电磁兼容的概念及设计方法电磁兼容（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。简而言之，电磁兼容要求各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。这一概念包含了两个方面的关键要求：电磁干扰（EMI）和电磁敏感性（EMS）。
电磁干扰（EMI）
定义：设备在运行过程中产生的电磁干扰不能超过一定的限值。这些干扰可能通过传导或辐射的方式传播，影响其他设备的正常运行。
干扰源：电磁干扰源可以分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源包括大气噪声干扰（如雷电）、太阳噪声干扰、宇宙噪声及静电放电等；人为干扰源则主要指电子电气设备和其他人工装置产生的电磁干扰，如无线电发射设备、工业、科学、医疗（ISM）设备、电力设备及汽车点火系统等。
传播途径：电磁干扰的传播途径主要分为传导和辐射两种方式。传导传播是指电磁能量通过物质的导体（如电源线、信号线）传播；辐射传播则是指电磁波通过空气或真空传播。
电磁敏感性（EMS）
定义：设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定的抗扰度，即设备能够在一定程度的电磁干扰下正常工作。
影响：电磁敏感性可能导致设备性能降级、系统失效，甚至造成经济损失。例如，在强电磁干扰环境下，工业自动化设备的故障率显著增加；医疗设备在电磁干扰下可能出现误操作，危及患者安全。
电磁兼容的国家标准GB/T 4365-2003定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。在现代电子工程设计中，电磁兼容占有举足轻重的地位，它关系到设备可靠性、国际标准与贸易、人身安全与环境保护以及军事与国家安全等多个方面。
电磁兼容的重要性保护电磁环境：电磁兼容性要求设备不对周围其他设备或系统产生无法忍受的电磁干扰，从而保护整个电磁环境的稳定。
提升产品质量：电磁兼容性是电子、电器产品的一项重要质量指标，它关系到产品的可靠性和使用安全性。通过EMC测试是产品上市的基本要求，有助于产品顺利进入市场并获得消费者的信任。
促进技术创新：随着电子技术的不断发展，电磁兼容性的研究也在不断深入，为技术创新提供了有力支持。
设备可靠性：电磁兼容确保电子设备在复杂的电磁环境中能够稳定运行，不受外部电磁干扰的影响，同时也减少设备自身对外界的电磁干扰，从而提高设备的可靠性和使用寿命。
国际标准与贸易：电磁兼容性已成为电子产品进入国际市场的基本要求。许多国家和国际组织都制定了严格的电磁兼容标准，如欧盟的CE标志、美国的FCC认证等，这些标准不仅保障了产品的安全性，也成为了国际贸易中的技术壁垒。
人身安全与环境保护：电磁波可能引起电爆装置的意外爆炸，或在强电磁场作用下引起燃油的燃烧和爆炸。此外，电磁辐射对人体健康也存在潜在危害。
军事与国家安全：在军事领域，电磁脉冲武器和高功率微波武器的使用对电子设备的电磁兼容性提出了更高的要求。电磁兼容技术能够为对抗这些威胁提供基本技术指导。
电磁兼容的设计方法电磁兼容设计是通过提高产品的抗电磁干扰能力以及降低对外的电磁干扰，避免由于干扰导致的产品故障，从而提高产品的可靠性。电磁兼容设计一般需要从抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高设备抗扰性等方面进行设计。
抑制干扰源
元器件选择与优化
选择具有低电磁辐射的元器件，优化电路布局，减少高频信号线的长度和走线交叉，降低电磁干扰的产生。
电源设计
采用交流电源滤波器、电源变压器加静电屏蔽、脉冲电压的吸收等措施，减少电源对系统的电磁干扰。电源线上高频传导电流会导致辐射，使设备的辐射发射超标，因此改善高频特性也是关键。
切断干扰传播途径
屏蔽技术
使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统，也可防止本系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性，对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理，屏蔽体要有可靠的接地。
静电屏蔽利用空腔导体来避免外界电场对仪器设备的影响，或防止电器设备电场对外界的影响。
静磁屏蔽使用高磁导率的铁磁材料制成的屏蔽罩来屏蔽静磁场。
电磁屏蔽利用趋肤效应阻止高频电磁波进入导体内部，对于不同频率的电磁场，选择合适的屏蔽材料是关键。
滤波技术
使用合适的滤波技术，滤波器的通带经过合理选择，尽量减小漏电损耗。滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。
根据工作频率和滤波效果的不同，滤波器有多种类型，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。低通滤波器用于干扰信号频率比工作信号频率高的场合，而高通滤波器用于干扰频率比信号频率低的场合。
滤波器由电感和电容组成，允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。
接地设计
设计合理的接地系统，小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地，接地电阻尽可能小。接地是电子设备的一个很重要问题，它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，保证电路系统能稳定地工作，同时防止外界电磁场的干扰，保证安全工作。
在低频电路中，单点接地可以有效避免不同电路模块之间的地电流相互干扰。而在高频电路中，多点接地更为合适，因为接地导线的电感效应不能忽视，多点接地可以减小接地电感，降低地电位差。
在同时含有模拟电路和数字电路的PCB设计中，模拟地和数字地应该分开布线，并在合适的位置通过磁珠或0Ω电阻连接，以阻止数字地的高频噪声窜入模拟地。
接地线的宽度应足够大，以通过三倍于印制电路板的允许电流。此外，将接地线构成闭环路可以明显提高抗噪声能力，减少电位差值。
布线与电缆选择
正确选用连接电缆和布线方式，必要时可用光缆代替长电缆。系统频率分配要恰当，当一个系统中有多个主频信号工作时，尽量使各信号频率避开，甚至避开对方的谐振频率。
提高设备抗扰性
增强电磁屏蔽
通过增加屏蔽层厚度、选择高导电性材料等措施，提高设备的电磁屏蔽能力。
提高电路稳定性
优化电路设计，提高电路的抗干扰能力，如采用平衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术。
在电路中使用抗干扰元件，如滤波器、电感、电容等，可以减少电源线和信号线上的电磁干扰。
软件抗干扰技术
在软件设计中采用抗干扰技术，如数字滤波、冗余校验等，可以提高系统的抗干扰能力。
定期维护和检测
对设备进行定期的电磁兼容性检测和维护，及时发现并解决电磁干扰问题。
电磁兼容设计流程总体方案设计
对产品的总体规格进行EMC设计考虑，提出产品的总体EMC设计框图，并详细制定产品EMC设计总体方案。
产品详细方案设计
提出对产品总体硬件EMC设计方案，如电源接口、信号接口、电缆选型、接口结构设计、连接器选型等提出详细的EMC设计与选型要求。
产品原理图设计
对产品内部的主芯片的滤波电路设计、晶振电源管脚的滤波电路、时钟驱动芯片的滤波电路设计等提出详细的方案。
产品PCB设计
考虑对EMC影响巨大的层叠结构设计、关键元器件的布局考虑以及高速数字信号布线。
结构屏蔽设计方案
针对产品需要满足EMC法规标准，提出屏蔽设计方案、选择屏蔽材料以及材料的厚度等。
首板初样评估
对产品设计前期总体设计方案、详细设计方案、PCB布局设计以及结构模型等各个环节的EMC设计控制措施的检验。
产品EMC内部验证
对样机进行EMC测试，验证产品是否能够满足预设标准要求。
产品最终认证
如果产品通过EMC测试，可以进行产品的认证，如CE、FCC等认证。
电磁兼容测试与标准国际与国内EMC标准
电磁兼容标准是确保电子设备在电磁环境中正常工作的重要依据，它们规定了设备在EMI和EMS方面的性能要求。
国际EMC标准：国际电工委员会（IEC）是制定电磁兼容国际标准的权威机构，其中CISPR（国际无线电干扰特别委员会）和TC77（第77技术委员会）是主要负责EMC的委员会。IEC 61000系列标准是国际上广泛认可的电磁兼容标准，包括了EMI和EMS的测试方法和限值要求。例如，IEC 61000-4系列标准详细描述了各种抗扰度测试，如静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌等。
国内EMC标准：我国国家标准化管理委员会（SAC）负责管理和发布电磁兼容相关的国家标准，GB/T 17626系列标准是我国电磁兼容测试和测量技术的推荐性国家标准，与IEC 61000系列标准相对应。这些标准涵盖了从抗扰度试验总论到具体测试方法的详细规定，为国内电子产品的电磁兼容设计和测试提供了规范。
EMC测试方法与设备
EMC测试是评估电子设备电磁兼容性能的重要手段，包括EMI和EMS两方面的测试。
EMI测试：EMI测试主要关注设备产生的电磁干扰是否符合标准限值。测试方法包括辐射发射测试和传导发射测试。辐射发射测试通常在电波暗室中进行，使用天线和接收机测量设备在不同频率下的辐射强度。传导发射测试则通过线路阻抗稳定网络（LISN）和频谱分析仪测量设备通过电源线或信号线传导的干扰。
EMS测试：EMS测试评估设备在特定电磁环境下的抗扰度能力。常见的测试包括静电放电（ESD）测试、电快速瞬变脉冲群（EFT/Burst）测试、浪涌（Surge）测试和电压暂降（Dips）测试。这些测试使用专门的发生器模拟各种电磁干扰现象，以检验设备在实际使用中的抗干扰性能。
EMC测试设备：EMC测试设备包括信号发生器、频谱分析仪、示波器、网络分析仪、EMI接收机、各类天线和测试软件等。这些设备能够模拟电磁干扰、测量干扰强度和分析干扰特性。例如，罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz）提供的EMC测试解决方案包括了全面的测试设备和软件，能够支持从预一致性测试到完整的一致性测试。
通过这些测试方法和设备，可以全面评估电子设备的电磁兼容性能，确保产品在复杂的电磁环境中安全可靠地工作。