單片機(jī)的EMC測(cè)試及EMC故障排除方法介紹

摘要：講述EMC的定義，EMC在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試方法，EMC新器件新材料的應(yīng)用以及故障排除技術(shù)。只要從事電子產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)或者供應(yīng)，就必須進(jìn)行EMC電磁兼容的檢測(cè)工作。

引言

所謂EMC就是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測(cè)試包括兩大方面內(nèi)容：對(duì)其向外界發(fā)送的電磁騷擾強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值要求；對(duì)其在規(guī)定電磁騷擾強(qiáng)度的電磁環(huán)境條件下進(jìn)行敏感度測(cè)試，以便確認(rèn)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度要求。對(duì)于從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員來說，掌握一定的EMC測(cè)試技術(shù)是十分必要的。EMC是電磁兼容（Electro-Magnetic Compatibility）的縮寫，它包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感性（EMS）兩部分。由于電器產(chǎn)品在使用時(shí)對(duì)其它電器有電磁干擾，或受到其它電器的電磁干擾，它不僅關(guān)系到產(chǎn)品工作的可靠性和安全性，還可能影響其它電器的正常工作，甚至導(dǎo)致安全危險(xiǎn)。

1 單片機(jī)系統(tǒng)EMC測(cè)試

（1）測(cè)試環(huán)境

為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠性，電磁兼容性測(cè)量對(duì)測(cè)試環(huán)境有較高的要求，測(cè)量場(chǎng)地有室外開闊場(chǎng)地、屏蔽室或電波暗室等。

（2）測(cè)試設(shè)備

電磁兼容測(cè)量設(shè)備分為兩類：一類是電磁干擾測(cè)量設(shè)備，設(shè)備接上適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，就可以進(jìn)行電磁干擾的測(cè)量；另一類是在電磁敏感度測(cè)量，設(shè)備模擬不同干擾源，通過適當(dāng)?shù)鸟詈?去耦網(wǎng)絡(luò)、傳感器或天線，施加于各類被測(cè)設(shè)備，用作敏感度或干擾度測(cè)量。

（3）測(cè)量方法

電磁兼容性測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，有許多種測(cè)量方法，但歸納起來可分為4類；傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、輻射發(fā)射測(cè)試、傳導(dǎo)敏感度（抗擾度）測(cè)試和輻射敏感度（抗擾度）測(cè)試。

（4）測(cè)試診斷步驟

圖1給出了一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾發(fā)射與故障分析步驟。按照這個(gè)步驟進(jìn)行，可以提高測(cè)試診斷的效率。

（5）測(cè)試準(zhǔn)備

①試驗(yàn)場(chǎng)地條件：EMC測(cè)試實(shí)驗(yàn)室為電波半暗室和屏蔽室。前者用于輻射發(fā)射和輻射敏感測(cè)試，后者用于傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度測(cè)試。

②環(huán)境電平要求：傳導(dǎo)和輻射的電磁環(huán)境電平最好遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，一般使環(huán)境電平至少低于極限值6dB。

③試驗(yàn)桌。

④測(cè)量設(shè)備和被測(cè)設(shè)備的隔離。

⑤敏感性判別準(zhǔn)則：一般由被測(cè)方提供，并實(shí)話監(jiān)視和判別，以測(cè)量和觀察的方式確定性能降低的程度。

⑥被測(cè)設(shè)備的放置：為保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，對(duì)被測(cè)設(shè)備的放置方式通常有具體的規(guī)定。

（6）測(cè)試種類

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試、輻射發(fā)送測(cè)試、傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試、輻射抗擾度測(cè)試。

（7）常用測(cè)量?jī)x

電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）測(cè)試，需要用到許多電子儀器，如頻譜分析儀、電磁場(chǎng)干擾測(cè)量?jī)x、信號(hào)源、功能放大器、示波器等。由于EMC測(cè)試頻率很寬（20Hz～40GHz）、幅度很大（μV級(jí)至kW級(jí)）、模式很多（FM、AM等）、姿態(tài)很多（平放、斜放等），因此正確地使用電子儀器非常重要。測(cè)量電磁干擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規(guī)律顯示出來的儀器，它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測(cè)量電磁干擾中的缺點(diǎn)，能夠精確測(cè)量各個(gè)頻率上的干擾強(qiáng)度，用頻譜分析儀可以直接顯示出信號(hào)的各個(gè)頻譜分量。

在解決電磁干擾問題時(shí)，最重要的一個(gè)問題是判斷干擾的來源。只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決干擾的措施。根據(jù)信號(hào)的頻率來確定干擾源泉是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樵谛盘?hào)的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計(jì)人員往往對(duì)電路中各個(gè)部位的信號(hào)頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號(hào)的頻率，就能夠推測(cè)出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。對(duì)于電磁干擾信號(hào)，由于其幅度往往遠(yuǎn)小于正常工作信號(hào)，用頻譜分析儀做這種測(cè)量是十分簡(jiǎn)單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號(hào)頻率不同的信號(hào)濾除掉，精確地測(cè)量出干擾信號(hào)頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號(hào)的電路。

2 電磁兼容故障排除技術(shù)

（1）傳導(dǎo)型問題的解決

①通過串聯(lián)一個(gè)高阻抗來減少EMI電流。

②通過并聯(lián)一個(gè)低阻抗將EMI電流短路到地或引到其它回路導(dǎo)體。

③通過電流隔離裝置切斷EMI電流。

④通過其自身作用來抑制EMI電流。

（2）電磁兼容的容性解決方案

一種常見的現(xiàn)象是不把濾波電容的一側(cè)看成直接與一個(gè)分離的阻抗相連，而看成與傳輸線相連。典型的情況是，當(dāng)一條輸入輸出線的長(zhǎng)度達(dá)到或超過1/4波長(zhǎng)時(shí)，該傳輸線變“長(zhǎng)”。實(shí)際可以用下式近似表示這種變化：

l≥55/f

式中：l單元為m，f單位為MHz。這個(gè)公式考慮了平均傳播速度，它是自由空間理論的0.75倍。

a. 電介質(zhì)材料及容差

電磁干擾濾波使用的大部分電容是無極性電容。

b. 差模（線到線）濾波電容性電容。

c. 共模（線到地/機(jī)殼）濾波電容

共模（CM）去耦通常使用小電容（10～100nF）。小電容可以將不期望的高頻電流在其進(jìn)入敏感電路之前或在其離噪聲電路較遠(yuǎn)時(shí)就將其短路到機(jī)殼上去。為了得到良好的高頻衰減電路，減小或消除寄生電感是關(guān)鍵之所在。因此有必要使用超短導(dǎo)線，尤其希望使用無引線元器件。

（3）感性、串聯(lián)損耗電磁兼容解決方案

就電容而言，Zs和Z1如果不是純電阻的話，在計(jì)算頻率時(shí)，要使用它們的實(shí)際值。電容器串聯(lián)在電源或信號(hào)電路時(shí)，必須滿足：

①流過的工作電流不應(yīng)該引起電感過熱或過大的有過之而無不及降；

②流過的電流不能引起電感磁飽和，尤其是對(duì)高導(dǎo)磁材料是毫無疑問的。

解決方案有以下幾種：

*磁芯材料；

*鐵氧體和加載鐵氧體的電纜；

*電感、差模和共模；

*接地扼流圈；

*組合式電感電容元件。