電磁兼容原理分析與設(shè)計技術(shù)

本書利用作者多年產(chǎn)品研發(fā)、標準審訂、測試實驗室認證評鑒、學術(shù)研究的經(jīng)驗，以EMC實務分析與根本原因及原理說明的方式納入電源完整性與信

號完整性等重要議題，并提供了仿真軟件的分析案例，供讀者練習。

本書兼顧理論與實務，模擬與量測技術(shù)并重。同時，為配合高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，本書也將IC芯片和無線通信的EMC效應與設(shè)計方案納入，因此

適合半導體、IC設(shè)計、電機電子產(chǎn)品、信息通信產(chǎn)品、車用電子產(chǎn)品等開發(fā)與制造的工程人員參考。

電磁兼容性要求是各國為確保電機電子產(chǎn)品能于其所規(guī)劃應用的環(huán)境中正常操作而制定的，是強制要求檢驗的項目，也因此成為產(chǎn)品設(shè)計與系統(tǒng)整合工程師必備的工程技術(shù)能力。

要

了解電機電子產(chǎn)品與系統(tǒng)的電磁兼容性問題與相關(guān)測試標準法規(guī)，我們先要從分析形成電磁干擾現(xiàn)象的基本要素出發(fā)，而這些要素和相關(guān)的干擾能量傳輸機制是相關(guān)測試法規(guī)與測試方法的基礎(chǔ)。由電磁干擾源發(fā)射的電磁

能量經(jīng)過耦合路徑傳輸?shù)綄﹄姶旁肼暶舾械脑O(shè)備，這個過程稱為電磁干擾效應。為了實現(xiàn)電磁兼容性的設(shè)計與各類電氣產(chǎn)品對應的驗證測試，我們必須從基本要素出發(fā)，從技術(shù)和組織兩個方面著手。所謂技術(shù)，就是從分

析電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備著手，采取有效的技術(shù)，抑制干擾源、消除或減弱干擾的耦合、降低敏感設(shè)備對干擾的回應；對人為干擾進行限制并驗證所采用技術(shù)的有效性。組織，則是制訂和遵循一套完整的標準

和規(guī)范，進行合理的頻譜分配，控制與管理頻譜的使用，依據(jù)頻率、工作時間、天線方向性等規(guī)定工作方式，分析電磁環(huán)境并選擇地域，進行電磁兼容性管理等。

電磁兼容性是電子設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一，電磁

兼容設(shè)計是實現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的功能、使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證，因此必須在設(shè)備或系統(tǒng)功能設(shè)計的同時進行電磁兼容設(shè)計。電磁兼容設(shè)計的目的是使所設(shè)計的電子設(shè)備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁

兼容，其要求是使電子設(shè)備或系統(tǒng)滿足EMC標準的規(guī)定并具有以下兩方面的能力：

 能在預期的電磁環(huán)境中正常工作，而且無效能降低或故障。

 對于該電磁環(huán)境不是一個污染源。

第1章會介紹什么是EMC、EMC的目的是什么、為什么現(xiàn)在越來越多。

第2章系統(tǒng)分析。要先知道噪聲源特性，EMC是三者互容，互容代表有很多東西存在于這里面，彼此之間是可以兼容的，所以一定會有噪聲源，

這些噪聲源我們怎么來做分析？有哪些噪聲源？這些噪聲源頻譜特性是怎樣的？要知道噪聲源的特性才有辦法做實際的設(shè)計分析，以及有了噪聲源之后，這個噪聲源是通過怎樣的耦合機制，因為EMC是一個broadband，當

它是一個寬帶的時候，會發(fā)現(xiàn)在低頻的時候是以電壓電流的方式傳送，可以通過傳輸線的方程式的概念來看；當頻率說高不高說低不低的時候，就用傳輸線的概念來看，這時候就是近場耦合；當頻率更高，波長跟開口的

結(jié)構(gòu)尺寸或傳輸線、散熱片結(jié)構(gòu)尺寸相近的時候就會產(chǎn)生共振，而共振就會產(chǎn)生輻射，所以知道有哪些是噪聲源和噪聲源的頻譜特性之后，這些噪聲源會通過怎樣的耦合機制把能量帶出去、干擾到什么東西才是EMC，所

以要做EMC的設(shè)計也從這里開始，擒賊先擒王，一開始如果能夠把噪聲源控制住，那么問題就解決了，如果控制不住，就把它的耦合路徑斷掉，比如說傳導的時候就做濾波、高頻輻射的時候就做屏蔽，頻率說高不高說低

不低的串音就用PCB的Layout來改變。

第3章分析是通過怎樣的方式才會將噪聲進行耦合傳送，以致形成電磁干擾的問題。

第4章主要介紹在電子科技發(fā)展過程中，組件的非理想特性所造成的EMC根源的接地彈跳或

電源不穩(wěn)定，進而演變?yōu)殡娫赐暾�性問題。而在目前科技產(chǎn)業(yè)要求提升通信效能與數(shù)據(jù)傳輸速度的同時，高速數(shù)字電路信號完整性（SI）問題（第5章）以及最后產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）效應與問題（第6章）是沒有辦法

避免的，因此各技術(shù)組織與各國政府才需要制訂相關(guān)的產(chǎn)品EMC標準，規(guī)范產(chǎn)品的EMC測試與管制限制，這些均在第7章中講述。既然電磁噪聲在產(chǎn)品運行過程中無法避免，在這種情況下會造成怎樣的失效而無法符合標準

要求，以及如何診斷解決，就成為第8章失效原因分析的內(nèi)容，有這么多的復雜內(nèi)容，那么知道什么才可以有對策，最后就談到累積排錯經(jīng)驗后的EMC設(shè)計技巧（第9章），如屏蔽、PCB的布局與走線、濾波技術(shù)等，以協(xié)助

工程師或產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃者能從一開始就解決EMC的問題，而不是等到上市前的認證測試發(fā)現(xiàn)問題后才開始亡羊補牢，貽誤商機。

本書雖是從實務角度出發(fā)，但為了提供完整且嚴謹?shù)睦碚撘罁?jù)，書后補充有關(guān)電磁基礎(chǔ)

理論（附錄A）和屏蔽技術(shù)原理（附錄B），以方便讀者更了解電磁兼容技術(shù)的相關(guān)理論，進而發(fā)展出屬于自己的研究與創(chuàng)新領(lǐng)域。

作 者

2016年7月

第1章 電磁兼容簡介與目的 1
1-1
電磁兼容的現(xiàn)象 2
1-2 電磁兼容的發(fā)展趨勢 7
1-3 電磁兼容面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 9
第2章 電氣系統(tǒng)的電磁兼容噪聲源分析 18
2-1 瞬時噪聲 18
2-2 切換/開關(guān)噪聲
22
2-3 數(shù)字頻率/時鐘信號與符碼信號 28
2-4 ANSYS仿真范例1：數(shù)字脈沖信號上升/下降時間對電磁干擾EMI的頻譜效應 39
第3章 電磁耦合原理分析 48
3-1 傳導耦合 51
3-2 近場
串擾耦合 54
3-2-1 電容性的噪聲干擾 57
3-2-2 電感性的噪聲干擾 60
3-2-3 電容性噪聲耦合和電感性噪聲耦合的總效應 60
3-2-4 電感與電容矩陣表達式 62
3-2-5 兩
條對稱傳輸線的奇模態(tài)和偶模態(tài)與電感和電容矩陣的關(guān)系 65
3-3 輻射耦合 68
3-4 共振耦合 71
3-5 槽孔耦合 73
第4章 電源完整性效應分析 75
4-1 電源供應網(wǎng)絡的功能與
問題 76
4-2 電源供應的架構(gòu)分析 84
4-3 電源阻抗分析 88
4-4 PCB共振效應與電源阻抗分析 93
4-5 去耦合電容對電源完整性的影響 101
4-6 電源完整性問題的效應 109
第5章 信號完整性效應分析 114
5-1 影響信號完整性的因素 117
5-2 差模信號的模態(tài)轉(zhuǎn)換噪聲分析 138
5-3 高速率串接鏈路分析 157
5-4 高速連接器信號完整性設(shè)計分析
178
5-5 ANSYS仿真范例2：傳輸線的阻抗時域反射與串擾分析 190
5-6 ANSYS仿真范例3：電路阻抗對近場串擾的效應 198
第6章 電磁干擾效應分析 206
6-1 電路布線的電磁干擾效應
207
6-2 傳輸線屏蔽結(jié)構(gòu)的電磁干擾效應 226
6-3 機構(gòu)槽孔的電磁干擾效應 233
6-4 無線通信載臺噪聲分析 237
6-4-1 移動通信裝置內(nèi)高速數(shù)字傳輸線對天線的噪聲耦合分析
237
6-4-2 LCD控制電路模塊干擾噪聲對802.11無線局域網(wǎng)絡的傳輸影響分析 242
6-5 瞬時噪聲耐受問題分析 249
6-5-1 ESD放電模型 249
6-5-2 IEC 62215-3的EFT測試配置與失效準則
251
6-6 ANSYS 仿真范例4：PCB接地平面開槽的耦合與EMI效應分析 260
6-7 ANSYS仿真范例5：PCB接地平面開槽的信號完整性SI、電源完整性PI與EMI效應分析 267
第7章 電磁兼容法規(guī)要求與量測原理
281
7-1 EMC符合性法規(guī)簡介 283
7-2 產(chǎn)品層級傳導干擾測試 286
7-3 產(chǎn)品層級輻射干擾測試 287
7-4 產(chǎn)品層級電磁耐受性測試 288
7-5 車用電子EMC測試技術(shù)發(fā)展
291
7-5-1 車用電子應用發(fā)展趨勢和相應的EMC要求 293
7-5-2 高度整合化汽車電子遭遇系統(tǒng)性問題分析 293
7-5-3 車輛零部件EMC相關(guān)標準與規(guī)范的發(fā)展 294
7-5-4 車輛零部件EMC測試
方法簡介 295
7-5-5 車輛零部件EMC測試原理簡介 296
7-5-6 Telematics車載電子通信系統(tǒng)的EMC問題趨勢與測試分析 303
7-6 集成電路（IC）層級EMC測試技術(shù) 305
7-6-1 集成電路電
磁兼容的標準化 306
7-6-2 IC-EMI量測方法簡介 307
7-6-3 車用電子及集成電路的EMC限制值簡介 310
7-6-4 異步瞬時注入法介紹 312
第8章 電磁兼容失效分析 319
8-1 電磁
兼容問題診斷技巧 320
8-2 EMC問題診斷流程 328
8-3 EMC失效原因與分析 331
8-4 射頻干擾分析與對策 349
第9章 系統(tǒng)產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計策略 357
9-1 組件的選擇 360
9-2 組件的布局 364
9-3 印刷電路板走線與設(shè)計 365
9-3-1 PCB設(shè)計技術(shù)對EMC效應改善分析 373
9-3-2 PCB設(shè)計對靜電放電（ESD）回路的效應 376
9-4 產(chǎn)品內(nèi)部纜線
與模塊的規(guī)劃 379
9-5 濾波與瞬時抑制技術(shù)分析 384
9-5-1 濾波技術(shù) 384
9-5-2 瞬時噪聲抑制技術(shù) 397
9-6 屏蔽技術(shù)分析與機殼構(gòu)裝 418
9-7 產(chǎn)品外部連接器與纜線規(guī)劃
426
9-8 噪聲預算表應用 434
9-9 ANSYS仿真范例6：去耦合電容擺放位置對降低EMI效應的分析 439
9-10 ANSYS仿真范例7：電磁屏蔽材料的屏蔽效能分析 448
附錄A 基礎(chǔ)電磁原理
453
A-1 麥克斯韋方程組 453
A-2 麥克斯韋方程組所對應的物理定律 457
A-3 邊界條件 461
A-4 均勻平面波 462
A-5 功率流與交流電阻 466
附錄B 電磁屏蔽原理分析
470
B-1 電磁屏蔽原理 470
B-2 電磁屏蔽效能定義 471
B-3 電磁屏蔽材料 472
B-4 近場電磁屏蔽 472
B-5 低頻磁場屏蔽 473
B-6 不連續(xù)性屏蔽的處置
473
B-7 多層平板屏蔽體 474

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