核心板應(yīng)用開發(fā)，遇到電磁兼容問題怎么辦？
為了減少開發(fā)成本、降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間，在工業(yè)、交通、醫(yī)療、儀器、能源和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，嵌入式核心板得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)內(nèi)嵌核心板的整機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)電磁兼容性問題，該怎么辦？本文教你如何分析定位并有效地解決問題。
按照GJB 72A-2002《電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語》的定義，電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）是指“設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括以下兩個(gè)方面：
1)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；
2)設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會(huì)給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾。
綜上所述，EMC通常包含以下兩個(gè)方面的要求：
1)電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI），是指任何可能中斷、阻礙、甚至降低、限值無線電通信或其他電氣電子設(shè)備性能的傳導(dǎo)或輻射的電磁能量。根據(jù)電磁能量的傳遞途徑，可分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。常見的EMI試驗(yàn)項(xiàng)目如下：
表1 常見EMI試驗(yàn)項(xiàng)目
| EMI試驗(yàn)項(xiàng)目 相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) | 相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) |
|---|---|
| 電源線及信號(hào)線傳導(dǎo)騷擾（CE） | CISPR 16, GB/T 6113 |
| 輻射騷擾（RE） | |
| 諧波電流（Harmonic） | IEC61000-3-2, GB 17625.1 |
| 電壓波動(dòng)和閃爍（Fluctuation and Flicker） | IEC61000-3-3, GB 17625.2 |
2)電磁敏感性（Electro Magnetic Susceptibility，EMS），是指設(shè)備、器件或系統(tǒng)因電磁干擾可能導(dǎo)致工作性能降級(jí)的特性。常見的EMS試驗(yàn)項(xiàng)目如下：
表2 常見EMS試驗(yàn)項(xiàng)目
| EMS測(cè)試項(xiàng)目 | 相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) |
|---|---|
| 靜電放電抗擾度（ESD） | IEC61000-4-2, GB/T17626.2 |
| 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)（RS） | IEC61000-4-3, GB/T17626.3 |
| 電快速瞬變脈沖群抗擾度（EFT/B） | IEC61000-4-4, GB/T17626.4 |
| 雷擊（浪涌）抗擾度（SURGE） | IEC61000-4-5, GB/T17626.5 |
| 射頻感應(yīng)場(chǎng)傳導(dǎo)抗擾度（CS） | IEC61000-4-6 , GB/T17626.6 |
| 工頻磁場(chǎng)抗擾度（PFM） | IEC61000-4-8, GB/T17626.8 |
| 電壓跌落與中斷（DIP） | IEC61000-4-11, GB/T17626.11 |
內(nèi)嵌核心板的產(chǎn)品，常見的電磁兼容性問題如下：
表3 內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品的常見EMC問題
| 電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目 | 常見的EMC問題 |
|---|---|
| 電源線及信號(hào)線傳導(dǎo)騷擾（CE） | 電源線或信號(hào)線的傳導(dǎo)騷擾出現(xiàn)超標(biāo) |
| 輻射騷擾（RE） | 整機(jī)輻射騷擾出現(xiàn)超標(biāo) |
| 靜電放電抗擾度（ESD） | 系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)、復(fù)位，液晶顯示閃爍或花屏，通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或中斷，測(cè)量數(shù)據(jù)跳變或錯(cuò)誤，按鍵及LED指示燈誤動(dòng)作 |
| 電快速瞬變脈沖群抗擾度（EFT/B） | |
| 射頻感應(yīng)場(chǎng)傳導(dǎo)抗擾度（CS） | |
| 雷擊（浪涌）抗擾度（SURGE） | 電源接口損壞短路，通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、中斷或通信接口損壞 |
對(duì)于電磁兼容問題，就發(fā)生機(jī)理而言，離不開 干擾源、傳播路徑和敏感源 這三個(gè)方面，無論是EMI電磁干擾問題還是EMS電磁抗擾問題，抓住這三個(gè)方面進(jìn)行分析，望聞問切，再輔以針對(duì)性的有效措施，即可藥到病除。電磁兼容問題的診斷及整改，可以分為三大步驟：
問題現(xiàn)象及描述、分析及根因定位、整改及效果驗(yàn)證。
下面就以某型號(hào)內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品的EMI輻射超標(biāo)作為案例，對(duì)上述三個(gè)步驟進(jìn)行說明，而對(duì)于EMS電磁抗擾問題的診斷及整改，也是可觸類旁通，大家可舉一反三。
4.1問題現(xiàn)象及描述（步驟1）
對(duì)于EMI電磁干擾問題，重點(diǎn)抓住4個(gè)方面進(jìn)行描述：
1）依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；
2）超標(biāo)的頻點(diǎn)或頻段；
3）超出標(biāo)準(zhǔn)限值多少；
4）試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品的工作狀態(tài)和配置。
對(duì)于EMS電磁抗擾問題，抓住以下4個(gè)方面進(jìn)行描述：
1）依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；
2）產(chǎn)品異常時(shí)的試驗(yàn)等級(jí)；
3）產(chǎn)品的異?，F(xiàn)象，及其相應(yīng)的干擾位置；
4）試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品的工作狀態(tài)和配置。
無論是EMI電磁干擾還是EMS電磁抗擾問題，這里都特別強(qiáng)調(diào)對(duì)于產(chǎn)品工作狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配置的確切描述。所有這些描述，務(wù)必客觀真實(shí)，描述得越清楚和細(xì)致，對(duì)后面的問題分析和根因定位就越有幫助。產(chǎn)品工作狀態(tài)，涉及比如電源輸出是否滿載，具體產(chǎn)品中有哪些通信、系統(tǒng)內(nèi)部框圖等；現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)配置，涉及比如采用直流還是交流供電，是否外接適配器，是否有連接外部通信線纜，線纜的長(zhǎng)度，接地情況，產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)框圖等。
4.2分析及根因定位（步驟2）
對(duì)于EMC問題分析和根因定位，就類似于查案一樣，抽絲剝繭，探求真相。下面分別對(duì)于EMI和EMS的問題分析及根因定位給出一些方法。
對(duì)于EMI電磁干擾問題的定位，總體思路是：化整為零，逐步逼近。通常有以下兩種方法：
1）排除法：若產(chǎn)品為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，就可以采用化整為零，逐步逼近的方法，比如將產(chǎn)品的各個(gè)部分逐一關(guān)閉或撤除（譬如將液晶顯示屏及排線拔掉、將外部通信線纜拔掉、將原有的開關(guān)電源適配器采用線性穩(wěn)壓電源或電池供電、用軟件屏蔽某些信號(hào)源的輸出等），僅保留最小系統(tǒng)工作，先看看最小系統(tǒng)是否能夠滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。如果最小系統(tǒng)的EMI沒有問題，我們?cè)僦鹨淮蜷_或恢復(fù)去掉的部分，對(duì)比前后試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)別，以便定位EMI的主要源頭或路徑。
復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)的EMI問題分析及定位，通常適合在電波暗室（企業(yè)自建，或者找其他企業(yè)或第三方機(jī)構(gòu)租用）中進(jìn)行，可以一邊分析定位，一邊進(jìn)行整改及效果驗(yàn)證。
2）近場(chǎng)掃描法：如果企業(yè)沒有自建電波暗室，也不方便租用電波暗室，可以采用近場(chǎng)掃描的方法，需要用到頻譜分析儀（或者帶頻譜分析功能的示波器）和近場(chǎng)探頭等附件。
通過對(duì)產(chǎn)品整體或局部進(jìn)行輻射電磁場(chǎng)的近場(chǎng)掃描，可以初步確定風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域或位置，甚至直接定位到EMI干擾的主要源頭。實(shí)施針對(duì)性的整改后，再次進(jìn)行近場(chǎng)掃描，并進(jìn)行整改前后的結(jié)果對(duì)比，如果整改后有較為明顯的改善（比如超標(biāo)頻點(diǎn)的幅值下降很多或者幾乎消除），我們就可以去電波暗室做進(jìn)一步的測(cè)量驗(yàn)證。
關(guān)于近場(chǎng)掃描，這里需要說清楚幾點(diǎn)：
——近場(chǎng)掃描屬于定性測(cè)量，通過監(jiān)測(cè)產(chǎn)品輻射的頻點(diǎn)以及近場(chǎng)電磁場(chǎng)強(qiáng)大小來初步判斷產(chǎn)品的輻射騷擾水平，但這并不能等同或替代電波暗室對(duì)于產(chǎn)品輻射騷擾的定量測(cè)量。
——近場(chǎng)掃描對(duì)產(chǎn)品輻射騷擾的測(cè)量區(qū)域遠(yuǎn)小于電波暗室，形象一點(diǎn)比喻，近場(chǎng)掃描是“管中窺豹”，電波暗室則是“縱觀全局，明察秋毫”。
——總之，近場(chǎng)掃描的結(jié)果僅供參考，電波暗室的測(cè)量結(jié)果才是客觀事實(shí)，不可相提并論，更加不可以兩者混為一談。
如上所述，排除法適用于輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾的定位，而近場(chǎng)掃描法通常僅適用于輻射騷擾的定位，在實(shí)際EMI問題的分析定位中，大家也可以兩種方法結(jié)合使用。
內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品的常見EMI干擾源，如下4所示。
| EMI干擾源 | 異常表現(xiàn) |
|---|---|
| DC-DC電源電路 | 在其開關(guān)頻率點(diǎn)出現(xiàn)差模干擾超標(biāo)，或者高頻段共模干擾超標(biāo) |
| 液晶驅(qū)動(dòng)電路 | 液晶時(shí)鐘及數(shù)據(jù)的基頻及倍頻輻射騷擾超標(biāo) |
| 以太網(wǎng)通信電路 | 以太網(wǎng)通信時(shí)鐘等信號(hào)的基頻及倍頻輻射騷擾超標(biāo) |
| 有源晶振電路 | 時(shí)鐘信號(hào)頻率的基頻及倍頻出現(xiàn)輻射騷擾超標(biāo) |
| 高速數(shù)字信號(hào)電路 | 高速通信數(shù)據(jù)頻率的基頻及倍頻出現(xiàn)輻射騷擾超標(biāo) |
對(duì)于EMS電磁抗擾問題的定位，主要是尋找產(chǎn)品或系統(tǒng)中對(duì)電磁干擾較為敏感的部件或電路，總體思路是：由表及里，尋根溯源。
在進(jìn)行電磁干擾敏感源的定位時(shí)，我們也可以采用排除法，化整為零，從整機(jī)到部件，由表及里，再從部件到電路，逐步逼近，尋根溯源，直至找到最終的敏感位置。
內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品中常見的EMS敏感源，如下表5所示。
表5 內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品的常見EMS敏感源
| EMS敏感源 | 異常表現(xiàn) |
|---|---|
| 復(fù)位電路 | 系統(tǒng)或功能電路出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象 |
| 時(shí)鐘電路 | 系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象或功能電路停止工作 |
| 液晶顯示電路 | 液晶顯示出現(xiàn)閃爍、白屏或花屏現(xiàn)象 |
| AD采樣電路 | 測(cè)量采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者中斷采樣 |
| 接口通信電路 | 通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤、丟幀或中斷 |
| 輸入信號(hào)電路 | 系統(tǒng)或功能電路出現(xiàn)誤動(dòng)作 |
除了上述的“干擾源”和“敏感源”，我們?cè)谶M(jìn)行EMC問題分析時(shí)還需要特別注意“傳播路徑”的影響。電磁干擾的“傳播路徑”通常分為輻射和傳導(dǎo)兩種，而“電纜”（包括互聯(lián)接口線纜、電源線纜，以及PCB上的電源及信號(hào)走線等）則是電磁干擾傳播路徑的物理媒介，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，將近90%的EMC問題是由電纜造成的，電纜是高效的電磁波接收天線和發(fā)射天線，同時(shí)也是電磁干擾傳導(dǎo)的良好通道。
對(duì)產(chǎn)品EMC問題的整改，通常有“屏蔽”、“濾波”、“接地”這三大方法，相信應(yīng)該大部分用戶已經(jīng)初步了解過，也可以自行查閱相關(guān)書籍或網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)。
這里我們主要就產(chǎn)品EMC整改過程中一些比較容易忽略的點(diǎn)進(jìn)行介紹。
“屏蔽”，是針對(duì)輻射電磁干擾進(jìn)行整改的主要方法，一般針對(duì)產(chǎn)品的電纜、結(jié)構(gòu)及孔縫進(jìn)行屏蔽。要特別注意的是，屏蔽措施一定要配合接地措施來使用，否則效果減半或毫無作用；另外，實(shí)施屏蔽措施時(shí)要做到360度的閉合搭接，不留孔縫或者等效的棒狀天線。
“濾波”，是針對(duì)傳導(dǎo)電磁干擾進(jìn)行整改的主要方法，通常需要在產(chǎn)品及其電路上額外增加濾波器件，諸如共模電感、差模電感、電容、磁珠及電阻等。一般分為疏導(dǎo)型和消耗型兩種濾波方式，疏導(dǎo)型“濾波”措施（如電容濾波）需要配合“接地”使用。需要特別注意的是，濾波措施盡量靠近干擾源或敏感源放置，以免“濾波”措施的效果大打折扣。
“接地”是“屏蔽”和“濾波”兩大措施中電磁干擾的有效疏導(dǎo)路徑。接地的方式有很多種，比如單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、電容接地、阻容接地、電感接地、磁珠接地、電阻接地等，實(shí)際的產(chǎn)品或系統(tǒng)中，適合采取哪種接地方式，需要看屬于哪個(gè)類型的地（如大地、安全地、數(shù)字地、模擬地、功率地等），一個(gè)接地方式，一個(gè)地的類型，得搞清楚兩個(gè)問題，才能避免接錯(cuò)“地”的情況，總結(jié)起來就是“接地方式?jīng)Q定于接地目的”。
如上所述的“屏蔽”和“濾波”都是從硬件方面進(jìn)行整改，從更廣義的角度，“屏蔽”和“濾波”也是可以通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)的。這里列舉一些軟件上“屏蔽”和“濾波”的整改方法供大家參考，在實(shí)際應(yīng)該用中，可以舉一反三。
| 軟件整改措施 | 方法及目的 |
|---|---|
| 設(shè)置不使用的I/O口作為輸出口 | 設(shè)置I/O方向寄存器，屏蔽不使用的I/O口，以免耦合到EMS干擾輸入，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作 |
| 對(duì)按鍵輸入信號(hào)或高低電平信號(hào)作軟件濾波處理 | 對(duì)輸入信號(hào)作防抖處理（即二次電平判斷），剔除瞬態(tài)的干擾信號(hào)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作 |
| 對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)作軟件濾波處理 | 對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波（如平均值濾波、中值濾波、限幅濾波等），減少干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 |
| 對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件校驗(yàn)處理 | 對(duì)通信數(shù)據(jù)采用奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等方法，剔除干擾對(duì)通信數(shù)據(jù)的不利影響，避免通信出錯(cuò) |
以上是產(chǎn)品出現(xiàn)EMC問題后的整改方法和大體思路，那么在應(yīng)用核心板進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)如何避免EMC問題呢？接下來，我們看看有哪些注意事項(xiàng)。
5.1電源電路的EMC設(shè)計(jì)
電源接口是產(chǎn)品EMC試驗(yàn)必做的接口之一，包括EMI電磁干擾和EMS電磁騷擾兩個(gè)方面。內(nèi)嵌核心板的產(chǎn)品在電源接口設(shè)計(jì)時(shí)，要注意如下幾個(gè)方面：
1)在產(chǎn)品底板電源電路靠近電源接口處增加TVS二極管防護(hù)，以便抑制浪涌干擾。需要結(jié)合供電電壓選擇合適規(guī)格的TVS二極管。
2)如果采用DC/DC（通常放置在底板）作為核心板的直流供電，建議在DC/DC輸入增加EMI濾波電路，以便降低產(chǎn)品出現(xiàn)傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾超標(biāo)的概率。
3)如果核心板有多個(gè)電源供電引腳，底板上這些電源信號(hào)靠近核心板處增加濾波電容。采用諸如10uF、0.1uF、1nF等不同容值的貼片電容并聯(lián)，以便進(jìn)行寬頻濾波。
5.2接口電路的EMC設(shè)計(jì)
核心板的接口電路通過板對(duì)板連接器（或郵票孔）擴(kuò)展到底板，有的甚至成為產(chǎn)品整機(jī)的輸入輸出接口，比如按鍵、LED指示、SPI、I2C、串口、LCD、Ethernet等，如果這些接口電路沒有做EMC設(shè)計(jì)或是EMC設(shè)計(jì)不合理，一方面外界電磁干擾經(jīng)由接口及接口電路傳導(dǎo)到核心板，輕則引起誤動(dòng)作，重則損壞核心板，另一方面核心板和底板的電磁干擾會(huì)以傳導(dǎo)或輻射的方式對(duì)外發(fā)射電磁干擾，導(dǎo)致產(chǎn)品整機(jī)的EMI測(cè)試超標(biāo)。
內(nèi)嵌核心板的產(chǎn)品在接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，有如下幾個(gè)注意事項(xiàng)：
1)若產(chǎn)品輸入信號(hào)為高低電平信號(hào)（如按鍵、復(fù)位、開關(guān)量等），且信號(hào)在底板上的走線較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在底板上靠近核心板I/O輸入附近增加RC濾波；
2)若產(chǎn)品輸入信號(hào)為高速數(shù)字信號(hào)（如時(shí)鐘、SPI、I2C、AD采樣信號(hào)等），應(yīng)該更多地從PCB布局及布線上去考慮，確保底板上的高速信號(hào)走線盡量短，盡量少過孔，可在信號(hào)走線上適當(dāng)增加ESD等防護(hù)器件，但不宜有過大的寄生電容或?yàn)V波電容，以免影響高速信號(hào)的質(zhì)量；
3)對(duì)于從核心板擴(kuò)展到底板的高低電平輸出信號(hào)，更多的是從抗電磁干擾的角度考慮，在底板上的信號(hào)走線盡量短，也可適當(dāng)增加ESD等防護(hù)器件；
4)對(duì)于從核心板擴(kuò)展到底板的高速數(shù)字信號(hào)（如SPI、I2C、串口、以太網(wǎng)及LCD接口）輸出，更多是從EMI的角度去考慮，可以在這些高速數(shù)字信號(hào)上適當(dāng)增加匹配電阻或RC濾波電路，同時(shí)高速信號(hào)在底板的走線也要盡量短并少過孔。
5)對(duì)于有較多數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線的輸出接口（比如LCD接口），可在信號(hào)線中串入排阻，并在底板上將排阻靠近核心板放置，從源頭上減少EMI的發(fā)射能量，同時(shí)也可以采用多層板設(shè)計(jì)，高速信號(hào)和時(shí)鐘走線盡量在PCB內(nèi)層走線，對(duì)LCD的時(shí)鐘線進(jìn)行包地處理，減少信號(hào)環(huán)路面積，進(jìn)一步減少EMI干擾。
5.3核心板在底板的布局及裝配
除了供電和接口電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，核心板在底板上的布局或是裝配方式不合理，也會(huì)容易引起EMC問題。核心板在底板布局和裝配方面，有如下注意事項(xiàng)：
1)核心板盡量布局在底板的中央?yún)^(qū)域，避免放置在底板邊沿或靠近底板的外圍接口，這樣能夠減小外界電磁干擾對(duì)于核心板的不利影響；
2)如果核心板有定位孔（與GND連接）和板對(duì)板連接器，我們建議在底板上預(yù)留與核心板對(duì)應(yīng)的定位孔（也與GND連接），將核心板通過連接器裝配到底板后，同時(shí)在核心板和底板的定位孔安裝上銅柱，用螺絲鎖緊，既能減震，也能確保整個(gè)核心板有良好的接地，且保持較低的接地阻抗。
3)在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或安裝時(shí)，接口線纜不能直接放置在核心板的上方，或穿過核心板和底板之間的縫隙，或緊挨著核心板，以便能夠盡量避免核心板將干擾耦合到接口線纜上，或外界干擾通過接口線纜耦合到核心板上。
篇幅所限，以上僅對(duì)內(nèi)嵌核心板的整機(jī)產(chǎn)品EMC問題分析及解決做了概要性的介紹，供用戶參考和借鑒。我們也可以為用戶提供EMC設(shè)計(jì)或整改的技術(shù)服務(wù)，助力用戶產(chǎn)品盡早達(dá)成預(yù)定的電磁兼容性能指標(biāo)。
具體可發(fā)郵件：chenyongzhi@zlg.cn。
