具有 EMC、EMI 和 ESD 保護的設計

2021-08-03

具有 EMC、EMI 和 ESD 保護的設計

靜電放電和干擾的影響經常被設計者忽視，這導致他們被拒絕，尤其是在全球市場。設計者要想產品在國際市場上取得成功，就需要關注FCC、CE、VCCI等國際標準。本文解釋了失敗的原因以及補救措施。

EMI 代表電磁干擾，EMC 代表電磁兼容，ESD 代表靜電放電。這些首字母縮略詞定義了產品如何在無意中成為射頻波生成源，或如何成為來自環境中各種來源的射頻波的受害者。

ESD 定義了產品在承受操作人員累積的靜電電壓放電方面的穩健程度。美國的 FCC（聯邦通信委員會）、歐洲的 CE（Conformitè Europ?enne）和日本的 VCCI（干擾自愿控制委員會）等標準機構規定了電子產品可以輻射的輻射量，或電子產品的輻射量。產品應能承受而不會出現任何永久性故障。同樣，產品應承受一定的電壓放電水平而不會損壞。

隨著我們日常生活中越來越多地使用電子產品，遵守這些標準可確保用戶安全，產品不會污染和影響附近產品的工作。雖然每個國家都有自己的標準，但它們的價值差別不大。

但是，從電子封裝的角度，我們需要知道產品應該符合什么標準。了解標準有助于設計包裝，使產品符合要求的標準。最好的策略是獲得最壞情況的限制并為它們設計產品。但是，在某些情況下，這樣做的成本可能很高。

讓我們了解設計合規產品的輻射機制的基礎知識。幾乎所有電子產品都會以這兩種模式中的任何一種輻射或受到影響。這些是：

傳導發射 (CE)

電源和其他電纜充當載體并輻射不需要的射頻信號。

輻射發射 (RE)

產品本身會輻射，就像射頻發射器一樣。

傳導和輻射發射的頻率限制是不同的。大多數發射是輻射發射，它們分布在大帶寬上。

輻射發射需要一個射頻發射器和一個接收器來進行能量傳輸。通常，在測試期間，發射機是被測產品，接收機是配備有天線的頻譜分析儀，用于測量射頻能量的強度。圖 1 顯示了產品中的輻射和傳導發射機制，以供我們理解。

但是，除了會增加整體輻射的電纜（電源和信號）之外，大多數輻射都是通過外殼中的小孔（例如通風孔、角縫和機箱底部和頂部之間的縫隙）進行的。雖然電力電纜輻射被測量為信號電纜引起的 CE 輻射，但它是總輻射發射的一部分。

這就是為什么必須仔細設計具有大電纜連接（以太網開關電纜、傳感器電纜等）的產品并且必須將任何輻射源包含在外殼內的原因之一，因為管理電纜輻射可能具有挑戰性且成本高昂。

為了驗證產品的合規性，將其保存在消聲室中，并將天線與產品保持指定距離（三米或十米），具體取決于產品應遵守的標準。天線通過適當的儀器連接到頻譜分析儀，以測量產品輻射的信號電平，以進行 RE 測量。讀數根據標準規定的水平進行映射。如果信號電平低于指定電平，則產品通過了合規認證。

在傳導發射的情況下，被測產品的電源線通過線路阻抗穩定網絡 (LISN) 連接到頻譜分析儀，并測量信號電平，并在輻射發射的情況下根據標準指定值進行映射。圖 2 和圖 3 顯示了 FCC 和歐盟標準的輻射和傳導發射水平，以便更好地理解標準。

圖 2：FCC 標準的輻射和傳導發射水平

圖 3：歐盟標準的輻射和傳導發射水平

這些標準定義了兩組級別，稱為 A 級和 B 級。表 1 顯示了這些級別在美國和歐盟的適用性。

A 類允許更高的輻射，因為工業環境非常嘈雜。但是，B 類輻射限制要低得多（更嚴格），大多數消費品都需要滿足此標準。

注意事項

設計人員認為 EMC 和 EMI 問題僅由外殼引起。這是每個設計師都應該知道的神話。為了成功合規，整個產品的設計必須符合標準。PCB 組件 (PCBA) 是罪魁禍首，除外殼外，這些組件還需要仔細的 EMC/EMI 設計。

輻射和傳導發射的解決方案在實施上有所不同。如果產品是無線電設備，所需的主要細節是系統電子設備運行的頻率和 RF 載波頻率。基本方波往往包含諧波，這對輻射有很大貢獻。輻射發射的解決方案是減少 PCBA 的發射，這基本上取決于電路設計。

經驗表明，高速數字電路是主要的輻射源，因為它們具有上升時間小的方波。

用于降低 EMC/EMI 的電路設計是一個很大的話題，由于我們的主要關注點是電子封裝，因此這里不進行介紹。然而，PCBA 的輻射只能減少而不能完全消除，而這項工作必須由外殼和過濾器來完成。

抑制射頻輻射的過程稱為屏蔽。金屬是抑制輻射發射的最佳屏蔽。因此，對于帶有塑料外殼的產品而言，射頻輻射遏制可能是一個大問題。即使是具有不完美接頭、接縫或通風孔的金屬外殼也可能是射頻輻射的來源。在鉚釘和簡單螺釘等外殼緊固機制的情況下，兩個螺釘/鉚釘之間的空間也可能成為輻射源。這就是設計人員必須預先了解合規性需求（SCoPE 框架）以決定外殼連接/緊固機制的原因。

在深入研究輻射和傳導發射的解決方案之前，讓我們先了解一下屏蔽機制。圖 4 顯示了一個沒有外場的屏蔽外殼內的電子系統。由于屏蔽，沒有輻射逸出（輻射發射預防）。圖 5 顯示了完全相反的情況，其中屏蔽防止輻射進入并且外殼內的系統不受外部輻射影響（輻射發射敏感性）。

圖 4：沒有外場的屏蔽外殼中的電子系統

圖 5：屏蔽防止輻射進入外殼

金屬是最好的屏蔽材料，因為它們具有導電特性，因此金屬外殼被發現有利于 EMC/EMI 保護。當射頻波穿過塑料時，塑料不利于屏蔽。金屬的屏蔽效果取決于其厚度和射頻發射頻率。但是，根據經驗，與鋁相比，低碳鋼具有良好的屏蔽特性。

正如我們在圖 4 和圖 5 中看到的，理想的屏蔽罩應該是一個緊密封閉的盒子，以獲得最佳性能。然而，在現實生活中，任何外殼都會有接縫（由于金屬板設計）和用于顯示器、開關和電纜的開口。從輻射的角度來看，這些被稱為孔徑。外殼中的小孔會導致射頻輻射泄漏。當這些輻射泄漏降低到較低水平時，可實現最佳 EMC/EMI 性能。

通常，噪聲場（由射頻輻射產生）會在屏蔽中感應出電流，而這些電流會在屏蔽中感應出額外的場。這些新字段取消了某些空間中的原始字段。為了發生這種抵消，必須允許屏蔽電流不受任何阻礙地流動。圖 6 顯示了無孔時感應電流如何流動，圖 7 顯示了當有孔時電流如何受到干擾。

圖 6：無孔時感應電流如何流動

圖 7：存在孔徑時電流如何受到干擾

我們需要記住，大多數電子系統都需要通風槽來散熱，這可能是 EMC/EMI 的問題。一種解決方案是通過一組孔提供通風，這使得感應電流不受干擾，如圖 8 所示。

圖 8：通過一組孔的通風允許感應電流不受干擾地流動

外殼的另一個挑戰是接縫。由于外殼由多個部分制成，因此在鈑金外殼中不可避免地會出現接縫。當這些部分用鉚釘或螺釘固定時，它們會使接縫因開孔而漏水。如果這些接縫必須防漏，需要做三件事：

相鄰的部分應該重疊。

鉚釘和螺釘應盡可能靠近，以減少孔徑效應。這就是焊接有用的地方！

兩個重疊的表面必須是導電的，為了更好的屏蔽，應該使用 EMI 墊圈或 EMI 指狀物。

設計人員在電子封裝中經常面臨的一個挑戰是，一個問題的解決方案會導致另一個問題（EMI/EMC 與散熱）。然而，鈑金外殼自然會導致 EMC/EMI 問題，而塑料外殼對 EMC/EMI 構成了巨大挑戰。

為了使塑料外殼滿足 EMC/EMI 需求，這些外殼必須具有導電性。最流行但昂貴的解決方案是在塑料外殼內涂上一層導電涂料，或者用添加劑使塑料導電。其他方法是化學鍍或金屬箔襯里，這兩種方法既昂貴又脆弱。

另一種方法是將 PCB 組件封裝在金屬屏蔽中，這樣塑料外殼就不必針對 EMC/EMI 進行處理。這種方法在無線電產品中很流行，因為有時功率電平很高，需要包含在 PCBA 模塊本身中。PCB 安裝屏蔽可以定制設計，也可以試用即用型屏蔽。大多數 Wi-Fi 和藍牙模塊都帶有屏蔽以減少外來輻射，并且它們的 PCBA 是屏蔽的，天線除外。

使產品符合 EMC/EMI 標準的最佳方法是遵循下面提到的六個步驟：

了解有關輻射的標準合規性需求，并為安全裕度多預算 3dB。滿足認證過程的限制是完全沒問題的，但由于制造過程可能會有變化，這可能會使產品失敗。

確保外殼設計良好，同時牢記上述信息。但如果使用現成的外殼，請確保選擇正確的外殼。多于選擇，按照供應商推薦的流程進行組裝。（我記得我們曾經使用過 PCB 屏蔽作為 EMI 解決方案，產品以良好的裕度通過了限制。但是，在生產過程中，我們發現產品沒有通過樣品測試。我們走過生產線，發現在-安裝PCB屏蔽時出現問題，由于PCB孔邊距誤差，屏蔽無法輕松插入，技術人員使用尼龍錘將屏蔽推入。這是一個完美的方法，但溫和尼龍錘敲開兩側屏蔽層的接縫，導致輻射失效！在FCC認證的情況下，當您獲得 FCC 合規注冊號時，本質上意味著 FCC 可以從市場上取樣并測試您的產品的輻射合規性。因此，EMC/EMI 認證是一項相當艱巨的工作。）

根據設計指南進行的電子電路設計和 PCB 布局很重要，但相當重要，無法在此處涵蓋。

產品的第一個版本應該在實驗室中進行預掃描以獲得測量結果。這將提供當前形式的產品的故事。解決方案可以在下一次修訂中實施，無需花費太多時間和精力。

當通過圍繞垂直 Y 軸旋轉產品 360° 完成掃描（預掃描和最終掃描）時，讀數會顯示任何與接縫或孔徑相關的泄漏。一些實驗室以靜態方式進行，產品的四個側面都旋轉了 90 度。這有時會掩蓋輻射問題，因此最好使用旋轉臺進行掃描。

從讀數可以確定輻射泄漏的來源。正常的頻譜分析儀讀數將在 X 軸上顯示頻率，在 Y 軸上顯示輻射水平；角度必須由合規工程師和設計工程師手動觀察?；阝k金外殼的設計可能會由于制造和設計錯誤而失敗，例如角落彎曲處的間隙，輻射可能會從那里泄漏。最好的解決方案是在金屬板外殼的頂部和底部之間有一個重疊，它也必須是導電的（沒有涂漆/涂層），沒有涂漆的重疊。圖 9 顯示了外殼的橫截面，以便更好地理解。

圖 9：外殼的橫截面

靜電放電

當人或物體上累積的 10-15kV 電荷通過電子產品放電時，就會發生靜電放電。ESD 會永久損壞半導體。當大氣濕度較低時，它的影響很大，但它永遠無法避免。除非采取保護措施，否則產品很容易被無聲無息地損壞。有兩種方法可以保護產品免受 ESD 影響：

在暴露于外界的半導體輸入端提供 ESD 保護。這些輸入通常是連接器，這需要具有適當 ESD 保護的電路設計。保護裝置稱為瞬態電壓抑制器。這些將 ESD 降低到安全水平，防止損壞半導體。

確保外殼沒有間隙，ESD 可以通過這些間隙潛入，并且外殼正確接地以充當出色的 ESD 屏蔽。雖然金屬外殼具有良好的 ESD 屏蔽能力，但塑料機柜就沒那么幸運了。具有諷刺意味的是，塑料機柜對 EMC/EMI 的防護也很差，內部屏蔽對于產品的安全性至關重要。

通常，在大多數情況下，良好的 EMC/EMI 對策也應適用于 ESD。然而，電源接地不當有時會使產品成為 ESD 的受害者。防止 PCBA 被 ESD 損壞的成功方法是在 PCB 邊緣提供 1-2mm 寬的銅跡線。（走線端不應連接形成環路；它應該是開路的，一端應連接到底盤接地。）吸引 ESD 的其他候選對象是暴露的連接器引腳（尤其是山形棒）。用于微控制器編程的在線編程連接器通常是罪魁禍首。這些措施有助于將 ESD 電壓轉移到接地跡線而不是損壞半導體。

大多數情況下，只有在產品設計過程中采取了所有預防措施并完成產品測試后，才能實施 ESD 解決方案。但是，ESD 標準確實允許系統在某些應用程序啟動后重新啟動。但在醫療、航空電子設備和一些工業設備等關鍵任務領域，重啟是不可能的。