電子產品電磁兼容設計及標準測試要求

摘" 要：高頻數據處理技術以及5G通信技術在電子產品上得以應用，使電子產品在達到快速處理及高速通信的同時，也會對周圍的環境產生出電磁干擾性問題；同時，其自身也會受周圍環境所帶來的電磁干擾，就是電磁干擾（EMI）及電磁抗擾（EMS）。因此，電子產品必須經過電磁兼容（EMC）設計，并通過相應標準規定的測試驗證，才可以確保其電磁可靠性。該文首先介紹EMI以及EMS原理及傳導方式；其次詳細闡述電子產品的EMC設計方法，并通過相應案例說明EMC設計的重要性；最后對電子產品的測試標準進行介紹，對電子產品應該測試的項目、測試的方法進行說明。電子產品的電磁兼容性是設計出來的，是通過測試驗證整改保證的。只有通過電磁相關性測試，才能確保其處于電磁環境中的工作可靠性。

關鍵詞：EMC；EMI；設計；標準測試；電磁干擾

中圖分類號：TN92" " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）11-0131-04

Abstract： High-frequency data processing technology and 5G communication technology have been applied in electronic products. While electronic products achieve this kind of fast processing and high-speed communication， they will also cause electromagnetic interference to the surrounding environment; at the same time， they will also experience the electromagnetic interference brought by the surrounding environment， namely EMI and EMS. Therefore， electronic products must be designed by EMC and tested and verified by the corresponding standards in order to ensure their electromagnetic reliability. This paper first introduces the principle and transmission mode of EMI and EMS， then describes the EMC design method of electronic products in detail， and illustrates the importance of EMC design through corresponding cases. Finally， it introduces the testing standards of electronic products and explains the items and methods that should be tested for electronic products. The electromagnetic compatibility of electronic products is designed and guaranteed by testing， verification and rectification. Only by passing the electromagnetic correlation test can we ensure the reliability of its work in the electromagnetic environment.

Keywords： EMC; EMI; design; standard test; electromagnetic interference

電磁干擾存在于生活中的方方面面，人們日常的手機通信、車載娛樂設施、各種通信基站以及各種電源端，都會存在電磁干擾及抗擾性問題。而電子產品的工作環境一般是不可改變，為確保其工作穩定、可靠，就需要對電子產品進行電磁兼容性設計。左成林等[1]對電子產品中的半導體橋的靜電防護采取了TVS管的防護設計，通過并聯二極管實現防護浪涌、電壓沖擊等危害。郭帥超[2]為了解決不同設備在帶電工作狀態下的電磁兼容性問題，通過調整干擾源中揚聲器的角度進而調整了干擾源的傳播方向，將高功放設備從車內轉移到車外進而解決干擾途徑的問題，將強弱電源進行分離使得弱電源受干擾的程度降低而解決易受干擾的問題。吳小春等[3]對某驅動分系統進行電磁兼容性測試時發現，電源線傳導發射不合格以及電磁輻射測試出現超標頻率點的問題，通過在電源輸入端增加濾波器解決了超頻的問題。傅林[4]在使用某通信車使用短波電臺呼叫時，電話機能夠聽到幾乎無衰減的話音，造成話機不能夠正常工作，經過檢測分析發現是交換機造成場線耦合干擾導致，主要是PCB板2個傳輸線之間的距離不符合設計要求，最終通過在2個傳輸線之間增加一個共模濾波器得以解決。吳景賢等[5]對某款出口歐盟的電氣設備檢測發現該產品在0.15～30 MHz頻段的傳導騷擾電壓超過了CISPR15規定的值，經過分析和診斷確定該產品的PCB板卡未經過任何濾波處理，所以在差模噪聲和共模噪聲工作作用下導致傳導騷擾電壓增大，最終通過增加LC濾波電路實現了整改。電磁問題處理不當，會對人身健康、交通運輸、醫療環境等產生影響，嚴重情況下會導致重大的安全事故[6-10]。

電磁兼容性問題主要存在于電子產品中，只有經過電磁兼容性設計的電子產品，如外殼設計、內部器件布局、濾波技術等，并通過相應的測試及分析，才能保證電子產品具有很好的電磁兼容性，才可確保其運行穩定、可靠。

1" 電磁兼容原理及傳導方式

電磁兼容（EMC），就是指電子、電氣設備或機電相關的系統在預期的電磁環境中，可以穩定、可靠運行的能力。電磁兼容主要是從2個方面進行闡述，分別是EMI和EMS[11]。EMI（電磁干擾）主要是指產品在運行時，不應該產生超過標準規定范圍的電磁能量。一般不同的產品類型及不同的使用范圍會有相應的法規和標準去規定產品的EMI不能超過某些限值。主要研究以下幾種電磁騷擾：①電源線的傳導騷擾；②信號線、控制線的傳導騷擾；③輻射騷擾；④諧波電流測量；⑤電壓波動和閃爍測量。

EMS（電磁抗擾），是指產品工作過程中，可以承受標準規定范圍內電磁干擾而仍具有穩定、可靠性運行的能力。而評價產品是否具有抗干擾能力，要依據產品具體的使用環境、相應的標準規范去評估。而EMS對應的電磁干擾主要是以下幾個方面：①靜電放電抗擾度，主要是抵抗以產品連接電纜、外殼等作為傳導途徑的外來干擾；②電快速瞬變脈沖群抗擾度；③浪涌；④輻射抗擾度；⑤傳導抗擾度；⑥電壓跌落與中斷。

電子產品實現了電磁兼容性，就是其EMI和EMS兩個方面達到了其預期使用環境的要求，即電子產品本身對外界的干擾以及自身可以承受的干擾能力均符合相應標準規定的要求。而無論是EMI還是EMS，主要包括傳導、輻射和瞬態[12]。一個電子產品中的電壓/電流變化通過電源線、信號線傳導并對其他設備產生影響時，這個電壓電流的變化稱為“傳導干擾”；輻射干擾是和天線息息相關的，當設備的導線和尺寸比相應的電磁波長時會導致輻射干擾；瞬態是指電子產品周圍存在短暫高能脈沖，這種高能脈沖會使電子產品瞬間發生故障。

無論是何種方式的電磁干擾，都需要通過電磁兼容性設計，并通過相應的標準測試，進而達到與周圍環境的兼容合一。

2" 電磁兼容設計研究

電容兼容性設計，主要是從電子產品本身產生或承受電磁性問題的方面入手，包括外殼結構方面、接口傳輸路徑方面以及電子內部的電磁設計，如濾波，旁路去耦以及PCB本身的設計。只要解決了電磁干擾的源頭、干擾路徑以及輻射特性3個方面的問題，基本上就解決了電磁兼容性問題。

2.1" 產品結構與EMC相關問題研究

電子產品的結構，包括產品的外殼整體，電纜的布置，信號輸入/輸出的位置，接地位置都是基于產品的結構設計，而這些都與電磁兼容性密切相關。電子產品的EMC結構設計就是要避免共模干擾電流流過敏感電路或高阻抗設計，同時避免額外的容性耦合或感性耦合。圖1就是存在的一個共模干擾電流的電路結構設計，產品的接地點遠離電源線的輸入口，電流從電源輸入到接入地會經過較長的路徑，電源中的高次諧波等干擾也必然會經過PCB1流入PCB2進而導致干擾。同時接地點遠離電源線和信號線1，必然會導致干擾電流施加在電源線與信號線1上，使得途徑信號線1的信號產生失真。因此，為解決上述問題，首先將接地點移至電源線附近，同時將PCB2的信號線遠離電源輸入端或并聯一個電容接地進而降低這種干擾，更改后的圖如圖2所示。

2.2" 傳輸路徑的電磁兼容設計研究

解決電磁兼容的問題，其傳輸路徑的防護也是至關重要的。電磁的傳輸路徑，主要包括電纜、連接器以及接口電路3個方面。這3個方面中電纜是最容易受電磁干擾的。電纜由于其端口處有共模電壓的存在使得電纜類似一根天線，其產生的電磁輻射為

E=12.6×10-7（fIL）（1/r），

式中：f為共模信號的頻率；I為由于共模電壓驅動而產生的共模電流；L為電纜長度；r為觀測點到輻射源的距離。

因此，要減少電磁輻射，就是要降低電纜長度和減小共模電流，一般電纜長度是不可減少的，只有通過減小共模電流的幅值來減少電磁輻射。

要減小電纜共模電流幅值主要采取屏蔽電纜和在電纜接口使用濾波電路的方式，干擾共模電流通過圖3中接口濾波中的電容進行泄放，從而有效降低了電纜共模電流的幅值。

2.3" 產品內部電磁兼容設計研究

電子產品內部通過一些基礎原件的組合，實現預防靜電干擾，抑制電源線的差模及共模的干擾，解決EMI的問題。這些基礎原件主要是電阻、電容及電感。電阻是電子產品中最常使用的元件，線繞電阻由于其同時具有電感效應，在高頻條件下會形成很大的阻抗，因此高頻電路為預防EMI問題則不能使用繞線電阻；同時對于有引腳的電阻，由于其隱藏的感性和容性特性，使得靜電放電（ESD）遇到高阻抗路徑，防止ESD進入到電路內部。

在電子電路中，使用最多的則是由電容和電感共同組建的濾波電路，這種電路具有二端口網絡，由于容抗和感抗特性，具有選擇頻率的特性，可以讓某些頻率順利通過。一般在電源端口使用這種濾波電路，如圖4所示。此濾波器是由電感、電容、共模電感元件構成的電源端低通濾波器。其中，L1和L2可組成共模電感；共模扼流圈的電感量大小取決于要濾除的干擾的頻率，頻率越低，需要的電感量越大。L3、L4是2個獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負載端接被干擾設備，那么L1和Cy、L2和Cy就分別構成L-E和N-E兩對獨立端口的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號。

3" 電子產品EMC測試標準研究

任何產品的電磁兼容性測試，主要是對自身電磁的防護能力的評估，以及自身的電磁能量是否超過相關標準規定值。由于不同行業、不同工作環境所規定的電磁輻射差異性不同，因此所參考的測試標準，測試方法也不一樣。本文著重介紹幾個主要行業的電子產品的電磁測試標準要求。

3.1" 機動車電子EMC標準測試研究

汽車由傳動的純機械發展到現在的智能汽車、無人駕駛汽車，因此汽車將安裝大量的傳感器、天線以及智能駕駛系統，這些對于汽車的電磁干擾及抗擾都有很高的要求，一旦電磁敏感異常，情況嚴重的話均會導致事故發生[13]。目前車上電子系統及零部件，可參GB/T 18655—2010《車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性 用于保護車載接收機的限值和測量方法》標準進行，或參考GB/T 21437.2—2021《道路車輛 電氣電子部件對傳導和耦合引起的電騷擾試驗方法》，2個標準分別規定了天線和電源線的電磁兼容性測試。為了確保車輛中使用的無線電接收機可以接收到無線電信號，規定了不同業務波段的天線電纜末端的騷擾電壓不應超過規定的限值，對于廣播業務，例如LW波段在頻率0.15～0.30 MHz范圍內，天線末端騷擾電壓峰值要小于等于26 dB，準峰值小于等于13 dB，詳見表1。

而汽車電子產品工作電壓一般是12 V或24 V，一般針對12 V電氣系統或24 V電氣系統進行傳導電瞬態電磁兼容性測試。針對電源端的電磁兼容性測試，分別模擬了電源與感性負載斷開連接時的瞬態現象、由于線束電感使與DUT并聯的裝置內電流突然中斷引起的瞬態現象、由于開關過程引起的瞬態現象以及模擬拋負載引起的瞬態等。這些瞬態一般由瞬態發生器生成指數波形、正弦脈沖波形等。由瞬態發生器產生的典型波形如圖5所示，通過對電源系統進行電瞬態測試，驗證其抵抗這種瞬態干擾的能力。

3.2" GJB電磁測試標準研究

目前，GJB相關的電磁測試標準主要是GJB 151系列，主要規定的是設備和分系統級別的電磁發射和敏感度要求。GJB 151系列標準規定了不同頻率下電源線傳導發射、不同頻率下的天線端口傳導發射及敏感度、電纜束注入敏感度、磁場輻射敏感度的要求。標準規定了，不同的測試要求其允許的限值要求。例如，針對25 Hz～10 kHz的電源線傳導發射，根據產品使用環境、電流以及功率大小，限定了輻射值的大小。例如對于潛艇的CE101測試項，當負載電流小于等于3 A時，25 Hz～100 kHz的電磁輻射限值從95 dB下降到76 dB；而負載電流在3 Alt;Ilt;185 A時，限值方寬到20 lg（I/3）dB；當負載電流大于等于185 A時，限值放寬到35 dB。因此，需要根據具體的使用環境，電流要求確定產品自身的符合限值。

4" 結束語

本文介紹了電磁兼容的原理以及傳導方式，說明電磁主要是解決EMI和EMS的問題；同時介紹了電子產品中電磁兼容性設計的方法，以及進行電磁兼容性設計所采取的相關措施，包括外殼設計、電纜線束的電磁防護以及電子產品內部的濾波等。最后，簡要介紹了電磁兼容測試的相關要求。電磁兼容性是通過相關設計手段保證，通過相應使用標準進行驗證，只有通過設計、驗證的電磁兼容性的電子產品，才能保證其后續使用的抗干擾性能。

參考文獻：

[1] 左成林，周彬，杜偉強.TVS二極管用于半導體橋靜電安全性研究[J].爆破器材，2016，45（3）：62-64.

[2] 郭帥超. 機動式指揮車的電磁兼容性設計[J].通訊世界，2023，30（1）：100-102.

[3] 吳小春，徐博，余曉梅. 某驅動分系統的電磁兼容分析與整改[J].通信電源技術，2022，39（1）：17-21.

[4] 傅林.通信車電磁兼容問題整改案例[J].安全與電磁兼容，2014（1）：67-69.

[5] 吳景賢，趙潤生，鄒國林，等.電氣照明設備的電磁兼容傳導騷擾整改案例分析[J].電工電氣，2010（5）：21-22.

[6] 陳恒勤，張克林，鄧瑞泉.通信機射頻電磁輻射的危害及預防[J].警察技術，1998（1）：42-43.

[7] 溫伯銀.諧波的危害及其抑制措施[J].建筑電氣，2006（3）：4-10.

[8] 張劍鋒. ZPW-2000A軌道電路系統的電磁干擾及危害分析[J]. 鐵道通信信號，2015，51（z1）：122-123，132.

[9] 劉少林.城市軌道交通變電所電磁干擾防護措施[J].城市軌道交通研究，2018（7）：58-60.

[10] 張楠，李景格.現代醫療環境中電磁干擾（EMI）對電子醫療設備的危害[J].現代電生理學雜志，2009（1）：33-35.

[11] 張君.電磁兼容標準解析與整改手冊[M].北京：電子工業出版社，2015.

[12] 安輝，王賓，邸凈宇，等.電磁兼容檢測分析及優化整改思路[J].流體測量與控制，2022，3（6）：43-45.

[13] 劉春艷，汽車點火系統的電磁兼容性研究[D].重慶：重慶大學，2007.