第13篇 EMC概述(1) 什么是电磁兼容性(EMC)?

“电磁兼容性(EMC)”主要分为两种,一种是设备本身的电磁噪声对其他设备或人体带来的影响(电磁干扰,EMI:Electromagnetic Interference, Emission),另一种是设备是否会因来自外部的电磁干扰而发生误动作(电磁敏感性EMS:Electromagnetic Susceptibility, Immunity),之所称为“电磁兼容性”,是由于为了避免发生故障,这两方面都要兼顾。

从第13篇开始,将是大家期待已久的内容!我们将开始电磁兼容性(EMC)中级篇!从本文开始,我想围绕“电磁兼容性(EMC)”做一个深入探讨。希望本系列的内容对您有所帮助!

本文的重点是:什么是电磁兼容性(EMC)?当然这也是为了温习一下相应的内容。在初级篇的第1篇中,有过以下介绍:

“电磁兼容性(EMC)”主要分为两种,一种是设备本身的电磁噪声对其他设备或人体带来的影响(电磁干扰,EMI:Electromagnetic Interference, Emission),另一种是设备是否会因来自外部的电磁干扰而发生误动作(电磁敏感性EMS:Electromagnetic Susceptibility, Immunity),之所称为“电磁兼容性”,是由于为了避免发生故障,这两方面都要兼顾。

以文字的形式写成“定义”是这样的,理解起来有点难是吧。下面我将浅显易懂地、直观地解释一下。我将以大家熟悉的半导体集成电路(LSI、IC)为主角进行解说。

首先是电磁干扰(EMI或电磁发射)。如今,已经开发出并且在售的LSI和IC种类繁多。为了便于说明,大致分类如下:

  • ①老式三端电源(7805和7905等)和低饱和电源(LDO)等直流电源相关产品。这些产品要处理的信号是直流(DC)的。
  • ②差分运算放大器(运算放大器)、电压比较器(比较器)、语音信号处理等相关的产品。要处理的信号是基于正弦波的模拟信号和线性信号。
  • ③微控制器、存储器、逻辑等相关的产品。要处理的信号是数字信号。
  • ④最近常用的开关电源和电荷泵电源等电源相关的产品;LED驱动器、LCD驱动器等显示相关的产品;PWM电机驱动器等驱动相关的产品。这些LSI和IC是涉及到开关技术的产品。

其中①和②不产生电磁干扰(EMI),③和④产生电磁干扰(EMI)。可以简单的理解为模拟LSI和线性LSI不会产生电磁噪声,而数字LSI和开关LSI会产生电磁噪声,这样说可能更直观更易懂。

由于直流电压本身没有基波和谐波分量,正弦波中的高次谐波分量(基波的N倍频分量)很少,因此不易产生电磁噪声。而数字LSI和开关LSI是处理矩形波(脉冲波)的产品,因此会产生比如在1GHz(千兆赫兹)左右的高次谐波分量(主要是奇次谐波)。这就是“电磁干扰 (EMI)”的本来面目。换句话说,数字LSI和开关LSI所进行的电路工作会产生电磁干扰(EMI)。当然,其优点是通过数字工作可实现高速、大规模的运算处理,通过低功耗工作可延长电池驱动时间。这些产品之所以能够在世界范围内被广泛使用,因为它们的优点大于缺点。

其次,电磁敏感性(EMS或电磁抗扰度)是半导体集成电路(LSI、IC)对电磁噪声的抵抗能力,要求其足够强以防止误动作。可以从两个角度来看电磁敏感性(EMS)。

首先是从电压轴的角度来思考。制造工艺越来越微细,电源电压越来越低,这也就越来越容易导致误动作。很久以前,5V逻辑IC是主流产品,但现在电源电压为0.9V的产品并不少见。例如,在逻辑IC中,内部阈值电压(IC内部区分H电平和L电平的电压)已从2V降低到0.4V。5V逻辑IC受1V外部电磁噪声的影响是不会产生误动作的,而0.9V逻辑IC则很容易产生误动作。尽管如此,仍然使用0.9V逻辑IC是因为其具有低功耗设计所需的优点。

然后是从频率轴的角度来思考。半导体集成电路(LSI、IC)不能以其单体的形式单独工作,需要安装在印刷电路板(PCB)上组成电路后执行工作。在印刷电路板(PCB)上,包括LSI内部在内,存在很多与布线相关的寄生分量。简单的有寄生电阻R(布线电阻)、寄生电容C(杂散电容)、寄生电感L(直流电感)等。经常听到的比较有代表性的有ESR(Equivalent Series Resistance:等效串联电阻)和ESL(Equivalent Series Inductance:效串联电感)。而寄生分量中最麻烦的是电容分量和电感分量。这是因为存在于LSI内部和整个印刷电路板(PCB)的寄生电容C和寄生电感L会引发谐振现象。LC串联谐振和并联谐振可以发生在从低频到高频的各种频率上。在这些谐振频率上,阻抗会变为零或无穷大,从而形成容易发生误动作的频率。这也是需要很强的电磁敏感性(电磁抗扰度)的原因之一。之所以说是“之一”,是因为还有很多其他原因,比如容易误动作的电路结构和电路板底片等。一般说来,相比电磁干扰(EMI)对策,针对电磁敏感性(EMS)的对策更难,原因是电磁敏感性(EMS)涉及到诸多因素,而要判明其中的哪一个因素是起主要作用的,就需要时间和技巧了。

接下来我想谈谈电磁噪声的传播路径,但是放在这一篇文章里会显得内容过多,所以我会在下一篇中进行讲解。

感谢您阅读本文。

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