核心板應用開發(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)風險，縮短新產(chǎn)品上市時間，在工業(yè)、交通、醫(yī)療、儀器、能源和物聯(lián)網(wǎng)等領域，嵌入式核心板得到了廣泛的應用。當內(nèi)嵌核心板的整機產(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語》的定義，電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）是指“設備、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)。包括以下兩個方面：
1)設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中運行時，可按規(guī)定的安全裕度實現(xiàn)設計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；
2)設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其他設備）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備性能的傳導或輻射的電磁能量。根據(jù)電磁能量的傳遞途徑，可分為輻射干擾和傳導干擾。常見的EMI試驗項目如下：
表1 常見EMI試驗項目
| EMI試驗項目 相應的試驗標準 | 相應的試驗標準 |
|---|---|
| 電源線及信號線傳導騷擾（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），是指設備、器件或系統(tǒng)因電磁干擾可能導致工作性能降級的特性。常見的EMS試驗項目如下：
表2 常見EMS試驗項目
| EMS測試項目 | 相應的試驗標準 |
|---|---|
| 靜電放電抗擾度（ESD） | IEC61000-4-2, GB/T17626.2 |
| 射頻電磁場輻射抗擾度試驗（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 |
| 射頻感應場傳導抗擾度（CS） | IEC61000-4-6 , GB/T17626.6 |
| 工頻磁場抗擾度（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
| 電磁兼容性試驗項目 | 常見的EMC問題 |
|---|---|
| 電源線及信號線傳導騷擾（CE） | 電源線或信號線的傳導騷擾出現(xiàn)超標 |
| 輻射騷擾（RE） | 整機輻射騷擾出現(xiàn)超標 |
| 靜電放電抗擾度（ESD） | 系統(tǒng)出現(xiàn)死機、復位，液晶顯示閃爍或花屏，通信數(shù)據(jù)錯誤或中斷，測量數(shù)據(jù)跳變或錯誤，按鍵及LED指示燈誤動作 |
| 電快速瞬變脈沖群抗擾度（EFT/B） | |
| 射頻感應場傳導抗擾度（CS） | |
| 雷擊（浪涌）抗擾度（SURGE） | 電源接口損壞短路，通信數(shù)據(jù)錯誤、中斷或通信接口損壞 |
對于電磁兼容問題，就發(fā)生機理而言，離不開 干擾源、傳播路徑和敏感源 這三個方面，無論是EMI電磁干擾問題還是EMS電磁抗擾問題，抓住這三個方面進行分析，望聞問切，再輔以針對性的有效措施，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、整改及效果驗證。
下面就以某型號內(nèi)嵌核心板產(chǎn)品的EMI輻射超標作為案例，對上述三個步驟進行說明，而對于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）
對于EMI電磁干擾問題，重點抓住4個方面進行描述：
1）依據(jù)的試驗標準；
2）超標的頻點或頻段；
3）超出標準限值多少；
4）試驗時產(chǎn)品的工作狀態(tài)和配置。
對于EMS電磁抗擾問題，抓住以下4個方面進行描述：
1）依據(jù)的試驗標準；
2）產(chǎn)品異常時的試驗等級；
3）產(chǎn)品的異?，F(xiàn)象，及其相應的干擾位置；
4）試驗時產(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，這里都特別強調(diào)對于產(chǎn)品工作狀態(tài)和現(xiàn)場試驗配置的確切描述。所有這些描述，務必客觀真實，描述得越清楚和細致，對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)場的試驗配置，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，線纜的長度，接地情況，產(chǎn)品試驗時的系統(tǒng)框圖等。
4.2分析及根因定位（步驟2）
對于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。下面分別對于EMI和EMS的問題分析及根因定位給出一些方法。
對于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)品為一個復雜的系統(tǒng)，就可以采用化整為零，逐步逼近的方法，比如將產(chǎn)品的各個部分逐一關閉或撤除（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標準的限值要求。如果最小系統(tǒng)的EMI沒有問題，我們再逐一打開或恢復去掉的部分，對比前后試驗結果的區(qū)別，以便定位EMI的主要源頭或路徑。
復雜產(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)或第三方機構租用）中進行，可以一邊分析定位，一邊進行整改及效果驗證。
2）近場掃描法：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）和近場探頭等附件。
通過對產(chǎn)品整體或局部進行輻射電磁場的近場掃描，可以初步確定風險較大的區(qū)域或位置，甚至直接定位到EMI干擾的主要源頭。實施針對性的整改后，再次進行近場掃描，并進行整改前后的結果對比，如果整改后有較為明顯的改善（比如超標頻點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一步的測量驗證。
關于近場掃描，這里需要說清楚幾點：
——近場掃描屬于定性測量，通過監(jiān)測產(chǎn)品輻射的頻點以及近場電磁場強大小來初步判斷產(chǎn)品的輻射騷擾水平，但這并不能等同或替代電波暗室對于產(chǎn)品輻射騷擾的定量測量。
——近場掃描對產(chǎn)品輻射騷擾的測量區(qū)域遠小于電波暗室，形象一點比喻，近場掃描是“管中窺豹”，電波暗室則是“縱觀全局，明察秋毫”。
——總之，近場掃描的結果僅供參考，電波暗室的測量結果才是客觀事實，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騷擾的定位，而近場掃描法通常僅適用于輻射騷擾的定位，在實際EMI問題的分析定位中，大家也可以兩種方法結合使用。
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 | 在其開關頻率點出現(xiàn)差模干擾超標，或者高頻段共模干擾超標 |
| 液晶驅(qū)動電路 | 液晶時鐘及數(shù)據(jù)的基頻及倍頻輻射騷擾超標 |
| 以太網(wǎng)通信電路 | 以太網(wǎng)通信時鐘等信號的基頻及倍頻輻射騷擾超標 |
| 有源晶振電路 | 時鐘信號頻率的基頻及倍頻出現(xiàn)輻射騷擾超標 |
| 高速數(shù)字信號電路 | 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 |
對于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。
在進行電磁干擾敏感源的定位時，我們也可以采用排除法，化整為零，從整機到部件，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) |
|---|---|
| 復位電路 | 系統(tǒng)或功能電路出現(xiàn)復位現(xiàn)象 |
| 時鐘電路 | 系統(tǒng)出現(xiàn)死機現(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 | 測量采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或者中斷采樣 |
| 接口通信電路 | 通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤、丟幀或中斷 |
| 輸入信號電路 | 系統(tǒng)或功能電路出現(xiàn)誤動作 |
除了上述的“干擾源”和“敏感源”，我們在進行EMC問題分析時還需要特別注意“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上的電源及信號走線等）則是電磁干擾傳播路徑的物理媒介，根據(jù)相關統(tǒng)計，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，同時也是電磁干擾傳導的良好通道。
對產(chǎn)品EMC問題的整改，通常有“屏蔽”、“濾波”、“接地”這三大方法，相信應該大部分用戶已經(jīng)初步了解過，也可以自行查閱相關書籍或網(wǎng)絡文獻。
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進行介紹。
“屏蔽”，是針對輻射電磁干擾進行整改的主要方法，一般針對產(chǎn)品的電纜、結構及孔縫進行屏蔽。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，實施屏蔽措施時要做到360度的閉合搭接，不留孔縫或者等效的棒狀天線。
“濾波”，是針對傳導電磁干擾進行整改的主要方法，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。一般分為疏導型和消耗型兩種濾波方式，疏導型“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路徑。接地的方式有很多種，比如單點接地、多點接地、電容接地、阻容接地、電感接地、磁珠接地、電阻接地等，實際的產(chǎn)品或系統(tǒng)中，適合采取哪種接地方式，需要看屬于哪個類型的地（如大地、安全地、數(shù)字地、模擬地、功率地等），一個接地方式，一個地的類型，得搞清楚兩個問題，才能避免接錯“地”的情況，總結起來就是“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，在實際應該用中，可以舉一反三。
| 軟件整改措施 | 方法及目的 |
|---|---|
| 設置不使用的I/O口作為輸出口 | 設置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，進而導致系統(tǒng)誤動作 |
| 對按鍵輸入信號或高低電平信號作軟件濾波處理 | 對輸入信號作防抖處理（即二次電平判斷），剔除瞬態(tài)的干擾信號，避免系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作 |
| 對AD采樣數(shù)據(jù)作軟件濾波處理 | 對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），減少干擾對測量結果的影響 |
| 對通信數(shù)據(jù)進行軟件校驗處理 | 對通信數(shù)據(jù)采用奇偶校驗、CRC校驗等方法，剔除干擾對通信數(shù)據(jù)的不利影響，避免通信出錯 |
以上是產(chǎn)品出現(xiàn)EMC問題后的整改方法和大體思路，那么在應用核心板進行產(chǎn)品開發(fā)時如何避免EMC問題呢？接下來，我們看看有哪些注意事項。
5.1電源電路的EMC設計
電源接口是產(chǎn)品EMC試驗必做的接口之一，包括EMI電磁干擾和EMS電磁騷擾兩個方面。內(nèi)嵌核心板的產(chǎn)品在電源接口設計時，要注意如下幾個方面：
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，以便抑制浪涌干擾。需要結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)傳導騷擾和輻射騷擾超標的概率。
3)如果核心板有多個電源供電引腳，底板上這些電源信號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)，以便進行寬頻濾波。
5.2接口電路的EMC設計
核心板的接口電路通過板對板連接器（或郵票孔）擴展到底板，有的甚至成為產(chǎn)品整機的輸入輸出接口，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設計或是EMC設計不合理，一方面外界電磁干擾經(jīng)由接口及接口電路傳導到核心板，輕則引起誤動作，重則損壞核心板，另一方面核心板和底板的電磁干擾會以傳導或輻射的方式對外發(fā)射電磁干擾，導致產(chǎn)品整機的EMI測試超標。
內(nèi)嵌核心板的產(chǎn)品在接口電路設計時，有如下幾個注意事項：
1)若產(chǎn)品輸入信號為高低電平信號（如按鍵、復位、開關量等），且信號在底板上的走線較長時，應在底板上靠近核心板I/O輸入附近增加RC濾波；
2)若產(chǎn)品輸入信號為高速數(shù)字信號（如時鐘、SPI、I2C、AD采樣信號等），應該更多地從PCB布局及布線上去考慮，確保底板上的高速信號走線盡量短，盡量少過孔，可在信號走線上適當增加ESD等防護器件，但不宜有過大的寄生電容或濾波電容，以免影響高速信號的質(zhì)量；
3)對于從核心板擴展到底板的高低電平輸出信號，更多的是從抗電磁干擾的角度考慮，在底板上的信號走線盡量短，也可適當增加ESD等防護器件；
4)對于從核心板擴展到底板的高速數(shù)字信號（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)字信號上適當增加匹配電阻或RC濾波電路，同時高速信號在底板的走線也要盡量短并少過孔。
5)對于有較多數(shù)據(jù)線和時鐘線的輸出接口（比如LCD接口），可在信號線中串入排阻，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，同時也可以采用多層板設計，高速信號和時鐘走線盡量在PCB內(nèi)層走線，對LCD的時鐘線進行包地處理，減少信號環(huán)路面積，進一步減少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)化設計，核心板在底板上的布局或是裝配方式不合理，也會容易引起EMC問題。核心板在底板布局和裝配方面，有如下注意事項：
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）和板對板連接器，我們建議在底板上預留與核心板對應的定位孔（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)部結構設計或安裝時，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，以上僅對內(nèi)嵌核心板的整機產(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設計或整改的技術服務，助力用戶產(chǎn)品盡早達成預定的電磁兼容性能指標。
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