2.1 概论

2.1.1 产品的结构构架与EMC

结构是产品的重要组成部分，结构不能单独成为EMC问题的来源，但却是解决EMC问题的重要途径。电磁场屏蔽、良好的接地系统以及耦合的避免都要借助于良好的结构设计。

对于EMC来说，结构设计包含着一个系统层面设计的概念，也包含结构形态设计的概念。在一个产品的EMC设计中，屏蔽设计、接地设计、滤波设计等都不能独立存在。信号输入/输出接口的位置、各种电路在产品中的分布、电缆的布置、接地点的位置选择都对EMC产生重要的影响。总的来说，结构的EMC设计要尽量避免共模干扰电流流过敏感电路或高阻抗的接地路径，结构设计要避免额外的容性耦合或感性耦合，结构设计要注意良好的、低阻抗的瞬态干扰泄放路径。一个有EMC问题的产品构架设计例子如图2.1所示。

从EMC的角度去看，存在严重的EMC问题：首先，接地点远离电源输入口，必然导致较长的接地路径，接地效果大大降低。其次，产品接地点远离电源输入线和信号线1，必然导致当干扰电流施加在电源输入线和信号线1上时，使共模电流流经整体PCB中的电路和互连排线，互连排线有着较高的阻抗，必然大大加大EMC的风险。如果某种原因使得这种结构不能改变，就得花大力气解决共模电流流过路径中低阻抗问题、滤波问题及环路问题等。良好的PCB地平面设计是必需的；合理的滤波也是必需的；在排线处设计一个低阻抗的金属平面也是必需的。再次，信号线1和信号线2分别在PCB的两端，典型的信号线1上EFT/B测试将使共模电流由信号线1经过印制板2、信号线2与参考接地板之间的分布电容处入地（分布电容50 pF/m），如图2.2所示，或接地点处入地。这种情况下，印制板2必须有良好的地平面设计，无过孔、无缝隙。

良好的结构设计，首先要给出一个EMC较好结构构架。对于图2.1的例子，将信号线和电源线、接地点集中到一个PCB中会更好一点。如果信号线也采用屏蔽线，额外的金属接地平面也是必要的。

2.1.2 产品的屏蔽与EMC

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。用屏蔽体将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。在大多数的产品应用中，利用反射原理来进行屏蔽的占多数。图2.3分别以场的概念和传输线原理的概念表示其工作原理。

屏蔽设计往往与搭接联系在一起。搭接是在两金属表面之间构造一个低阻抗的电气连接。当两边的结构体不能完成很好的搭接时，通常需要通过密封衬垫来弥补。这些密封衬垫包括导电橡胶、金属丝网条、指形簧片、螺旋管、多重导电橡胶、导电布衬垫等。选择使用什么种类电磁密封衬垫时，要考虑四个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。不同衬垫材料的特点比较见表2-1。

可见，屏蔽设计的关键是电连续性。有着最优化电连续性的屏蔽体是一全封闭的单一金属壳体。但是在实际应用中，往往有散热孔、出线孔、可动导体等，因此如何合理地设计散热孔、出线孔、可动部件间的搭接成为屏蔽设计的要点。只有在孔缝尺寸、信号波长、传播方向、搭接阻抗之间进行合理地协调，才能设计出好的屏蔽体。

2.1.3 产品的接地与EMC

接地是电子设备的一个很重要问题。接地的目的如下。

（1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，也就是各个电路的地之间没有电位差，保证电路系统能稳定工作。

（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地为瞬态干扰提供了泄放通道，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放。否则，这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。

（3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机壳相通时，可避免操作人员触电。此外，很多医疗设备都与患者的人体直接相连，当机壳带有110 V或220 V电压时，将发生致命危险。

（4）减小流过产品中PCB板的共振干扰电流，同时避免产品内部的高频EMI信号流向产品中的等效发射天线。

因此，接地是抑制噪声、防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和保护工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。

大多数产品都要求接地。虽然接地可以是真正接地、隔离或浮地，但接地结构必须存在。接地经常与为信号提供电流的回路相混淆。实际中，部分接地问题与PCB有关。这些问题归结为在模拟及数字电路之间提供参考连接及在PCB的地层和金属外壳之间提供高频连接。

接地，尽管是EMC设计中最重要的方面，但是这个问题并不容易直观理解，而且通常也很难建模或分析，因为有许多无法控制的因素影响，导致很多工程师对此不理解。其实每个电路最终都要有一个参考接地源，这是无法选择的事实，电路设计之初就应该首先考虑到接地设计。接地是使不希望的噪声、干扰极小化并对电路进行隔离划分的一个重要方法。适当应用PCB的接地方法及电缆屏蔽将避免许多噪声问题。设计良好的接地系统的一个优点就是以很低的成本防止不希望有的干扰及发射。还有，接地这个词对不同领域的技术人员有不同的含义，本书中接地是一个比较广泛的概念。对逻辑电路，它指逻辑电路和元件的参考电平，这个地也可以不连接到大地电位上，作为逻辑电压参考地，其电位差的典型值必须小于毫伏级，如图2.2所示的例子中，如果工作电平是3.3 V的TTL电平，共模电流流过的接地平面引起的压降大于0.4 V，就可能存在EMC测试通不过的危险；还有高速数字电路中的地平面不完整，如图2.4所示，与地相连的电缆，由于被地平面上的噪声驱动，就会产生EMI问题。对系统和结构，接地是指连接电路的金属外盒或机架。对EMC测试，它是参考接地平面。

当讨论接地电流时，必须牢记以下基本概念。

（1）一旦电流流过有限的阻抗，就会产生一定的电压降。像在欧姆定律中阐述的那样，在实际的电路中，从来没有0V电位，电压或电流的单位可能在微伏或微安级的范围内，但一定存在一个较小的有限值。

（2）电流总是返回其源。回路可能有许多不同的路径，每条路径上的电流幅值不同，这与该路径的阻抗有关。不希望某些电流在其中某条路径上流动，因为该路径可能没有采取抑制措施。

当设计一个产品时，在设计期间就考虑到接地是最经济的办法。一个设计良好的接地系统，不仅能从PCB，而且能从系统的角度防止辐射和进行敏感度防护。在设计阶段，若没有认真考虑接地系统，或在对另一个不同产品进行设计时没有重新设计其接地系统，就意味着该系统在EMC方面有可能失败。