具有 EMC、EMI 和 ESD 保护的设计

2021-08-03

具有 EMC、EMI 和 ESD 保护的设计

静电放电和干扰的影响经常被设计者忽视，这导致他们被拒绝，尤其是在全球市场。设计者要想产品在国际市场上取得成功，就需要关注FCC、CE、VCCI等国际标准。本文解释了失败的原因以及补救措施。

EMI 代表电磁干扰，EMC 代表电磁兼容，ESD 代表静电放电。这些首字母缩略词定义了产品如何在无意中成为射频波生成源，或如何成为来自环境中各种来源的射频波的受害者。

ESD 定义了产品在承受操作人员累积的静电电压放电方面的稳健程度。美国的 FCC（联邦通信委员会）、欧洲的 CE（Conformitè Europëenne）和日本的 VCCI（干扰自愿控制委员会）等标准机构规定了电子产品可以辐射的辐射量，或电子产品的辐射量。产品应能承受而不会出现任何永久性故障。同样，产品应承受一定的电压放电水平而不会损坏。

随着我们日常生活中越来越多地使用电子产品，遵守这些标准可确保用户安全，产品不会污染和影响附近产品的工作。虽然每个国家都有自己的标准，但它们的价值差别不大。

但是，从电子封装的角度，我们需要知道产品应该符合什么标准。了解标准有助于设计包装，使产品符合要求的标准。最好的策略是获得最坏情况的限制并为它们设计产品。但是，在某些情况下，这样做的成本可能很高。

让我们了解设计合规产品的辐射机制的基础知识。几乎所有电子产品都会以这两种模式中的任何一种辐射或受到影响。这些是：

传导发射 (CE)

电源和其他电缆充当载体并辐射不需要的射频信号。

辐射发射 (RE)

产品本身会辐射，就像射频发射器一样。

传导和辐射发射的频率限制是不同的。大多数发射是辐射发射，它们分布在大带宽上。

辐射发射需要一个射频发射器和一个接收器来进行能量传输。通常，在测试期间，发射机是被测产品，接收机是配备有天线的频谱分析仪，用于测量射频能量的强度。图 1 显示了产品中的辐射和传导发射机制，以供我们理解。

但是，除了会增加整体辐射的电缆（电源和信号）之外，大多数辐射都是通过外壳中的小孔（例如通风孔、角缝和机箱底部和顶部之间的缝隙）进行的。虽然电力电缆辐射被测量为信号电缆引起的 CE 辐射，但它是总辐射发射的一部分。

这就是为什么必须仔细设计具有大电缆连接（以太网开关电缆、传感器电缆等）的产品并且必须将任何辐射源包含在外壳内的原因之一，因为管理电缆辐射可能具有挑战性且成本高昂。

为了验证产品的合规性，将其保存在消声室中，并将天线与产品保持指定距离（三米或十米），具体取决于产品应遵守的标准。天线通过适当的仪器连接到频谱分析仪，以测量产品辐射的信号电平，以进行 RE 测量。读数根据标准规定的水平进行映射。如果信号电平低于指定电平，则产品通过了合规认证。

在传导发射的情况下，被测产品的电源线通过线路阻抗稳定网络 (LISN) 连接到频谱分析仪，并测量信号电平，并在辐射发射的情况下根据标准指定值进行映射。图 2 和图 3 显示了 FCC 和欧盟标准的辐射和传导发射水平，以便更好地理解标准。

图 2：FCC 标准的辐射和传导发射水平

图 3：欧盟标准的辐射和传导发射水平

这些标准定义了两组级别，称为 A 级和 B 级。表 1 显示了这些级别在美国和欧盟的适用性。

A 类允许更高的辐射，因为工业环境非常嘈杂。但是，B 类辐射限制要低得多（更严格），大多数消费品都需要满足此标准。

注意事项

设计人员认为 EMC 和 EMI 问题仅由外壳引起。这是每个设计师都应该知道的神话。为了成功合规，整个产品的设计必须符合标准。PCB 组件 (PCBA) 是罪魁祸首，除外壳外，这些组件还需要仔细的 EMC/EMI 设计。

辐射和传导发射的解决方案在实施上有所不同。如果产品是无线电设备，所需的主要细节是系统电子设备运行的频率和 RF 载波频率。基本方波往往包含谐波，这对辐射有很大贡献。辐射发射的解决方案是减少 PCBA 的发射，这基本上取决于电路设计。

经验表明，高速数字电路是主要的辐射源，因为它们具有上升时间小的方波。

用于降低 EMC/EMI 的电路设计是一个很大的话题，由于我们的主要关注点是电子封装，因此这里不进行介绍。然而，PCBA 的辐射只能减少而不能完全消除，而这项工作必须由外壳和过滤器来完成。

抑制射频辐射的过程称为屏蔽。金属是抑制辐射发射的最佳屏蔽。因此，对于带有塑料外壳的产品而言，射频辐射遏制可能是一个大问题。即使是具有不完美接头、接缝或通风孔的金属外壳也可能是射频辐射的来源。在铆钉和简单螺钉等外壳紧固机制的情况下，两个螺钉/铆钉之间的空间也可能成为辐射源。这就是设计人员必须预先了解合规性需求（SCoPE 框架）以决定外壳连接/紧固机制的原因。

在深入研究辐射和传导发射的解决方案之前，让我们先了解一下屏蔽机制。图 4 显示了一个没有外场的屏蔽外壳内的电子系统。由于屏蔽，没有辐射逸出（辐射发射预防）。图 5 显示了完全相反的情况，其中屏蔽防止辐射进入并且外壳内的系统不受外部辐射影响（辐射发射敏感性）。

图 4：没有外场的屏蔽外壳中的电子系统

图 5：屏蔽防止辐射进入外壳

金属是最好的屏蔽材料，因为它们具有导电特性，因此金属外壳被发现有利于 EMC/EMI 保护。当射频波穿过塑料时，塑料不利于屏蔽。金属的屏蔽效果取决于其厚度和射频发射频率。但是，根据经验，与铝相比，低碳钢具有良好的屏蔽特性。

正如我们在图 4 和图 5 中看到的，理想的屏蔽罩应该是一个紧密封闭的盒子，以获得最佳性能。然而，在现实生活中，任何外壳都会有接缝（由于金属板设计）和用于显示器、开关和电缆的开口。从辐射的角度来看，这些被称为孔径。外壳中的小孔会导致射频辐射泄漏。当这些辐射泄漏降低到较低水平时，可实现最佳 EMC/EMI 性能。

通常，噪声场（由射频辐射产生）会在屏蔽中感应出电流，而这些电流会在屏蔽中感应出额外的场。这些新字段取消了某些空间中的原始字段。为了发生这种抵消，必须允许屏蔽电流不受任何阻碍地流动。图 6 显示了无孔时感应电流如何流动，图 7 显示了当有孔时电流如何受到干扰。

图 6：无孔时感应电流如何流动

图 7：存在孔径时电流如何受到干扰

我们需要记住，大多数电子系统都需要通风槽来散热，这可能是 EMC/EMI 的问题。一种解决方案是通过一组孔提供通风，这使得感应电流不受干扰，如图 8 所示。

图 8：通过一组孔的通风允许感应电流不受干扰地流动

外壳的另一个挑战是接缝。由于外壳由多个部分制成，因此在钣金外壳中不可避免地会出现接缝。当这些部分用铆钉或螺钉固定时，它们会使接缝因开孔而漏水。如果这些接缝必须防漏，需要做三件事：

相邻的部分应该重叠。

铆钉和螺钉应尽可能靠近，以减少孔径效应。这就是焊接有用的地方！

两个重叠的表面必须是导电的，为了更好的屏蔽，应该使用 EMI 垫圈或 EMI 指状物。

设计人员在电子封装中经常面临的一个挑战是，一个问题的解决方案会导致另一个问题（EMI/EMC 与散热）。然而，钣金外壳自然会导致 EMC/EMI 问题，而塑料外壳对 EMC/EMI 构成了巨大挑战。

为了使塑料外壳满足 EMC/EMI 需求，这些外壳必须具有导电性。最流行但昂贵的解决方案是在塑料外壳内涂上一层导电涂料，或者用添加剂使塑料导电。其他方法是化学镀或金属箔衬里，这两种方法既昂贵又脆弱。

另一种方法是将 PCB 组件封装在金属屏蔽中，这样塑料外壳就不必针对 EMC/EMI 进行处理。这种方法在无线电产品中很流行，因为有时功率电平很高，需要包含在 PCBA 模块本身中。PCB 安装屏蔽可以定制设计，也可以试用即用型屏蔽。大多数 Wi-Fi 和蓝牙模块都带有屏蔽以减少外来辐射，并且它们的 PCBA 是屏蔽的，天线除外。

使产品符合 EMC/EMI 标准的最佳方法是遵循下面提到的六个步骤：

了解有关辐射的标准合规性需求，并为安全裕度多预算 3dB。满足认证过程的限制是完全没问题的，但由于制造过程可能会有变化，这可能会使产品失败。

确保外壳设计良好，同时牢记上述信息。但如果使用现成的外壳，请确保选择正确的外壳。多于选择，按照供应商推荐的流程进行组装。（我记得我们曾经使用过 PCB 屏蔽作为 EMI 解决方案，产品以良好的裕度通过了限制。但是，在生产过程中，我们发现产品没有通过样品测试。我们走过生产线，发现在-安装PCB屏蔽时出现问题，由于PCB孔边距误差，屏蔽无法轻松插入，技术人员使用尼龙锤将屏蔽推入。这是一个完美的方法，但温和尼龙锤敲开两侧屏蔽层的接缝，导致辐射失效！在FCC认证的情况下，当您获得 FCC 合规注册号时，本质上意味着 FCC 可以从市场上取样并测试您的产品的辐射合规性。因此，EMC/EMI 认证是一项相当艰巨的工作。）

根据设计指南进行的电子电路设计和 PCB 布局很重要，但相当重要，无法在此处涵盖。

产品的第一个版本应该在实验室中进行预扫描以获得测量结果。这将提供当前形式的产品的故事。解决方案可以在下一次修订中实施，无需花费太多时间和精力。

当通过围绕垂直 Y 轴旋转产品 360° 完成扫描（预扫描和最终扫描）时，读数会显示任何与接缝或孔径相关的泄漏。一些实验室以静态方式进行，产品的四个侧面都旋转了 90 度。这有时会掩盖辐射问题，因此最好使用旋转台进行扫描。

从读数可以确定辐射泄漏的来源。正常的频谱分析仪读数将在 X 轴上显示频率，在 Y 轴上显示辐射水平；角度必须由合规工程师和设计工程师手动观察。基于钣金外壳的设计可能会由于制造和设计错误而失败，例如角落弯曲处的间隙，辐射可能会从那里泄漏。最好的解决方案是在金属板外壳的顶部和底部之间有一个重叠，它也必须是导电的（没有涂漆/涂层），没有涂漆的重叠。图 9 显示了外壳的横截面，以便更好地理解。

图 9：外壳的横截面

静电放电

当人或物体上累积的 10-15kV 电荷通过电子产品放电时，就会发生静电放电。ESD 会永久损坏半导体。当大气湿度较低时，它的影响很大，但它永远无法避免。除非采取保护措施，否则产品很容易被无声无息地损坏。有两种方法可以保护产品免受 ESD 影响：

在暴露于外界的半导体输入端提供 ESD 保护。这些输入通常是连接器，这需要具有适当 ESD 保护的电路设计。保护装置称为瞬态电压抑制器。这些将 ESD 降低到安全水平，防止损坏半导体。

确保外壳没有间隙，ESD 可以通过这些间隙潜入，并且外壳正确接地以充当出色的 ESD 屏蔽。虽然金属外壳具有良好的 ESD 屏蔽能力，但塑料机柜就没那么幸运了。具有讽刺意味的是，塑料机柜对 EMC/EMI 的防护也很差，内部屏蔽对于产品的安全性至关重要。

通常，在大多数情况下，良好的 EMC/EMI 对策也应适用于 ESD。然而，电源接地不当有时会使产品成为 ESD 的受害者。防止 PCBA 被 ESD 损坏的成功方法是在 PCB 边缘提供 1-2mm 宽的铜迹线。（走线端不应连接形成环路；它应该是开路的，一端应连接到底盘接地。）吸引 ESD 的其他候选对象是暴露的连接器引脚（尤其是山形棒）。用于微控制器编程的在线编程连接器通常是罪魁祸首。这些措施有助于将 ESD 电压转移到接地迹线而不是损坏半导体。

大多数情况下，只有在产品设计过程中采取了所有预防措施并完成产品测试后，才能实施 ESD 解决方案。但是，ESD 标准确实允许系统在某些应用程序启动后重新启动。但在医疗、航空电子设备和一些工业设备等关键任务领域，重启是不可能的。