EMC 設計分析方法與風險評估技術

本書基於EMC測試原理，解讀一種產品EMC設計的分析方法（包括產品機械架構設計、 濾波設計、 PCB設計），該方法可以用來指導產品的EMC設計，掌握該技術的工程師可以發現實際產品EMC設計的缺陷。避免了從技術角度出發談論EMC設計而出現的過於理論化的問題，通過本書所描述的EMC分析方法可以系統地指導開發人員避免產品開發過程中所碰到的EMC問題。

同時，建立在這種產品EMC設計分析方法的基礎上利用已有的風險評估手段，形成一種產品EMC設計風險評估技術，利用EMC設計風險評估技術可以評估產品在不進行EMC測試的情況下評估產品EMC測試失敗的風險。這種分析方法和評估技術還可以與電子產品的開發流程融合在一起，通過每個步驟的EMC分析，指出產品設計的EMC風險，並給出解決方案或改進建議，以提高產品EMC測試的通過率，降低產品開發成本。大量的實踐證明，通過該方法分析而設計的產品，也同樣能在EMI測試中獲得非常高的通過率。正確使用該方法能將產品在第一輪或第二輪設計時，就通過所有的EMC測試，這種通過率在產品第一輪設計時為90％~100%之間，第二輪設計時為100％。

同時，正確使用EMC設計風險評估，將揭開產品EMC性能的黑盒，可以無需EMC測試而對產品進行EMC性能進行評價或合格評定，也可以與EMC測試結果結合對產品進行綜合的EMC評價和合格評定，也可以作為產品進行正式EMC測試之前的預評估，以降低企業研發測試成本。本書以實用為目的，內容豐富，深入淺出，通俗易懂，相信它可以作為電子產品設計部門EMC方面必備參考書，也可以作為結構工程師、電子和電氣工程師、PCB layout工程師、硬體測試工程師、品質工程師、系統工程師、EMC設計工程師、EMC測試工程師、EMC整改工程師、EMC模擬工程師及EMC顧問人員進行EMC培訓的教材或參考資料, 還可以作為大專院校相關專業師生的教學參考書。

第1章 EMC與EMC設計基礎 1
1.1 什麼是EMC和EMC設計 1
1.2 產品的EMC性能是設計賦予的 3
1.3 EMC也是常規設計準則的例外情況 4
1.4 EMC理論基礎 6
1.4.1 EMC相關基本單位 6
1.4.2 時域與頻域 7
1.4.3 電磁騷擾單位分貝（dB）的概念 9
1.4.4 正確理解分貝真正的含義 11
1.4.5 電場與磁場 12
1.4.6 電路基本元器件及其基本特性 14

第2章 EMC設計與共模電流 18
2.1 EMC測試與共模電流分析 18
2.1.1 EMC測試是EMC設計的重要依據 18
2.1.2 輻射發射測試 19
2.1.3 傳導騷擾測試 22
2.1.4 靜電放電抗擾度測試 24
2.1.4 射頻輻射電磁場的抗擾度測試 29
2.1.5 電快速瞬變脈衝群的抗擾度測試 33
2.1.7 浪湧的抗擾度測試 41
2.1.8 傳導抗擾度測試（CS）和大電流注入（BCI）測試 47
2.1.9 電壓跌落、短時中斷和電壓漸變的抗擾度測試 52
2.2 產品電路中的共模和差模信號 55
2.3 EMC測試的實質與共模電流 57
2.4 典型共模干擾在產品內部傳輸機理 58
2.5 共模干擾電流干擾電路正常工作的機理 59
2.6 數位電路的雜訊承受能力 62
2.7 EMI共模電流的產生與分析 67
2.7.1 傳導騷擾與共模電流分析 69
2.7.2 輻射發射與共模電流分析 70
2.7.3 產生共模電流輻射的條件 76

第3章 風險評估概念及EMC設計風險評估 77
3.1 風險評估定義 77
3.2 EMC風險評估的目的和EMC設計風險評估 77
3.3 EMC設計風險評估物件 78
3.4 明確環境資訊 78
3.5 EMC設計風險準則 78
3.5 EMC設計風險評估過程 79
3.5.1 概述 79
3.5.2 EMC設計風險識別 80
3.5.3 EMC設計風險分析 81
3.5.4 EMC設計風險評價 81
3.6 風險評估工具 82
3.6.1 風險指數法 82
3.6.2 風險矩陣法 82
3.6.3 層次分析法 83
3.7 風險評估報告要求 83

第4章 產品的機械構架EMC設計與接地設計 85
4.1 產品的機械構架決定共模電流路徑 85
4.4.1 產品的機械構架決定共模電流機理 85
4.1.2 EMC抗干擾測試中的共模電流與產品的機械結構結構 91
4.1.3 機械構架設計實例分析 98
4.1.4 EMI共模電流與產品的機械架構設計 100
4.1.5 相關案例分析 105
4.2 接地是決定共模電流方向與大小的*重要因數 108
4.2.1 什麼是接地與浮地 108
4.2.2 接地改變共模電流方向和大小的原理 109
4.3 電纜/連接器 在產品中的位置是決定共模電流的流向與大小的第二重要因素 110
4.3.1 EMC測試與連接器、電纜位置 110
4.3.2 EMI設計分析從連接器電纜開始 111
4.3.3 電纜引入的的EMC抗擾度問題 117
4.3.4 關注電纜的固有電阻、電容、電感對EMC的影響 118
4.3.5 敏感電路.EMI騷擾源的位置 和產品中共模電流的方向大小 119
4.4 電纜/連接器中抑制共模電流的方法 123
4.5 介面電路及其中的濾波、抑止可以改變共模電流的方向和大小 129
4.5.1 平衡電路設計 129
4.5.2 濾波器與抑制設計 130
4.6 隔離改變共模電流大小 132
4.6.1 變壓器隔離在EMC中的實質 133
4.6.2 光電耦合器隔離在EMC中的實質 140
4.6.3 繼電器隔離在EMC中的實質 146
4.6.4 使用共模扼流圈（共模電感）在EMC中的實質 147
4.7 浮地產品的共模電流與EMC分析 150
4.8 產品內部PCB板間的互連是產品EMC問題*薄弱環節 155
4.8.1 產品內部連接器與EMI 155
4.8.2 產品內部連接器與EMS 159
4.8.3 互聯電纜中的串擾分析方法 160
4.9 相關案例分析 160
4.9.1 案例分析1 160
4.9.2 案例分析2 164
4.4.3 案例分析3 166

第5章 濾波、去耦、旁路設計 171
5.1 電容 171
5.1.1 電容的自諧振 171
5.1.2 電容的並聯 175
5.1.3 X電容和Y電容 177
5.2 RC電路 177
5.2.1 RC微分電路 177
5.2.2 RC耦合電路 178
5.2.3 RC積分電路 180
5.3 再談LC電路 182
5.4 濾波器和濾波電路的設計分析 183
5.4.1 什麼是濾波器和濾波電路 183
5.4.2 濾波效果與阻抗 185
5.4.3 電源濾波器 186
5.4.4 信號介面濾波器的設計方法 188
5.5 常用信號介面電路的濾波器或濾波電路設計原理。 192
5.5.1 滑鼠和鍵盤PS/2埠濾波器 192
5.5.2 RS232介面電路的濾波設計 192
5.5.3 RS422和RS485介面的濾波電路設計 193
5.5.4 E1/T1介面電路EMC設計 194
5.5.5 乙太網介面電路EMC設計方法 195
5.5.6 USB介面電路EMC設計 198
5.6 濾波器或濾波電路的安裝與放置 201
5.7 濾波器與共模電流 204
5.8 PCB板中的去耦設計方法 204
5.8.1 去耦的實質 204
5.8.2 去耦電容的選擇方法 206
5.8.3 去耦電容的安裝方式與PCB設計 208
5.9 電容旁路的設計方法 208

第6章　PCB EMC設計 210
6.1 什麼是阻抗 210
6.1.1 阻抗與特性阻抗 210
6.1.2 阻抗的意義 211
6.1.3 阻抗在實際PCB中的體現形式 213
6.1.4 PCB中印製線阻抗 215
6.1.5 導線的阻抗 217
6.2 PCB中地平面的設計與分析方法 219
6.2.1 完整地平面的阻抗與設計方法 219
6.2.2 過孔、裂縫及其對地平面阻抗的影響 223
6.2.3　PCB中的過孔設計技巧 230
6.3 金屬板的阻抗分析方法及在EMC中的應用 230
6.4 連接器對阻抗的影響 231
6.5 PCB設計中串擾的防止設計 231
6.5.1 串擾對產品整體EMC性能的影響原理 231
6.5.2 產品中的串擾是如何發生的 232
6.5.3 串擾模型分析 234
6.5.4 產品中串擾的防止方法 243
6.5.5　哪些信號之間需要考慮串擾問題 249
6.6　相關案例分析 250
6.6.1　連接器地阻抗引起的EMC問題案例 250
6.6.2 PCB佈線串擾引起的干擾 256

第7章　產品EMC設計分析方法 258
7.1　產品機械構架設計的EMC分析 258
7.1.1　產品機械構架設計的EMC分析原理 258
7.1.2　產品相關的EMC重要描述 259
7.1.3　估算共模電流和干擾壓降 261
7.1.4 產品的系統接地與浮地分析 262
7.1.5 局部接地、隔離與浮地分析 263
7.1.6 產品系統接地方式分析 263
7.1.7 工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連接點的位置（直接或通過Y電容接）分析 263
7.1.8 金屬板的應用情況、形狀及其分析 263
7.1.9　輸入輸出埠連接器在產品中或在電路板中的位置分析 265
7.1.10　印製電路板之間的互連、互連線和連接器處理分析 265
7.1.11 遮罩需求分析 266
7.1.12 遮罩體的設計方式分析 266
7.1.13 電纜類型及遮罩電纜遮罩層的連接方式分析 266
7.1.14 開關電源中開關管上的散熱器的處理分析 267
7.1.15 傳導騷擾與輻射發射措施額外描述 267
7.1.16 產品抗ESD干擾措施的描述 267
7.1.17 其它EMC方面的考慮 268
7.2　單板設計的EMC分析 268
7.3　電路原理圖設計的EMC分析 268
7.3.1 電路原理圖設計的EMC分析原理 268
7.3.2 電路原理圖描述 270
7.3.3 將電路原理圖進行EMC描述 270
7.3.4 電路原理圖的濾波分析 270
7.5.5 地及地平面分析 272
7.3.6 高速線的EMC分析及處理 274
7.3.7 敏感信號線的EMC分析及處理 274
7.3.8 指出並確認未使用元器件及懸空信號線並對其進行EMC處理 274
7.4 PCB佈局佈線的建議 275
7.4.1 PCB佈局佈線的建議的意義 275
7.4.2 PCB層數及各層的分配建議 275
7.4.3 GND 、AGND等地平面及VCC等電源平面在PCB層中的位置 278
7.4.4 指出敏感元器件在PCB中放置的相對位置 278
7.4.5 濾波電容等濾波器件在PCB中的相對放置 279
7.4.6 GND地平面的設計 279
7.4.7 模擬地AGND地平面的設計 279
7.4.8 VCC電源平面的設計 279
7.4.9 串擾防止的處理方式 279
7.4.10 特殊信號線的處理方式（如時鐘信號線、高速信號線、敏感信號線等） 279
7.4.11 PCB中空置區域的處理 280
7.4.12 其它建議 280
7.4.13 PCB佈局佈線示意圖 280
7.5 PCB設計審查與EMC分析 281
7.5.1 PCB設計審查的意義和任務 281
7.5.2　地平面完整性及其阻抗審查 281
7.5.3　串擾審查 282
7.5.4　去耦.旁路電容和濾波電容的審查 282
7.5.5　PCB佈局佈線文件 283

第8章　產品的防雷擊浪湧、ESD和差模EMC問題設計與分析 287
8.1 產品的防雷與防浪湧； 287
8.1.1 雷擊與浪湧定義 287
8.1.2　防雷與防浪湧設計理念 290
8.1.3　防雷電路中的元器件 292
8.1.4　交流電源口防雷電路和防浪湧電路的設計 302
8.1.5 直流電源口防雷電路和防浪湧電路的設計 304
8.1.6 信號口防雷和浪湧保護電路設計 305
8.1.7　電源防雷器的安裝 307
8.1.8 信號防雷器的接地 309
8.2　EMC中的差模干擾與騷擾. 310
8.2.1 什麼是差模：參見第二章 310
8.2.2 介面電路中的差模干擾與騷擾 310
8.2.3 PCB電路中的差模干擾與騷擾 311
8.2.4 解決電路中的差模干擾與騷擾的方法 315
8.3 ESD 316
8.3.1 ESD產生的機理 316
8.3.2 通過*緣防止ESD 316
8.3.3 通過遮罩防止ESD 317
8.3.4 通過良好的搭接與接地防止ESD 317
8.3.5 通過PCB佈局佈線防止ESD產生的電磁場感應 318
8.3.6 I/O埠的ESD 防護 319

第9章　產品EMC設計分析方法之應用實例 321
9.1　產品機械構架設計的EMC設計分析實例（抗擾度分析方法） 321
9.1.1 分析原理 321
9.1.2 產品相關的EMC重要資訊描述 322
9.1.3 估算共模電流和干擾壓降 325
9.1.4 產品的系統接地與浮地分析 326
9.1.5 局部接地、隔離與浮地分析 327
9.1.6 產品系統接地方式的分析 327
9.1.7 工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連接點的位置（直接或通過Y電容接）分析 327
9.1.8 金屬板的應用情況、形狀及其分析 328
9.1.9　輸入輸出埠連接器在產品中或在電路板中的位置分析 328
9.1.10　印製電路板之間的互連、互連線和連接器處理分析 328
9.1.11 電纜類型及遮罩電纜遮罩層的連接方式分析 329
9.1.12 遮罩需求分析 329
9.1.13 遮罩體的設計方式分析 330
9.1.14 開關電源中開關管上的散熱器的處理分析 330
9.1.15 傳導騷擾與輻射發射措施額外描述 330
9.1.16 產品抗ESD干擾措施的描述 331
9.1.17 產品其它在EMC方面的考慮 331
9.2　單板EMC設計的分析 332
9.3 電路原理圖EMC設計分析 332
9.3.1 電路原理圖EMC設計分析原理 332
9.3.2 原理圖描述 334
9.3.3 將電路原理圖進行EMC描述 334
9.3.4 電路原理圖的濾波分析 337
9.3.5 地及地平面分析 339
9.3.6 高速線的EMC分析及處理 340
9.3.7 敏感信號線的EMC分析及處理 341
9.3.8 指出並確認未使用元器件及懸空信號線並對其進行EMC處理 341
9.4 PCB設計審查與EMC分析 342
9.4.1 PCB佈局佈線的建議的意義 342
9.4.2 PCB層數及各層的分配建議 342
9.4.3 GND 、AGND等地平面及VCC等電源平面在PCB層中的位置 343
9.4.4 指出敏感元器件在PCB中放置的相對位置 343
9.4.5 濾波電容等濾波器件在PCB中的相對放置 344
9.4.6 GND平面的設計 344
9.4.7 模擬地AGND平面的設計 345
9.4.8 VCC平面的設計 345
9.4.9 串擾防止的處理方式 345
9.4.10 特殊信號線的處理方式（如時鐘信號線、高速信號線、敏感信號線等） 345
9.4.11 PCB中空置區域的處理 345
9.4.12 其它建議： 345
9.4.13 PCB佈局佈線示意圖 346
9.5　PCB設計審查 346
9.5.1 PCB設計審查的意義和任務 346
9.5.2　地平面完整性及其阻抗審查 346
9.5.3　串擾審查 348
9.5.4　去耦.旁路電容和濾波電容的審查 350
9.5.5　PCB佈局佈線文件 351
9.6 產品機械構架設計的EMC設計分析實例（EMI分析方法） 352
9.6.1　分析原理 352
9.6.2　產品相關的EMC重要機械構架描述 352
9.6.3　關於產品的系統接地、浮地與遮罩分析 355
9.6.4　局部接地、隔離與浮地 357
9.6.5　工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連接點的位置（直接或通過Y電容接） 357
9.6.6　EMC意義上的產品接地設計方式 358
9.6.7　金屬板對EMC的意義 及形狀和互聯要求 358
9.6.8　輸入輸出埠連接器在產品中或在電路板中的位置 359
9.6.9　互聯與電路板之間得排線和連接器處理. 360
9.6.10　電纜類型及遮罩電纜遮罩層的連接方式 360
9.6.11　開關電源的要求 361

第10章　產品EMC設計風險評估技術 362
10.1　EMC設計風險評估原則和依據 363
10.2　產品EMC設計風險評估概念 363
10.3　EMC設計風險評估基礎機理和模型 364
10.3.1　產品機械構架EMC設計風險評估機理和理想模型 364
10.3.2　產品PCB設計EMC風險評估機理 367
10.3.3 PCB EMC設計的理想模型 368
10.4　EMC設計評估要素風險影響程度等級與風險分類 373
10.5　EMC設計風險等級 375
10.6　EMC設計風險評估步驟 376
10.7　EMC設計風險評估識別 376
10.7.1　概述 376
10.7.2　產品機械構架EMC設計風險識別 377
10.7.3　產品PCBEMC設計風險識別 378
10.8　EMC設計風險分析 379
10.8.1　產品機械構架EMC設計風險分析 379
10.8.2 PCB設計的EMC風險分析 384
10.9　EMC設計風險評價 390
10.9.1　風險指數法 390
10.9.2　EMC設計風險評價計算和風險等級確定 390

第11章　EMC設計風險管理與產品研發 393
11.1　EMC設計技術與管理的發展與現狀 393
11.2　EMC風險管理定義 395
11.3　EMC風險管理的重要性 395
11.4　EMC 風險管理原則 396
11.5 EMC設計風險管理過程 397
11.5.1　EMC專家 397
11.5.2　產品的EMC測試計畫制定 397
11.5.3　產品EMC設計風險評估法融入到企業產品開發流程 399
11.5.4　EMC風險應對 400
11.5.5　監督和檢查 401
11.5.6　溝通和記錄 401

　　鄭軍奇

知名EMC專家，長期從事EMC理論與工程研究，具備豐富的EMC實踐和工程經驗。他是“EMC設計風險評估法”的創始人，多項國家EMC標準的主要起草人，“EMC設計風險評估法”將產品的EMC設計提升到了方法論階段，被廣大企業的研發部門所採納。他又是專業的EMC講師及高校特聘教授，具有數百場EMC培訓經驗，受到企業與學員的高度評價，是中國EMC工程應用領域培訓領跑者。同時，他也是： ? CISPR(國際無線電干擾特別委員會)副主席；全國無線電干擾與標準化技術委員會秘書長；工信部國家資訊技術緊缺人才認證（NITE）講師。

　　出版EMC專著:《電磁相容（EMC）測試與案例分析》；《電子產品設計EMC風險評估》。