EMC設計分析方法與風險評估技術

內容簡介

本書基於EMC測試原理，解趨旬精讀一種產品EMC設計的分析方法（包括產品機械架構設計、濾波設計、 PCB設計），該方法可以用來指導產品的EMC設計，掌握該技術的工程師可以發現實際產品EMC設計的缺陷。避免了從技術角度出發談論EMC設計而出現歸晚詢的過於理論化的問題, 通過本書所描述的EMC分析方法可以系統地指導開發人員避免產品開發過程中所碰到的EMC問題。同時，建立在這種產品EMC設計分析方法的基礎上利用已有的風險評估手段，形成一種產品EMC設計承擔辯微風險評估技術，利用EMC設計風險評估技術可以評估產品在不進行EMC測試的情況下評估產品EMC測試失敗的風險。這種分析方法和評估技術還可以與電子產品的開發流程融合在一起，通過每個步驟的EMC分析，指出產品設計的EMC風險，並給出解決方案或改進建議，以提高產品EMC測試的通過率，降低產品開發成本。大量的實踐證明，通過該方法分析而設計的產品，也同樣能在EMI測試中獲得非常高的通過率。正確使用該方法能將產品在第一輪或第二輪設計時，就通過所有的EMC測試，這種通過率在產品第一輪設計時為90%~100%之間，第二輪設計時為100%。同時，正確使用EMC設計風險評估，將揭開產品EMC性能的黑盒，可以無需EMC測試而對產品進行EMC性能進行評價或合格評定，也可以與EMC測試結果結合對產品進行綜合的EMC評價和合格評定，也可以作為產品進行正式EMC測試之前的預評估，以降低企戶堡榆業研發測試成本。本書以實用為目的，內容豐富，深入淺出，通俗易懂，相信它可以作為電子產品設計部門EMC方面戲危應必備參考書，也可以作為結構工程師、電子和電氣工程師、PCB layout工程師、硬體測試工程師、質量工程師、系統工程師、EMC設計工程師、EMC測試工程師、EMC整改工程師、EMC仿真工程師及EMC顧問人員進行EMC培訓的教材或參考資料, 還可以作為大專院校相關專業師生的教學參考書。

圖書目錄

第1章 EMC與EMC設計基礎1

1.1 什麼是EMC和EMC設計1

1.2 產品的EMC性能是設計賦予的3

1.3 EMC也是常規設計準則的例外情況4

1.4 EMC理論基礎6

1.4.1 EMC相關基本單位6

1.4.2 時域與頻域7

1.4.3 電磁騷擾單位尋鍵端提分貝（dB）的概念9

1.4.4 正確理解分貝真正的含義11

1.4.5 電場與磁場12

1.4.6 電路基本元器件及其基本特性14

第2章 EMC設計與共模電流18

2.1 EMC測試與共模電流分析18

2.1.1 EMC測試是EMC設計的重要依據18

2.1.2 輻射發射測試19

2.1.3 傳導騷擾測試22

2.1.4 靜電放電抗擾度測試24

2.1.4 射頻輻射電磁場的抗擾度測試29

2.1.5 電快速瞬變脈衝群的抗擾度測試33

2.1.7 浪涌的抗擾度測試41

2.1.8 傳導抗擾度測試（CS）和大電流注入（BCI）測試47

2.1.9 電壓跌落、短時中斷和電壓勸辣漸變的抗擾度測試52

2.2 產品電路中的共模和差模信號55

2.3 EMC測試的實質與共模電流57

2.4 典型共模干擾在產品內部傳輸機理58

2.5 共模干擾電流干擾電路正常工作的機理59

2.6 數字電路的噪聲承受能力62

2.7 EMI共模電流的產生與分析67

2.7.1 傳導騷擾與共模電流分析69

2.7.2 輻射發射與共模電流分析70

2.7.3 產生共模電流輻射的條件76

第3章風險評估概念及EMC設計風險評估77

3.1 風險評估定義77

3.2 EMC風險評估的目的和EMC設計風險評估77

3.3 EMC設計風險評估對象78

3.4 明確環境信息78

3.5 EMC設計風險準則78

3.5 EMC設計風險評估過程79

3.5.1 概述79

3.5.2 EMC設計風險識別80

3.5.3 EMC設計風險分析81

3.5.4 EMC設計風險評價81

3.6 風險評估工具82

3.6.1 風險指數法82

3.6.2 風險矩陣法82

3.6.3 層次分析法83

3.7 風險評估報告要求83

第4章產品的機械構架EMC設計與接地設計85

4.1 產品的機械構架決定共模電流路徑85

4.4.1 產品的機械構架決定共模電流機理85

4.1.2 EMC抗干擾測試中的共模電流與產品的機械結構結構91

4.1.3 機械構架設計實例分析98

4.1.4 EMI共模電流與產品的機械架構設計100

4.1.5 相關案例分析105

4.2 接地是決定共模電流方向與大小的最重要因數108

4.2.1 什麼是接地與浮地108

4.2.2 接地改變共模電流方向和大小的原理109

4.3 電纜/連線器在產品中的位置是決定共模電流的流向與大小的第二重要因素110

4.3.1 EMC測試與連線器、電纜位置110

4.3.2 EMI設計分析從連線器電纜開始111

4.3.3 電纜引入的的EMC抗擾度問題117

4.3.4 關注電纜的固有電阻、電容、電感對EMC的影響118

4.3.5 敏感電路.EMI騷擾源的位置和產品中共模電流的方向大小119

4.4 電纜/連線器中抑制共模電流的方法123

4.5 接口電路及其中的濾波、抑止可以改變共模電流的方向和大小129

4.5.1 平衡電路設計129

4.5.2 濾波器與抑制設計130

4.6 隔離改變共模電流大小132

4.6.1 變壓器隔離在EMC中的實質133

4.6.2 光電耦合器隔離在EMC中的實質140

4.6.3 繼電器隔離在EMC中的實質146

4.6.4 使用共模扼流圈（共模電感）在EMC中的實質147

4.7 浮地產品的共模電流與EMC分析150

4.8 產品內部PCB板間的互連是產品EMC問題最薄弱環節155

4.8.1 產品內部連線器與EMI155

4.8.2 產品內部連線器與EMS159

4.8.3 互聯電纜中的串擾分析方法160

4.9 相關案例分析160

4.9.1 案例分析1160

4.9.2 案例分析2164

4.4.3 案例分析3166

第5章濾波、去耦、旁路設計171

5.1 電容171

5.1.1 電容的自諧振171

5.1.2 電容的並聯175

5.1.3 X電容和Y電容177

5.2 RC電路177

5.2.1 RC微分電路177

5.2.2 RC耦合電路178

5.2.3 RC積分電路180

5.3 再談LC電路182

5.4 濾波器和濾波電路的設計分析183

5.4.1 什麼是濾波器和濾波電路183

5.4.2 濾波效果與阻抗185

5.4.3 電源濾波器186

5.4.4 信號接口濾波器的設計方法188

5.5 常用信號接口電路的濾波器或濾波電路設計原理。192

5.5.1 滑鼠和鍵盤PS/2連線埠濾波器192

5.5.2 RS232接口電路的濾波設計192

5.5.3 RS422和RS485接口的濾波電路設計193

5.5.4 E1/T1接口電路EMC設計194

5.5.5 乙太網接口電路EMC設計方法195

5.5.6 USB接口電路EMC設計198

5.6 濾波器或濾波電路的安裝與放置201

5.7 濾波器與共模電流204

5.8 PCB板中的去耦設計方法204

5.8.1 去耦的實質204

5.8.2 去耦電容的選擇方法206

5.8.3 去耦電容的安裝方式與PCB設計208

5.9 電容旁路的設計方法208

第6章　PCB EMC設計210

6.1 什麼是阻抗210

6.1.1 阻抗與特性阻抗210

6.1.2 阻抗的意義211

6.1.3 阻抗在實際PCB中的體現形式213

6.1.4 PCB中印製線阻抗215

6.1.5 導線的阻抗217

6.2 PCB中地平面的設計與分析方法219

6.2.1 完整地平面的阻抗與設計方法219

6.2.2 過孔、裂縫及其對地平面阻抗的影響223

6.2.3　PCB中的過孔設計技巧230

6.3 金屬板的阻抗分析方法及在EMC中的套用230

6.4 連線器對阻抗的影響231

6.5 PCB設計中串擾的防止設計231

6.5.1 串擾對產品整體EMC性能的影響原理231

6.5.2 產品中的串擾是如何發生的232

6.5.3 串擾模型分析234

6.5.4 產品中串擾的防止方法243

6.5.5　哪些信號之間需要考慮串擾問題249

6.6　相關案例分析250

6.6.1　連線器地阻抗引起的EMC問題案例250

6.6.2 PCB布線串擾引起的干擾256

第7章　產品EMC設計分析方法258

7.1　產品機械構架設計的EMC分析258

7.1.1　產品機械構架設計的EMC分析原理258

7.1.2　產品相關的EMC重要描述259

7.1.3　估算共模電流和干擾壓降261

7.1.4 產品的系統接地與浮地分析262

7.1.5 局部接地、隔離與浮地分析263

7.1.6 產品系統接地方式分析263

7.1.7 工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連線點的位置（直接或通過Y電容接）分析263

7.1.8 金屬板的套用情況、形狀及其分析263

7.1.9　輸入輸出連線埠連線器在產品中或在電路板中的位置分析265

7.1.10　印製電路板之間的互連、互連線和連線器處理分析265

7.1.11 禁止需求分析266

7.1.12 禁止體的設計方式分析266

7.1.13 電纜類型及禁止電纜禁止層的連線方式分析266

7.1.14 開關電源中開關管上的散熱器的處理分析267

7.1.15 傳導騷擾與輻射發射措施額外描述267

7.1.16 產品抗ESD干擾措施的描述267

7.1.17 其它EMC方面的考慮268

7.2　單板設計的EMC分析268

7.3　電路原理圖設計的EMC分析268

7.3.1 電路原理圖設計的EMC分析原理268

7.3.2 電路原理圖描述270

7.3.3 將電路原理圖進行EMC描述270

7.3.4 電路原理圖的濾波分析270

7.5.5 地及地平面分析272

7.3.6 高速線的EMC分析及處理274

7.3.7 敏感信號線的EMC分析及處理274

7.3.8 指出並確認未使用元器件及懸空信號線並對其進行EMC處理274

7.4 PCB布局布線的建議275

7.4.1 PCB布局布線的建議的意義275

7.4.2 PCB層數及各層的分配建議275

7.4.3 GND 、AGND等地平面及VCC等電源平面在PCB層中的位置278

7.4.4 指出敏感元器件在PCB中放置的相對位置278

7.4.5 濾波電容等濾波器件在PCB中的相對放置279

7.4.6 GND地平面的設計279

7.4.7 模擬地AGND地平面的設計279

7.4.8 VCC電源平面的設計279

7.4.9 串擾防止的處理方式279

7.4.10 特殊信號線的處理方式（如時鐘信號線、高速信號線、敏感信號線等）279

7.4.11 PCB中空置區域的處理280

7.4.12 其它建議280

7.4.13 PCB布局布線示意圖280

7.5 PCB設計審查與EMC分析281

7.5.1 PCB設計審查的意義和任務281

7.5.2　地平面完整性及其阻抗審查281

7.5.3　串擾審查282

7.5.4　去耦.旁路電容和濾波電容的審查282

7.5.5　PCB布局布線檔案283

第8章　產品的防雷擊浪涌、ESD和差模EMC問題設計與分析287

8.1 產品的防雷與防浪涌；287

8.1.1 雷擊與浪涌定義287

8.1.2　防雷與防浪涌設計理念290

8.1.3　防雷電路中的元器件292

8.1.4　交流電源口防雷電路和防浪涌電路的設計302

8.1.5 直流電源口防雷電路和防浪涌電路的設計304

8.1.6 信號口防雷和浪涌保護電路設計305

8.1.7　電源防雷器的安裝307

8.1.8 信號防雷器的接地309

8.2　EMC中的差模干擾與騷擾.310

8.2.1 什麼是差模：參見第二章310

8.2.2 接口電路中的差模干擾與騷擾310

8.2.3 PCB電路中的差模干擾與騷擾311

8.2.4 解決電路中的差模干擾與騷擾的方法315

8.3 ESD316

8.3.1 ESD產生的機理316

8.3.2 通過絕緣防止ESD316

8.3.3 通過禁止防止ESD317

8.3.4 通過良好的搭接與接地防止ESD317

8.3.5 通過PCB布局布線防止ESD產生的電磁場感應318

8.3.6 I/O連線埠的ESD 防護319

第9章　產品EMC設計分析方法之套用實例321

9.1　產品機械構架設計的EMC設計分析實例（抗擾度分析方法）321

9.1.1 分析原理321

9.1.2 產品相關的EMC重要信息描述322

9.1.3 估算共模電流和干擾壓降325

9.1.4 產品的系統接地與浮地分析326

9.1.5 局部接地、隔離與浮地分析327

9.1.6 產品系統接地方式的分析327

9.1.7 工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連線點的位置（直接或通過Y電容接）分析327

9.1.8 金屬板的套用情況、形狀及其分析328

9.1.9　輸入輸出連線埠連線器在產品中或在電路板中的位置分析328

9.1.10　印製電路板之間的互連、互連線和連線器處理分析328

9.1.11 電纜類型及禁止電纜禁止層的連線方式分析329

9.1.12 禁止需求分析329

9.1.13 禁止體的設計方式分析330

9.1.14 開關電源中開關管上的散熱器的處理分析330

9.1.15 傳導騷擾與輻射發射措施額外描述330

9.1.16 產品抗ESD干擾措施的描述331

9.1.17 產品其它在EMC方面的考慮331

9.2　單板EMC設計的分析332

9.3 電路原理圖EMC設計分析332

9.3.1 電路原理圖EMC設計分析原理332

9.3.2 原理圖描述334

9.3.3 將電路原理圖進行EMC描述334

9.3.4 電路原理圖的濾波分析337

9.3.5 地及地平面分析339

9.3.6 高速線的EMC分析及處理340

9.3.7 敏感信號線的EMC分析及處理341

9.3.8 指出並確認未使用元器件及懸空信號線並對其進行EMC處理341

9.4 PCB設計審查與EMC分析342

9.4.1 PCB布局布線的建議的意義342

9.4.2 PCB層數及各層的分配建議342

9.4.3 GND 、AGND等地平面及VCC等電源平面在PCB層中的位置343

9.4.4 指出敏感元器件在PCB中放置的相對位置343

9.4.5 濾波電容等濾波器件在PCB中的相對放置344

9.4.6 GND平面的設計344

9.4.7 模擬地AGND平面的設計345

9.4.8 VCC平面的設計345

9.4.9 串擾防止的處理方式345

9.4.10 特殊信號線的處理方式（如時鐘信號線、高速信號線、敏感信號線等）345

9.4.11 PCB中空置區域的處理345

9.4.12 其它建議：345

9.4.13 PCB布局布線示意圖346

9.5　PCB設計審查346

9.5.1 PCB設計審查的意義和任務346

9.5.2　地平面完整性及其阻抗審查346

9.5.3　串擾審查348

9.5.4　去耦.旁路電容和濾波電容的審查350

9.5.5　PCB布局布線檔案351

9.6 產品機械構架設計的EMC設計分析實例（EMI分析方法）352

9.6.1　分析原理352

9.6.2　產品相關的EMC重要機械構架描述352

9.6.3　關於產品的系統接地、浮地與禁止分析355

9.6.4　局部接地、隔離與浮地357

9.6.5　工作地和大地（保護地或機殼地）之間的連線點的位置（直接或通過Y電容接）357

9.6.6　EMC意義上的產品接地設計方式358

9.6.7　金屬板對EMC的意義及形狀和互聯要求358

9.6.8　輸入輸出連線埠連線器在產品中或在電路板中的位置359

9.6.9　互聯與電路板之間得排線和連線器處理.360

9.6.10　電纜類型及禁止電纜禁止層的連線方式360

9.6.11　開關電源的要求361

第10章　產品EMC設計風險評估技術362

10.1　EMC設計風險評估原則和依據363

10.2　產品EMC設計風險評估概念363

10.3　EMC設計風險評估基礎機理和模型364

10.3.1　產品機械構架EMC設計風險評估機理和理想模型364

10.3.2　產品PCB設計EMC風險評估機理367

10.3.3 PCB EMC設計的理想模型368

10.4　EMC設計評估要素風險影響程度等級與風險分類373

10.5　EMC設計風險等級375

10.6　EMC設計風險評估步驟376

10.7　EMC設計風險評估識別376

10.7.1　概述376

10.7.2　產品機械構架EMC設計風險識別377

10.7.3　產品PCBEMC設計風險識別378

10.8　EMC設計風險分析379

10.8.1　產品機械構架EMC設計風險分析379

10.8.2 PCB設計的EMC風險分析384

10.9　EMC設計風險評價390

10.9.1　風險指數法390

10.9.2　EMC設計風險評價計算和風險等級確定390

第11章　EMC設計風險管理與產品研發393

11.1　EMC設計技術與管理的發展與現狀393

11.2　EMC風險管理定義395

11.3　EMC風險管理的重要性395

11.4　EMC 風險管理原則396

11.5 EMC設計風險管理過程397

11.5.1　指定EMC專家397

11.5.2　產品的EMC測試計畫制定397

11.5.3　產品EMC設計風險評估法融入到企業產品開發流程399

11.5.4　EMC風險應對400

11.5.5　監督和檢查401

11.5.6　溝通和記錄401

EMC設計分析方法與風險評估技術

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