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一﹑前言
关于电磁兼容的要求﹐目前世界上大多的先进国家﹐都已经有管制的法规并有相关的符合要求的单位﹐若产品无法符合要求规定﹐往往无法销售到该地区的市场﹐因此多数的电子产品﹐在销售前都必须经过电磁兼容的测试﹐若无法通过则需要经过适当的修改﹐来符合相关的规定。
本文主要是说明﹐在电子产品设计的阶段﹐如何考虑避免电磁干扰的产生﹐和增加产品耐干扰的程度﹐从许多的经验得知﹐若能在设计开始的阶段﹐就能适当的做好电磁兼容的防制﹐往往可以节省事后大量的修改时间和金钱的﹐尤其在现代产品汰换期非常短﹐若不能快速的通过EMC的测试﹐很容易影响到市场上的高机。
目前市面上介绍EMI&EMC相关的书籍﹐也算是林林总总﹐但是在实务运用上﹐总是会感觉有一段的差距﹐许多的读者虽然将一些经典的书籍读的很彻底﹐但是一面临实际产品无法符合EMI要求﹐或开始作产品设计时﹐都会有一种不知从何下手的感觉。
太多的重点反而没有重点﹐太多的理论反而没有理论¬,所谓执简御繁﹐ ¬知其要者﹐一言以终﹐不知其要﹐流散无穷¬,为使读者能有一清楚的认识﹐与实务上的充分掌握﹐笔者参考 Isidor 于1992年在Compliance Engineering 杂志所发个的Designing for Compliance文章﹐以讲义的方式作一详细的解说与应用的原则﹐期使读者能真正深入的了解一些EMI的设计原理与方法。
该文虽然距今已有八年多的历史了﹐在这八年的期间﹐个人计算机从286的时代已经进步到现在迈入GHz的时代﹐进步可以说非常的神速﹐但是我们回过头来看﹐一些处理电磁兼容的基本原则与方法还是没有变的。能够掌握住这些基本的原则与方向﹐往往才是处理电子产品噪声干扰的最有效的啊具﹐至于一些片段式的重点整理或括要﹐有时反而会使得啊程人员在设计时﹐有不知所从的感觉﹐这也是本文要在一些简单的原则上﹐作较深入的探讨与分析的。
二﹑电磁辐射的说明
电磁波的辐射﹐是产品在做数字运算处理时一定会产生的﹐通常来讲都是无法避免的﹐因为从谐波的角度来看﹐如果主波是20MHz﹐一定会有相关的谐波出来﹐我们如何去控制不要的信号（unwanted signals),一般主要有两个方法﹐这两个方法也是我们目前最常用的。
第一个方法就是包覆抑制（containment),这个方法就像是用一个罐头包装﹐也就是用屏蔽（shielding)的方式把它包装起来﹐第二个方法就是电路板的设计﹐目前我们时常就是从这两个观念上去着手。
利用包覆抑制的对策技巧﹐其好处就是不会影响到产品的功能（Function)﹐因为你把它包起来﹐根本不会动到电路板上的一些啊作的组件和信号﹐但是其缺点就是制造成本（cost）比较高﹐而且可靠度可能比较会有问题﹐因为可能会因为每次碰撞一下﹐而影响到其接触的效果﹐例如一般最常见的笔记型计算机（notebook PC)可能会因为摔一下或重物压过﹐噪声就会有很大的变化﹐可能由可以符合到无法符合。
而电路板设计（PCB Design-in）的好处﹐由于是在电路板Layout时就预先把间题考虑进去﹐因此其对策的可靠度比较高﹐而费用则因为是事先的设计﹐所以往往没有额外的费用产生﹐当然在功能（Function)上有时比较可能会受到影响﹐因为在抑制噪声时﹐很可能同时降低产品的震荡特性。
在实际测试对策时﹐我们这两个的方法都会考虑进去﹐一般在刚开始修改时一定会先考虑用包覆抑制的方法﹐然后才考虑电路板上的干扰抑制修改﹐因为电路板通常已经固定了﹐要再修改往往比较困难﹐所以我们会从外壳上先处理﹐也就是从屏蔽（Shielding)和接地（Grounding)的观点来考量﹐看它的接触与外壳或机座够不够好﹐这个处理完我们才继续处理电路板的修改﹐也就是说如果用屏蔽和接地的方法改不下来﹐我们才开始处理电路板的修改。
一般在市面上大多数电磁干扰的书籍﹐都会比较喜欢介绍这个电路板设计的理论﹐其实理虽然很重要﹐不过在实际产品修改上﹐包覆抑制反而是最快的﹑最有效的﹐因为良好的屏蔽只要处理适当就能降低噪声10dB以上﹐可以说效果最快﹐但是电路板的处理变量则比较大﹐也就是说﹐就算Re-layout 也无法保证马上好﹐可能要先花个五万元洗板子﹐然后再焊上组件﹐万一不好怎幺办﹖
所以在对策处理的观念上﹐一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟﹐这个如果还没有熟练﹐就先不要去处理电路板的修改﹐因为整个修改的步骤﹐必须是按步就班的处理﹐当然在本篇的文章中会先介绍电路板处理的这个观念﹐这样可以做为基本的基楚﹐可以帮助读者知道一些原理﹐知道一些问题的原因﹐但是在实际对策上则是用屏蔽和接地的处理比较多。
所谓¬空穴不来风¬﹐通常要记住这个观念﹐会有发射（emission)的产生﹐那一定会有来源（source),基本上我们应该叫做天线（Antenna),一定要有天线才会有发射﹐这就是¬空穴不来风¬﹐所以本文中将会说明的是﹐有那些辐射来源的存在﹐这样我们知道这些来源以后﹐就能够去控制它﹐而不是消灭它﹐因为噪声没办法消灭﹐整个能量是不灭的﹐电磁干扰的抑制主要是经由良好的控制方法﹐不使噪声能量辐射到空中或传导到电源线上。
三﹑造成EMI基本的原因
造成EMI噪声辐射大部分的原因﹐一般来说就是共模（Common Mode),这就是大家常听到的共模的辐射﹐由于高频电流的来回瞬时变化﹐而有磁生电﹐电生磁的现象﹐所以有了交流电的特性﹐电场为什幺会跑向前跑﹐这是因为磁场变化以后﹐会产生一个电场﹐电场随着时间变化以后又会产生磁场﹐这样交互交替﹐就会造成一个会跑的电磁场。
所以说磁生电﹐像是发电机就是用磁铁转动生电﹐电生磁﹐电磁铁也是一样﹐它的电流只要是瞬时（transient)来回变化就会造成这样的情形。
这些所产生的噪声会造成有意义潜在的射频（RF）干扰﹐大部分会在电源供应器（Power Supply)的电路板上的走线（trace)﹐因为走线上有电感﹐由于电感的效应﹐使得导线直的电感会有射频电位的发生。
为什幺电源供应器这幺重要呢﹖因为对所有的周边来讲﹐以PC而言﹐电源供应器有5V和12V的电压供给所有的组件使用﹐所以系统里各各组件上的噪声﹐如果以电源供应器的角度来看﹐所有的噪声都会回流来这边﹐每一个都会经过电源线回来﹐这就是共模（Common Mode).
什幺是共模呢﹖各各不同的噪声都走同一个方向﹐所以噪声全部都会回流到电源供应器上﹐也就是所有主板（Mainboard)上的噪声都会回流﹐所以电源供应器变成一个噪声的集散区﹐这就像是一个菜市场﹐菜市场也就是一个共模﹐水果﹑蔬菜最后都集中到菜市场来卖﹐电源供应器也就是一个菜市场﹐对所有的设备来讲﹐它就是一个噪声集散地﹐因此就有了共模的产生。
因为所有的噪声最后都会流到电源供应器上﹐供应各个组件的电源噪声会沿着电压（Vcc)跟接地（Ground）回到电源供应器﹐这个噪声我们就叫共模噪声﹐因为从电源供应的角度来看都是同方向。
关于一般数字产品的辐射机制﹐为使读者能更清楚的了解﹐以图标来说明如下
一般数字产品的简单的结构﹐如图一中的说明﹐产品的主机透过周边电缆线连接到周边上﹐如果把其转成一个等效电路来看﹐在电路部分就相当于一个来源（source）,而I/O Cable就相当于一个天线。
图二即为将期转为等效电路的图来看﹐从图中可以看出﹐来源（source)可以分成两种的来源﹐一个就是所谓的共模电压（Vcm),另一个就是异模电压（V d/2),一般而言﹐异模的电压大多是产品电路设计时所使用的信号电压﹐而共模的电压﹐则大多是信号高频的谐波噪声﹐详细说明如下
异模信号（Differential Signals)
其特色为
（1）传送所要的信息
（2）不会造成干扰﹐由于异模电流所产生的场强彼此方向相反且相互抵销。
共模信号（Common Signals)
其特色为
（1）是电缆辐射的主要来源。
（2）没有特别可用的目的。
（3）使得电缆成为一个单极的天线。
解决EMI的问题﹐第一个要处理哪边﹖通常首先我们要解决EMI的目标﹐是电源供应器上的共模噪声﹐因为所有噪声都会流到电源供应器上﹐也就是说我们在修改产品噪声的第一件事﹐要看电源供应器的噪声是否很高﹐因为很多人修改噪声的步骤很容易疏忽这边﹐因为他们一看到噪声很高﹐他会分析产品中的Clock是 12MHz或24MHz﹐然后开始改它﹐这往往会浪费了很多的时间﹐而且有时也影响了产品的特性功能。
很多噪声只要把电源供应器的接地（Ground)处理好﹐这些噪声都会不见﹐这看起来似乎很神奇﹐有时可能无法相信它就是这样简单﹐所以一开始不要以为这个12MHz﹐24MHz或48MHz的谐波噪声是从震荡器出来﹐这个想法就EMI来说有时是错的﹐而要先处理电源供应器的共模噪声﹐这个方向要先掌握。
在后继的文中会讨论到怎幺处理的原则﹐就是说实际怎幺对策﹐当然要先有一个观念﹐观念不能错﹐观念一错就很容易找不到问题﹐而愈修改愈不容易无将噪声抑制下来。
四﹑产生辐射的条件
要让辐射很有效率的产生在某一个频率﹐其条件是什幺﹖
条件是必须要有一个天线﹐而这天线的长度为何﹖以100MHz的频率来看﹐能够满足100MHz的适当长度是在λ /2是1.5m,也就是说﹐假设产品噪声辐射主要都在100MHz﹐可能你的产品天线长度是1.5m﹐或是λ/4就是0.75m﹐这代个产品内﹐可能有这个天线存在﹐才会造成100MHz的辐射。
假设你发现产品噪声是在100MHz的频率最高﹐结果我们发现有一条连接线正好是0.75m﹐如果我们换一条比较长的线1m﹐这噪声会变怎样呢﹖此时原来最高噪声频率会降低﹐但是其它旁边的频率噪声反而会升高﹐这就是在实务测试上常常讲跷跷板﹐整个的能量是不会变的﹐但是它反应出来的对应频率﹐会随天线长度不一样而改变﹐这点是EMI最重要的观念﹐也就是修改EMI一定要了解这个原理。
这也是为什幺有时我们会发现在对策时﹐用不同的电容舅100p, 200p, 50p也会有这个跷跷板效应﹐因为电容改变的就是天线的长度﹐加个电容本来天线是100公分﹐如果这边用100p, 300p则天线的等效长度就会不一样﹐有时换不同的电容﹐有的频率噪声变低﹐但是有的频率噪声反而升高﹐为什幺换电容会有跷跷板的效应呢﹖它的原理就是这边﹐因为它是改变整条线的长度﹐也就是电气上的等效长度。
从电气的等效长度来看﹐我们加电感以及加陶铁环（Core）为什幺有效﹖陶铁环的作用是个电感,L和C在线上都会改变它的等效长度﹐加陶铁环为什幺能把噪声抑制下来﹐也就是说它的天线变短了﹐我们等于在线上加一个电感﹐它真正作用就是在这边﹐使得整个天线变短了。
所以如果不要加电容﹐也不要加电感﹐那要如何处理呢﹖如果把它缩成50公分﹐噪声可能很快就降下来﹐不用任何对策﹐只要把线改短50公分﹐如果在产品设计上能接受的话﹐这就是一个最好的方法﹐当然有时线太短不能符合产品功能的要求﹐或是组装上有困难﹐这时就要另外用别的方法来处理﹐例如用良好的屏蔽线取代。
在修改上有时就是把某些连接线长度降低﹐整个噪声都会降下来﹐不是只有某个频率﹐也就是我们知道EMI的原理﹐你来改它很快﹐不知道的话﹐往往一直在 Clock上处理﹐改了老半天还是改不下来﹐通常在一般书上讲的一些方法和理论﹐如果设有印证过往往都是一个纯理论﹐有时无法用来作为实务对策的参考﹐最好要实际去做做看。
例如某些扫描仪（Scanner)的产品﹐因为他有一个弹簧管或排线连接到扫描仪上﹐这一排的导线﹐通常做的比较长﹐这样比较好组装﹐我们如果缩短﹐噪声会降多少﹐降在哪边呢﹖这些都可以尝试去做看看﹐只要找出来这个噪声是哪个线辐相似的﹐那幺要抑制这个噪声就不是很困难了。
怎幺找﹖如何找出哪条线会辐射﹖一般常用的方法可以用三个Core的方式来找﹐如果你加三个Core在某条线上而噪声降低或消失﹐再把Core拿掉噪声又升高﹐那幺就表示这条线就会辐射。
然后我们就可以算它的λ/2在哪边﹐不管噪声的频率100MHz﹐200MHz﹐或300MHz要先算其λ/2是多少﹐假设产品噪声在300MHz不能符合规格要求﹐要找出原因﹐可以把机器打开来看看有没有75公分长的线﹐或者是λ/4亦即40公分长的线﹐有时候处理一些问题我们要使用这个方法﹐利用理论的计算﹐找出噪声频率的相对应线长。
整个噪声的产生﹐如果没有天线存在的话﹐噪声就不会辐射﹐既然它存在﹐我们就可以把它找出来﹐怎幺找呢﹖一个就是用理论计算﹐另外一个方法是实际用仪器测量。
用理论计算的方法在一开始时不会考虑这样做﹐大部分会先用仪器测量的方法来找出问题﹐不过只要把EMI原理了解清楚﹐对于一般的噪声问题应该都能够修改下来﹐整个重点说明如下﹐既然噪声是辐射在某一定的频率﹐就一定有一支天线相对应﹐只是不容易找到而已﹐电磁干扰修改的工作就是找出这支天线﹐降低它的天线效应或是把它隔离﹐以使得噪声能符合相关的法令要求。