減少輻射發射並提高傳導抗擾度。在連接器的每個引腳上添加一個電容有助於濾除不需要的訊號，並提高設備對外部幹擾的抗擾度。

結論：

電磁相容性（EMC）是電子設計中的關鍵方面，它確保設備在其預期環境中能夠有效運行，而不會引起或受到干擾。透過理解EMC的原則，包括發射和抗擾度，工程師可以設計出符合監管標準並在現實環境中可靠運作的產品。

遵循EMC標準對於減少電磁幹擾（EMI）以及確保符合國家和國際法規至關重要。適當的測試方法，如發射和抗擾度測試，有助於評估設備的性能並識別潛在的漏洞。此外，實施注重EMC的設計實踐，例如最小化迴路面積、最佳化接地策略以及控制訊號轉換時間，可顯著增強產品對電磁干擾的穩健性。

隨著電子設備不斷發展並整合到日益複雜的環境中，EMC仍然是工程師需要重點考慮的因素。透過在設計早期階段優先考慮EMC合規性，製造商可以確保產品的可靠性、獲得監管批准，並在現代電子生態系統中實現無縫運作。