资深EMC工程师的知识架构——因专而精广

  EMC的复杂性、不可预测性,是有目共睹的,稍有不慎,就行NG或全面否定。作为一名资深的EMC工程师,为了确保产品EMC设计的质量,会全方位参与项目的总体方案确定、硬件详细设计、PCB设计、结构设计、通信线缆制作、研发测试方案制定、EMC测试与整改、型式试验等,因而,EMC工程师知识体系是否完备,是否精深,直接影响着产品设计质量。

  

  作为EMC工程师,下述知识必须精深与完备:

  

  (1)精通或熟悉EMC实验与测试标准:


  不了解产品的EMC实验方法或测试标准,去参与或主持EMC设计,或出EMC方案,是相当滑稽与可笑的:

  

  A)ESD放电测试,只针对金属连接器外壳,绝不允许对连接器内的针脚直接放电,因此,为了通过ESD测试,在接口电路加TVS管,简单是浪费器件成本(当然,一些须热插拔的高速通信端口,加TVS管防护是必要的)。

  

  B)实验员大意,没有按EMC测试标准摆放线缆或设备,导致测试结果的不可重复性(尤其是RE),甚至领导怀疑你的诚信水平。

  

  C)曾经有位同仁,拿成熟的铁路或民用产品的EMC设计方案,去设计军用或汽车的电子设备的EMC(信号线上有共模电感),去做军品的CS测试(采用BCI注入方式),全部失败,化二建议去掉共模电感后,一次性通过。

  

  D)测试标准的去耦或耦合网络是很有学问的,其去耦网络实际上是一个极优秀、极有针对性的滤波电路啊!(铁路产品EMC设计的圣地——北交大研究生告诉化二,如果EMC不通过,要求设计滤波电路的话,老师会建议去研读基础标准)。EMC标准中,也给于了干扰产生机理与电路,有利于你的干扰特性的理解。

  

  (2)精通接口电路的硬件原理:


  EMC设计,尤其是电路防护设计,主要针对的是接口电路(如RS232、RS485、CAN)。如果你不了解被保护对像——接口电路的工作原理、芯片特性,去设计防护电路,可能会犯一些低级的错误。

  

  A)某产品的CAN总线的防护设计中,使用了电阻值近10欧的自恢复保险丝,影响长远离通信,而该电路在RS485、RS422接口电路防护已成功应用,深究其原因,CAN总线的电压为2V,而RS485的却为5V,串联10欧电阻,对RS485通信产生的压降(0.6V)可以忽略。

  

  B)某产品的RS485的防护设计中,化二照搬供应商的参考电路,TVS管、气体放电管、电阻去耦,但在浪涌(1.2/50us)的测试中,接口芯片经常损坏或通信失败(干扰消失后,通信不能恢复正常,芯片发烫)等,后来仔细检查,发现是接口芯片里面集成的TVS管响应速度比外加的TVS管要快,导致外加大功率的TVS管不响应而不起保护功效。

  

  (3)精通开关电源以及前级电路的滤波设计:

  

  EMC问题,除了上述接口电路外,接下来就是开关电源选择或其前级的防护或滤波设计。开关电源的绝缘耐压、线性调整率、负载调整率、输出纹波、响应速度、器件的可靠性,直接影响产品的可靠性与EMC性能。

  

  化二曾经遇到过CE与RE不通过,我们未怀疑是电源的原因(开关电源通过3C认证,是国外品牌),整改了很长时间,才发现,是开关电源的AC220V输入/DC12V输出之间的寄生电容过大,导致主板的干扰通过该电容耦合到AC220V电源线上。我们要求供应商更换变压器或在DC12V输出端添加高频滤波共模电感给予解决。

  

  化二曾经按供应商的建议,在开关电源前级添加经典防雷电路(600V的气体放电管、470V的压敏电阻14D471K),通过浪涌测试,在现场实验时,经常出现压敏电阻自燃、低阻抗等失效模式;而未加防雷电路的设备,现场运行良好。最后,查明开关电源通过其滤波或绝缘耐压防雷,其抗浪涌性能高达1800V,因此,我们前级防雷电路的动作电压或残压可以提高很多(1200V的气体放电管、560V的压敏电阻),不仅通过了浪涌2KV、4KV的测试,现场运行也是完好的。

  

  (4)精通PCB板的EMC与SI设计:

  

  PCB板的EMC设计,对于ESD、RE、CS、RS来说,至关重要,上述测试不通过的最主要因素就是PCB走线的不合理。磁通对消、环路最小、电源完整性、高速信号的反射与振荡、信号线之间的串扰,PCB板级的接地设计,作为EMC工程师,必须能够发现PCB工程师的走线错误或不合理之处。

  

  从化二的EMC经验来看,没有PCB走线的EMC设计,想通过结构屏蔽、接口滤波、接地,而通过EMC测试,其风险与整改成本是巨大或不可接受的。而PCB走线合理的话,不增加设计或器件成本,却可以轻易的通过EMC测试。

  

  ——建议:华为的PCB的EMC设计、富士康的PCB的EMC设计,是这个方面的精华或经典著作,EMC与PCB工程师必须读通、读透、读懂!

  

  (5)了解结构的EMC设计:

  

  结构屏蔽与搭接、结构的绝缘防护与ESD测试、结构缝隙与孔洞、屏蔽线缆的接地等工艺与技巧问题,做为结构与EMC工程师必然了解。当接口电路、开关电源、PCB板已完成或EMC性能无法改变的情况下,可以通过结构设计来规避部分EMC风险。

  

  (6)精通滤波与防护器件的特性:

  

  电容、电阻、电感、共模扼流圈、磁珠、气体放电管、压敏电阻、TVS管、TSS、保险丝,作为EMC工程师,必须了解其特性,尤其是弱点或不足,否则,EMC工程师设计的防护与滤波电路,必然不可靠或存在风险。

  

  (7)精透“接地”的真谛:

  

  “地是信号或干扰的返回路径!”这一点,EMC工程师必须牢记。

  

  “接地”的技巧是EMC中最精深的、最难懂、最根本性的问题!化二还是那句老话,“读懂了接地,你明白EMC真谛!”

  

  没有良好的接地设计,一切EMC、安规耐压、SI、抗干扰(防雷)设计,均是神马或浮云

  

  “接地”与“隔离”,“接地”与“防雷”、“接地”与“串扰”,“接地”与“耐压防护”,“接地”与“滤波”等学习与知识面极广!

  

  化二折腾EMC久了,总结EMC问题多了,才慢慢会明白,“接地”设计是EMC工程师的根与本!

  

  (8)熟悉现场的电磁干扰特性与抑制方法

  

  通过EMC测试的设备(即使按最严酷的EMC标准测试),到现场运行时,还会因为电磁干扰而出问题,只是出问题的概率或机会少很多罢了。

  

  EMC测试,是干扰特性与机理,有三四年的EMC折腾经验工程师,会将它摸清,一些防护器件与滤波器也是对其有很好的针对性。

  

  因此,一个产品通过EMC测试,对于资深的EMC工程师来说,应该是比较容易的,但是应对现场的电磁干扰,就需要我们EMC工程师弯下腰、沉下心、扎进去,用眼、用心、用示波器、频谱分析仪、用时间去观察或着磨!最终,熟悉某现场或行业电磁干扰的产生机理、干扰特性、耦合路径,并针对现场干扰,改进设备的EMC性能,最终形成产品行业内竞争优势——也许这是EMC工程师最大的职责,也是最难处理的EMC问题

  

  铁路、电力、汽车、船舶、民用、航空等应用环境,其电磁干扰特性是迥然不同的,但是EMC设计方法是相通的。

  

  大家一起努力吧,为中国电子产品的可靠性提升加油!!


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