电子电路仿真与电磁兼容Word文档格式.docx

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4.EMC认证标准10

4.1EMC认证标准概述10

4.2EMC标准10

4.3我国汽车电子行业EMC标准现状11

5、EMC检测国内外对12

5.1国外汽车电磁兼容研究概况12

5.2　国内汽车电磁兼容研究概况13

6.检测工具及方法（以华阳通用电子有限公司为例）14

6.1　ISO系统14

6.2ISO系统设备介绍14

6.3BCI系统方案18

6.4ESD系统方案20

7.PCB电磁兼容技术应用实例--以汽车电子行业为例21

7.1汽车电子概述21

7.2汽车电子的电磁兼容性检测22

7.3汽车电子电磁兼容技术应用实例（以车速传感器为例）23

7.3.1车速传感器23

7.4对汽车电子中PCB电磁兼容技术应用的小结26

结束语27

1.引言

1.1背景

电和磁这两种客观存在，但又看不见摸不到的物质已经充斥于我们生活的各个角落，无时无刻不在影响着人们的生产和生活。

电磁能得广发应用，是工业技术的发展日新月异。

电磁能在为人类创造巨大财富的同时，也带来异一定的危害，被称为电磁污染，这也是环境保护研究的一个重要分支。

电磁产生的一些列问题影响生产和生活，对电磁的研究也开始开展。

不断研究解决电磁环境中设备之间以及系统之间相互关系的问题，促进了电磁兼容技术的迅速发展。

就电磁环境与人类的关系而论，除电磁环境会对人类生产产生直接影响，电力电子技术的进步以及社会生活的逐步发展还会对人类生活乃至人类的社会活动产生影响。

因此，探讨电磁环境与电工电子学的关系极为重要，世界各国都已经投入较多的人力物力，积极从事这方面的研究。

1.2电磁兼容技术在汽车电子行业的意义

汽车电子是车体汽车电子控制装置的总称，是由传感器、微处理器MPU、执行器、数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统。

随着汽车自动化程度的日益提高以及汽车科技的发展，部分机械系统将逐步被电子系统所取代，如今汽车的电子部件成本已经超过了汽车中称本的1/3。

这样的形式对汽车电子的电磁兼容性能提出了很大的挑战。

可是目前很多公司都是在前期设计阶段没有考虑电磁兼容方面问题，往往是在在产品样机出来再进行EMC模拟测试，如果这时测试通过，则是比较幸运的。

但很不幸的是，大多数情况下是不能测试通过的，这时出了问题进行整改并需要对产品重新设计，常常会要进行较大改动。

这个阶段产品电磁兼容出现问题原因比较多，如果是因为屏蔽问题往往会涉及结构模具改动，如果因为接口滤波问题就会对产品原理图进行改动，同时导致PCB的重新设计，还有可能会因为系统接地问题，那就会对整个产品系统重新做调整，重新设计。

避免这种情况的最佳做法是：

把电磁兼容问题在产品设计前期解决！

设计师应当针对可能出现的不同类型的干扰采取相应的措施来抑制，然后给出设计产品PCB的布局及布线原则以满足电磁兼容性能的要求。

2.电磁兼容（EMC）

2.1电磁兼容概述及发展

2.1.1电磁兼容性（EMC）：

电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

主要包括两个方面的要求：

一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；

另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

2.1.2我国电磁兼容技术发展状况

电磁兼容是一门新兴的综合性学科。

电磁兼容学科主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。

我公司的电磁兼容研究主要针对电气电子设备，同时也涉及到如生产中的静电放电、电磁辐射对人体的影响等方面。

1833年法拉弟发现电磁感应定律，指出变化的磁场在导线中产生感应电动势。

1864年麦克斯韦引入位移电流的概念指出变化的电场将激发磁场，并由此预言电磁波的存在，这种电磁场的相互激发并在空间传播。

正是电磁干扰存在的理论基础。

20世纪初，许多学者对电磁感应影响的研究日益深入。

并进一步研究感性、容性及阻性等耦合方式引起的干扰，还对辐射性干扰进行了大量研究。

美国从1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断加以充实和完善，使得电磁兼容技术得到快速发展。

进入八十年代，电磁兼容已成为十分活跃的学科领域，许多国家（美、德、英、法、日等国）在电磁兼容标准与规范，分析预测、设计、测量及管理等方面均达到很高水平，有高精度的电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）自动测量系统，可进行各种系统间的EMC试验，研制出系统内和系统间的各种EMC计算机分析程序。

在电磁干扰抑制技术方面，理论和实际处理方法已很完善，研制出许多专用的新材料、新的器件，并形成了一类新的EMC产业

我国开展EMC工作较晚，与先进国家差距较大，尤其是管理规范和设计规范很缺乏。

第一个干扰标准是1966年由原第一机械工业部制定的部级标准JB-854-66《船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量方法与允许值》。

八六年我国出台GJB151-86标准后，电磁兼容问题逐步得到重视，到九七年颁布并强制执行了GJB151A—--97既《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》；

GJB152A—97既《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》电磁兼容国军标及保密委标准后，电磁兼容技术水平提高很快。

目前已制定国家标准及军用标准三十余个，标准要求基本等同与国际标准和美军标。

为考核进出口电子、电气产品的干扰特性提供了一定条件，使我国在电磁兼容标准与规范方面有了较大进展。

近年来国家有关部门对电磁兼容十分重视，电磁兼容学术组织纷纷成立，在许多单位建立或改造了EMC实验室，引进较先进的EMI、EMS自动测量系统和设备，在各地区及一些军工系统建立了国家级EMC测量中心，已具备各种EMC测量和试验的能力。

2.2电磁兼容性的基本概念

电磁兼容性（EMC）分为两个方面：

电磁骚扰（EMI）和电磁抗扰度（EMS）

电磁兼容性EMC（ElectromagneticCompatibility）

设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致不允许的降级；

也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的降级。

电磁干扰EMI（ElectromagneticInterference）

电磁骚扰导致电子设备相互影响，并引起不良后果的一种电磁现象。

辐射发射RE（RadiatedEmission）

通过空间传播的、有用的或不希望有的电磁能量。

传导发射CE（ConductedEmission）

沿电源或信号线传输的电磁发射。

电磁敏感性EMS（ElectromagneticSusceptibility）

设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程度。

即设备对周围电磁环境敏感程度的度量。

电磁敏感意味着电磁环境已经造成设备性能的降低。

辐射敏感度RS（RadiatedSusceptibility）

对造成设备性能降级的辐射骚扰场的度量。

传导敏感度CS（ConductedSusceptibility）

当引起设备性能降级时，对从传导方式引入的骚扰信号电流或电压的度量。

图一：

电磁兼容概念关系

2.3电磁干扰的三要素

●电磁干扰效应：

由电磁骚扰源发出的电磁能量，经过某种耦合通道传输到敏感设备，导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果。

这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。

●电磁干扰效应有三个要素，分别为：

电磁骚扰源：

指产生电磁骚扰的元件、器件、设备或自然现象；

耦合途径或称耦合通道：

指把能量从骚扰源耦合到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介；

敏感设备：

指对电磁骚扰产生响应的设备。

所有的电磁干扰都是由上述三个因素的组合而产生的。

把它们称为电磁干扰三要素。

如下图所示。

图2：

电磁兼容三要素

2.4电磁兼容研究的主要内容及原则

2.4.1电磁兼容学科研究的主要内容

电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即对电磁骚扰源、耦合通道和敏感设备的研究。

骚扰源的研究包括其发生的机理、时域和频域的定量描述，以便从源端来抑制干扰的发射，通常采用滤波技术来限制骚扰源的频谱宽度和幅值。

骚扰的耦合通道有二条：

1，通过空间辐射；

2，通过导线传导。

辐射发射主要研究在远场条件下骚扰以电磁波的形式发射的规律以及在近场条件下的电磁耦合。

通常采用屏蔽技术来阻断骚扰的辐射。

传导发射讨论骚扰延导线传输的影响。

通常传导发射通过公共地线、公共电源线和互连线而实现。

电磁兼容的研究内容还包括电磁兼容控制技术、测量技术、分析预测等。

2.4.2电磁兼容的基本原则

电子线路的电磁兼容性设计应从以下几方面考虑：

元件选择在大多数情况下，电路的基本元件满足电磁特性的程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。

选择合适的电磁元件的主要准则包括带外特性和电路装配技术。

因为是否能实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。

而在许多情况下，电路装配又决定着带外响应（例如引线长度）和不同电路元件之间互相耦合的程度。

●具体规则是：

（1）在高频时，和引线型电容器相比，应优先进用引线电感小的穿心电容器或支座电容器来滤波；

（2）在必须使用引线式电容时，应考虑引线电感对滤波效率的影响；

（3）铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器；

（4）使用寄生电感和电容量小的电阻器。

片状电阻器可用于超高频段；

（5）大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插损，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器；

（6）使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插损；

（7）尽量使用屏蔽的继电器并使屏蔽壳体接地；

（8）选用有效地屏蔽、隔离的输入变压器；

（9）用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应接地；

（10）设备内部的互连信号线必须使用屏蔽线，以防它们之间的骚扰耦合；

（11）为使每个屏蔽体都与各自的插针相连，应选用插针足够多的插头座。

2.5消除或减小电磁干扰常用技巧

2.5.1电磁屏蔽理论

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。

屏蔽有两个目的，一是限值内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。

电磁场通过金属材料隔离时，电磁场的强度将明显降低，这种现象就是金属材料的屏蔽作用。

我们可以用同一位置无屏蔽体时电磁场的强度与加屏蔽体之后电磁场的强度之比来表征金属材料的屏蔽作用，定义屏蔽效能（ShieldingEffectiveness，简称SE）：

2.5.2接地设计

接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。

正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外辐射干扰；

反之错误的接地反而会引入严重的干扰，甚至使电子设备无法正常工作。

电子设备中的“地”通常有两种含义：

一种是“大地”，另一种是“系统基准地”。

接地就是指在系统的某个选定点与某个电位基准间建立低阻的导电通路。

“接大地”就是以地球的电位作为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、线路选定点等通过接地线、接地极等组成的接地装置与大地相连接。

“系统基准地”是指信号回路的基准导体（电子设备通常以金属底座、机壳、屏蔽罩或粗铜线、铜带作为基准导体），并设该基准导体电位为相对零电位，但不是大地零电位，简称为系统地。

接地的目的

有两个：

一是为了安全，称为保护接地。

电子设备的金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。

二是为电流返回其源提供低阻抗通道。

2.5.3滤波设计

滤波电路的基本概念

滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈构成的频率选择性网络，低通滤波器是电磁兼容抑制技术中普遍应用的滤波器。

为了减小电源和信号线缆对外辐射，接口电路和电源电路必须进行滤波设计。

滤波电路的效能取决于滤波电路两边的阻抗特性，在低阻抗电路中，简单的电感滤波电路可以得到40dB的衰减，而在高阻抗电路中，几乎没有作用；

在高阻抗电路中，简单的电容滤波电路可以得到很好的滤波效果，在低阻抗电路中几乎不起作用。

在滤波电路设计中，电容靠近高阻抗电路设计，电感靠近低阻抗电路设计。

3.PCB技术

3.1.PCB技术概述

3.1.1PCB概念及市场范围

PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。

由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

印刷电路板是组装电子零件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。

该产品的主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起中继传输的作用，是电子产品的关键电子互连件，有“电子产品之母”之称。

印刷电路板作为电子零件装载的基板和关键互连件，任何电子设备或产品均需配备。

其下游产业涵盖范围相当广泛，涉及一般消费性电子产品、信息、通讯、医疗，甚至航天科技产品等领域。

随着科学技术的发展，各类产品的电子信息化处理需求逐步增强，新兴电子产品不断涌现，使PCB产品的用途和市场不断扩展。

新兴的3G手机、汽车电子、LCD、IPTV、数字电视、计算机的更新换代还将带来比现在传统市场更大的PCB市场。

3.1.2PCB设计

不管是单面板、双面板、多层板的设计，之前都是用protel设计出来的，现在有用PADS、Allegro等设计。

印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。

印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。

保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键，合理正确的PCB的布线和设计应该使得:

（l）板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作;

（2）PcB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求;

（3）外部传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响。

优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。

简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。

3.2PCB中常见的电磁干扰类型

3.2.1传导干扰

传导干扰主要是通过导线耦合及公共阻抗耦合来影响其他电路。

当多个电路回路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路回路的电流在该公共阻抗上的电压变化就会影响到另一个电路回路，这就是共阻抗耦合。

如图3所示，电路1、电路2与电路3共用一根导线获得电源电压和接地回路，如果其中一个

电路的电压突然需要升高，那么另外两路的电压必将因为共用电源以及回路之间阻抗的变化而升高，

线路中这种du/dt的变化将形成一种干扰源，对地回路也是如此。

在PCB中，传导干扰的耦合途径是直接相通的电路，干扰信号正是通过这个通路由干扰源传递到敏感元件上的。

图3：

电磁干扰例图

3.2.2辐射干扰

通过辐射途径造成的干扰耦合称为辐射耦合。

它是以电磁场的形式将能量从一个电路传输到另一个电路，这种传输路径小至系统内可想象的极小距离，大至相隔较远的系统间。

根据频率的高低及干扰源、敏感元件之间的距离不同可分为近场干扰和远场干扰，而后者又可细分为共模CM干扰和差模DM干扰。

PCB中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰，共模电流辐射实际上是由差模源驱动产生的。

3.2.3串扰

串扰是一个信号线路干扰另外一邻近的信号路径，它通常发生在相互靠近的导体或回路之间，用电路和导体的互容和互感来表征。

在PCB中，当两条印制线间距离较近时，两线之间会发生电磁串扰，串扰会使有关敏感电路或元件功能失常。

例如，PCB上某一带状线上载有低电平信号，当平行布线长度超过10cm或两线间距离小于3W（W为印制线条宽度）时，就会产生串扰。

由于串音由电场通过互容、磁场通过互感引起，故将PCB上的串音问题分为表现为电场交链耦合的容性耦合和表现为磁场交链耦合的感性耦合。

3.3PCB抗干扰措施

3.3.1差模共模抑制

差模辐射可用小环天线的辐射来近似，根据环天线的辐射理论，可用以下方法来抑制差模干扰：

（1）减小回路的电流大小。

（2）减小环路面积，将信号线紧挨地线布置。

（3）减小信号频率及其谐波，加大数字信号的上升/下降时间。

共模辐射是由于接地电路中存在电压降，在同一块PCB上，存在不同电位差的电位分布区域，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下形成共模电流，成为辐射电场的天线,这是由于接地系统中存在电压降所造成的。

产品辐射性能的决定因素是共模辐射。

我们可以用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟共模辐射，限制共模电流是减小共模辐射的基本方法。

为此，我们可以采取以下措施：

（1）尽量减小激励此天线的源电压，即地电位。

（2）提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈。

（3）将共模电流旁路到地。

在设计PCB电路时，可根据以下要求来降低差模/共模干扰：

（1）印制线的长度应尽可能短而宽；

为了减少电流辐射的干扰能量，应根据预测或测量到的电磁波频率，并根据印制线的长度和其辐射频率的响应关系，合理地设计PCB中线路的长度。

（2）根据电路板的电平要求对其做量化分析，设立适当的接地平面或接地线、减小印制线长度和环路面积。

3.3.2合理的电路布局

●布局应做到：

（1）尽量减少关键信号和高速信号的延迟，以控制信号的反射。

（2）控制信号组延迟的一致性，否则采集到的数据可能错位。

（3）保持整块电路板上布线密度的大体平衡，以控制串扰，高速信号的布线密度应尽量小。

●对于特殊元器件，要求：

（1）高频元器件之间的连线尽可能的短，这样能尽量减少相互间的电磁干扰。

（2）易受干扰的元器件不能相距太近。

（3）输入和输出元件应尽量分开。

（4）加大具有较高电位差的元器件之间的距离，以减小共模辐射。

（5）解耦电容应靠近芯片的电源引脚。

●对于普通元器件，要求：

（1）按电路的流程放置各个功能电路单元的器件，使信号流通方向尽可能一致；

（2）围绕每个功能电路的核心元件进行布局，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接；

（3）高频工作的电路，应尽可能使元器件平行排列，便于布线。

3.3.3电源线和地线的布置

电源线合理布是为了尽可能的减少由于线路阻抗引起的降压和高频电磁场转换而产生的各种噪声。

电源走线不能中间细两头粗，以免在上面产生过大的降压，拐弯要采用大于90°

的钝角，最好用圆弧形，其过孔要大一些，而且在允许的情况下最好在其过孔处加滤波电容。

地线对于改善PCB电磁兼容性的贡献主要有两个：

一个是减小了信号回路面积，因而减小了辐射，提高了抗扰度；

另一个是减小了轨线之间或电路之间的串扰，其原理是为电磁能量提供了一个更好的返回干扰源的路径，使能量不能进入受害导体。

印制板导线的特性阻抗，直接影响到电路板抗干扰性能，降低电阻就是降低公共阻抗，从而降低地线干扰。

电路板要按功能分区，各分区电路地线相互并联，一点接地。

当电路板上有多个电路单元时，应使各单元有独立的地线回路，各单元集中一点与公共地相连。

这样各自地电流不会流入其它单元，避免相互串扰。

电源线、地线的线宽应尽量大，对于0.5mm脚间距的器件布线宽度不小于0.3mm（12mil）。

混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，否则电磁辐射和信号串扰都会急剧增加，产生电磁兼容问题。

因此，数字电路和模拟电路一定要分区布局布线。

3.3.4信号线的布置

信号线布局不合理会产生噪声，因此在布局中应注意：

（1）避免信号线上阻抗突然改变。

（2）减小信号回路以减小辐射。

（3）在相邻信号层，走线的方向一定要取为相互垂直。

（4）与地线相邻的信号层布高速数字信号线和低电平模拟信号线，较远的层布低速信号线和高电平模拟信号线。

（5）输入输出端布线应尽量避免相邻平行，避免发生反馈耦合。

（6）高速信号可采用差分对布线，减小电磁辐射。

4.EMC认证标准

4.1EMC认证标准概述

为了规范电子产品的电磁兼容性，所有的发达国家和部分发展中国家都制定了电磁兼容标准。

电磁兼容标准是使产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求。

之所以称为基本要求，也就是说，产品即使满足了电磁兼容标准，在实际使用中也可能会发生干扰问题。

大部分国家的标准都是基于国际电工委员会（IEC）所制定的标准。

欧共体政府规定，从1996年1月1起，所有电气电子产品必须通过EMC认证，加贴CE标志后才能在欧共体市场上销售。

此举在世界上引起广泛影响，各国政府纷纷采取措施，对电气电子产品的RMC性能实行强制性管理。

国际上比较有影响的，例如欧盟89/336/EEC指令（即EMC指令）、美国联邦法典CFR47/FCCRules等都对电磁兼容认证提出了明确的要求。

4.2EMC标准

1、GB4343-1995《家用和类似用途电动、电热器具，电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和允许值》该标准己于1995年8月25日发布，1996年12月1日起实施。

2、GB4343.2-1999《电磁兼容家用电器、电动工具以及类似器具的要求第二部分抗扰度》该标准己于1999年3月23日发布，2000年4月1日起实施。

3、GB17625.1-2003《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相电流￡16A的设备）》该标准己于2003年02月09日发布，2003年05月01日起实施。

代替GB17625.1-1998。

4.3我国汽车电子行业EMC标准现状

目前，我国强制认证（CCC）业务中，有关汽车和汽车电子产品的电磁兼容性发射认证项目只有两个标准，即GB14023《车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电骚扰特性的限值和测量方法》和GB/