01、什么是EMC?
IEC等官方定义,EMC描述为:设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,同时并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。
简言之,EMC就是电磁和谐:其他设备对我的干扰我能扛得住(EMS),同时我工作时产生的干扰也不足以影响其他设备(EMI),咱们和谐共存。
通过上述描述,可以看出EMC (ElectroMagnetic Compatibility),包括电磁抗扰EMS (ElectroMagnetic Susceptibility)和电磁发射EMI (ElectroMagnetic Interference):
▲EMS:外部干扰电平叠加在电路的正常工作电平上(引起设备正常工作状态的改变)
▲ EMI:产品正常工作时,无意中对外泄露的干扰信号图1 电磁兼容卡通示意图
02、EMC重不重要?
通常,普通的电子产品的工作电压,如USB工作电压通常是5V、芯片的VCC一般是3.3V,属于V级;
但抗扰类测试,如ESD的常用测试等级为6kV/8kV或者8kV/15kV、浪涌测试通常是1kV/2kV或者2kV/4kV,属于kV级;
而辐射类测试,如常用消费电子产品Class B的限值为40~47dBuV/m (3m),属于mV级(关于dB的运算可参考下一节)。
也就是说,对产品的EMC设计,既要保证机器能扛住比其自身工作电压高3个数量级的外部干扰,又要保证自身工作时的对外的无意发射要比自身工作电压低3个数量级!所以为了保证产品合格上市,EMC设计是研发设计过程中必须要考虑的及其重要的环节,夸张点说其难度是要纵向跨越6个数量级的。
图2 电磁兼容的“能级”
03、EMC难不难做?
上一节也说到了EMC要解决的抗扰问题基本都是kV级,而发射问题都是mV级,对于V级工作电压来说,难度都是数量级级别的。
从另一个角度来说,对于EMI中常见的辐射发射RE(Radiated Emission),通常在测试整改中经常听到某某产品RE超标几个dB,需要加措施降几个dB,那么这降几个dB为什么有时那么难整呢?当然,这个一方面是因为未找到问题根因、所加措施不合理,另一方面也是因为:降X dB有时也是数量级级别的
dB表示2个相同单位物理量的相对关系,最初是针对功率(声音强弱)进行对比,如下式:
其中,Px表示待比较目标功率,Pref为参考量。例如,一般WiFi的最大发射功率为20dBm,就是指发射功率值与单位功率值1mW(0dBm)进行比较,即最大功率是100mW。再比如,若P2=2P1,那么就可以说P2比P1高3dB(这也是常见的“-3dB是一半”说法的来源,实际指的是功率值降一半);相应的,若是高6dB就意味着P2=4P1。
因为功率与电压及电流的关系为:
所以针对电压/电平、电流、场强这类物理量,其dB公式要稍作修改,以RE测试中的场强为例:
其中,Ex表示待拟合场强值,Eref为参考场强(1uV/m,即0dBuV/m),如1V/m,即为106uV/m,拟合成dB显示就是120dBuV/m;
我们通常的RE测试的频谱图里的6dB限值线意味着此处的场强值是限值的二分之一!而一般情况下要保证3dB余量,意味着我们要保证机器在整个频段内的辐射强度要小于限值的0.7倍(√2/2);假设若某点的实际测试场强值为60dBuV/m,要把它降下来并保证有6dB的余量(假设限值为40dBuV/m),就意味着要降低26dB,就是说要将相应频点的场强降低20倍!
·另外需注意,两个dB值之间只应存在加减运算,而乘除运算无意义;而两个相同单位的dB值之间计算,得出的结果必须是dB,而不是dBm、dBuV/m(例如60dBuV/m-40dBuV/m=20dB≠20dBuV/m,读者可思考下其中的原因)
04、怎么做?
难做并不意味着没法做,找对了根因和方向,一个措施、几个器件就能降低十几个dB。如图3是某灯具产品在比创达实验室的测试数据:
图3 某灯具产品整改前CE测试数据
初始的CE测试结果显示:在174kHz频点超标0.6dB,按照第三节的dB理论,差不多就要将这个频点的辐射强度降低一倍左右,听起来很有挑战性,但通过现场分析定位,这个频点超标的原因是设备输入端口处无任何EMC防护滤波措施;因此在输入端口处加上π型滤波(如图4,其中共模电感为比创达公司器件BWMF15132P701P10A)
图4 电源输入端口所加滤波措施
加上滤波措施后效果立竿见影,174kHz频点的发射直接被去除(如图5),相当于此整改手段达到了降低36dB左右(从56dBuV降至底噪20dBuV左右),即将辐射强度减弱60倍以上!
图5 整改后CE测试数据
05、小结
1、EMC包含2方面工作:”我不影响你(EMI),我也不受你影响(EMS)”。
2、 EMC要解决的是基于V级工作电平,上可扛kV级干扰、下可控制无意发射强度至mV级。
3、 通常所说的降低多少dB时实际的干扰信号的强度已经数倍、数十倍百倍地被抑制,着实不易。
4、天下事为之则难者亦易也,针对头疼的EMC问题,重点是要找到根因:对发射类问题要找到发射源和发射路径、抗扰类问题要找到干扰源、干扰路径及被干扰的敏感负载,然后再有针对性地设计防护、滤波及屏蔽等措施。