电磁兼容原理分析与设计技术

本书利用作者多年产品研发、标准审订、测试实验室认证评鉴、学术研究的经验，以EMC实务分析与根本原因及原理说明的方式纳入电源完整性与信号完整性等重要议题，并提供了仿真软件的分析案例，供读者练习。

本书兼顾理论与实务，模拟与量测技术并重。同时，为配合高科技产业的发展趋势，本书也将IC芯片和无线通信的EMC效应与设计方案纳入，因此适合半导体、IC设计、电机电子产品、信息通信产品、车用电子产品等开发与制造的工程人员参考。

电磁兼容性要求是各国为确保电机电子产品能于其所规划应用的环境中正常操作而制定的，是强制要求检验的项目，也因此成为产品设计与系统整合工程师必备的工程技术能力。

要了解电机电子产品与系统的电磁兼容性问题与相关测试标准法规，我们先要从分析形成电磁干扰现象的基本要素出发，而这些要素和相关的干扰能量传输机制是相关测试法规与测试方法的基础。由电磁干扰源发射的电磁能量经过耦合路径传输到对电磁噪声敏感的设备，这个过程称为电磁干扰效应。为了实现电磁兼容性的设计与各类电气产品对应的验证测试，我们必须从基本要素出发，从技术和组织两个方面着手。所谓技术，就是从分析电磁干扰源、耦合路径和敏感设备着手，采取有效的技术，抑制干扰源、消除或减弱干扰的耦合、降低敏感设备对干扰的回应；对人为干扰进行限制并验证所采用技术的有效性。组织，则是制订和遵循一套完整的标准和规范，进行合理的频谱分配，控制与管理频谱的使用，依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式，分析电磁环境并选择地域，进行电磁兼容性管理等。

电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定的功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证，因此必须在设备或系统功能设计的同时进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有以下两方面的能力：

 能在预期的电磁环境中正常工作，而且无效能降低或故障。

 对于该电磁环境不是一个污染源。

第1章会介绍什么是EMC、EMC的目的是什么、为什么现在越来越多。

第2章系统分析。要先知道噪声源特性，EMC是三者互容，互容代表有很多东西存在于这里面，彼此之间是可以兼容的，所以一定会有噪声源，这些噪声源我们怎么来做分析？有哪些噪声源？这些噪声源频谱特性是怎样的？要知道噪声源的特性才有办法做实际的设计分析，以及有了噪声源之后，这个噪声源是通过怎样的耦合机制，因为EMC是一个broadband，当它是一个宽带的时候，会发现在低频的时候是以电压电流的方式传送，可以通过传输线的方程式的概念来看；当频率说高不高说低不低的时候，就用传输线的概念来看，这时候就是近场耦合；当频率更高，波长跟开口的结构尺寸或传输线、散热片结构尺寸相近的时候就会产生共振，而共振就会产生辐射，所以知道有哪些是噪声源和噪声源的频谱特性之后，这些噪声源会通过怎样的耦合机制把能量带出去、干扰到什么东西才是EMC，所以要做EMC的设计也从这里开始，擒贼先擒王，一开始如果能够把噪声源控制住，那么问题就解决了，如果控制不住，就把它的耦合路径断掉，比如说传导的时候就做滤波、高频辐射的时候就做屏蔽，频率说高不高说低不低的串音就用PCB的Layout来改变。

第3章分析是通过怎样的方式才会将噪声进行耦合传送，以致形成电磁干扰的问题。

第4章主要介绍在电子科技发展过程中，组件的非理想特性所造成的EMC根源的接地弹跳或电源不稳定，进而演变为电源完整性问题。而在目前科技产业要求提升通信效能与数据传输速度的同时，高速数字电路信号完整性（SI）问题（第5章）以及最后产生的电磁干扰（EMI）效应与问题（第6章）是没有办法避免的，因此各技术组织与各国政府才需要制订相关的产品EMC标准，规范产品的EMC测试与管制限制，这些均在第7章中讲述。既然电磁噪声在产品运行过程中无法避免，在这种情况下会造成怎样的失效而无法符合标准要求，以及如何诊断解决，就成为第8章失效原因分析的内容，有这么多的复杂内容，那么知道什么才可以有对策，最后就谈到累积排错经验后的EMC设计技巧（第9章），如屏蔽、PCB的布局与走线、滤波技术等，以协助工程师或产品开发规划者能从一开始就解决EMC的问题，而不是等到上市前的认证测试发现问题后才开始亡羊补牢，贻误商机。

本书虽是从实务角度出发，但为了提供完整且严谨的理论依据，书后补充有关电磁基础理论（附录A）和屏蔽技术原理（附录B），以方便读者更了解电磁兼容技术的相关理论，进而发展出属于自己的研究与创新领域。

作 者

2016年7月

第1章 电磁兼容简介与目的 1
1-1 电磁兼容的现象 2
1-2 电磁兼容的发展趋势 7
1-3 电磁兼容面临的技术挑战 9
第2章 电气系统的电磁兼容噪声源分析 18
2-1 瞬时噪声 18
2-2 切换/开关噪声 22
2-3 数字频率/时钟信号与符码信号 28
2-4 ANSYS仿真范例1：数字脉冲信号上升/下降时间对电磁干扰EMI的频谱效应 39
第3章 电磁耦合原理分析 48
3-1 传导耦合 51
3-2 近场串扰耦合 54
3-2-1 电容性的噪声干扰 57
3-2-2 电感性的噪声干扰 60
3-2-3 电容性噪声耦合和电感性噪声耦合的总效应 60
3-2-4 电感与电容矩阵表达式 62
3-2-5 两条对称传输线的奇模态和偶模态与电感和电容矩阵的关系 65
3-3 辐射耦合 68
3-4 共振耦合 71
3-5 槽孔耦合 73
第4章 电源完整性效应分析 75
4-1 电源供应网络的功能与问题 76
4-2 电源供应的架构分析 84
4-3 电源阻抗分析 88
4-4 PCB共振效应与电源阻抗分析 93
4-5 去耦合电容对电源完整性的影响 101
4-6 电源完整性问题的效应 109
第5章 信号完整性效应分析 114
5-1 影响信号完整性的因素 117
5-2 差模信号的模态转换噪声分析 138
5-3 高速率串接链路分析 157
5-4 高速连接器信号完整性设计分析 178
5-5 ANSYS仿真范例2：传输线的阻抗时域反射与串扰分析 190
5-6 ANSYS仿真范例3：电路阻抗对近场串扰的效应 198
第6章 电磁干扰效应分析 206
6-1 电路布线的电磁干扰效应 207
6-2 传输线屏蔽结构的电磁干扰效应 226
6-3 机构槽孔的电磁干扰效应 233
6-4 无线通信载台噪声分析 237
6-4-1 移动通信装置内高速数字传输线对天线的噪声耦合分析 237
6-4-2 LCD控制电路模块干扰噪声对802.11无线局域网络的传输影响分析 242
6-5 瞬时噪声耐受问题分析 249
6-5-1 ESD放电模型 249
6-5-2 IEC 62215-3的EFT测试配置与失效准则 251
6-6 ANSYS 仿真范例4：PCB接地平面开槽的耦合与EMI效应分析 260
6-7 ANSYS仿真范例5：PCB接地平面开槽的信号完整性SI、电源完整性PI与EMI效应分析 267
第7章 电磁兼容法规要求与量测原理 281
7-1 EMC符合性法规简介 283
7-2 产品层级传导干扰测试 286
7-3 产品层级辐射干扰测试 287
7-4 产品层级电磁耐受性测试 288
7-5 车用电子EMC测试技术发展 291
7-5-1 车用电子应用发展趋势和相应的EMC要求 293
7-5-2 高度整合化汽车电子遭遇系统性问题分析 293
7-5-3 车辆零部件EMC相关标准与规范的发展 294
7-5-4 车辆零部件EMC测试方法简介 295
7-5-5 车辆零部件EMC测试原理简介 296
7-5-6 Telematics车载电子通信系统的EMC问题趋势与测试分析 303
7-6 集成电路（IC）层级EMC测试技术 305
7-6-1 集成电路电磁兼容的标准化 306
7-6-2 IC-EMI量测方法简介 307
7-6-3 车用电子及集成电路的EMC限制值简介 310
7-6-4 异步瞬时注入法介绍 312
第8章 电磁兼容失效分析 319
8-1 电磁兼容问题诊断技巧 320
8-2 EMC问题诊断流程 328
8-3 EMC失效原因与分析 331
8-4 射频干扰分析与对策 349
第9章 系统产品电磁兼容设计策略 357
9-1 组件的选择 360
9-2 组件的布局 364
9-3 印刷电路板走线与设计 365
9-3-1 PCB设计技术对EMC效应改善分析 373
9-3-2 PCB设计对静电放电（ESD）回路的效应 376
9-4 产品内部缆线与模块的规划 379
9-5 滤波与瞬时抑制技术分析 384
9-5-1 滤波技术 384
9-5-2 瞬时噪声抑制技术 397
9-6 屏蔽技术分析与机壳构装 418
9-7 产品外部连接器与缆线规划 426
9-8 噪声预算表应用 434
9-9 ANSYS仿真范例6：去耦合电容摆放位置对降低EMI效应的分析 439
9-10 ANSYS仿真范例7：电磁屏蔽材料的屏蔽效能分析 448
附录A 基础电磁原理 453
A-1 麦克斯韦方程组 453
A-2 麦克斯韦方程组所对应的物理定律 457
A-3 边界条件 461
A-4 均匀平面波 462
A-5 功率流与交流电阻 466
附录B 电磁屏蔽原理分析 470
B-1 电磁屏蔽原理 470
B-2 电磁屏蔽效能定义 471
B-3 电磁屏蔽材料 472
B-4 近场电磁屏蔽 472
B-5 低频磁场屏蔽 473
B-6 不连续性屏蔽的处置 473
B-7 多层平板屏蔽体 474

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