干货分享！单片机系统EMC测试和故障排除

EMC就是：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。EMC测试包括两大方面内容：对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试，以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试，以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。对于从事单片机应用系统设计的工程技术人员来说，掌握一定的EMC测试技术是十分必要的。

1 单片机系统EMC测试

(1)测试环境

为了保证测试结果的准确和可靠性，电磁兼容性测量对测试环境有较高的要求，测量场地有室外开阔场地、屏蔽室或电波暗室等。

(2)测试设备

电磁兼容测量设备分为两类：一类是电磁干扰测量设备，设备接上适当的传感器，就可以进行电磁干扰的测量;另一类是在电磁敏感度测量，设备模拟不同干扰源，通过适当的耦合/去耦网络、传感器或天线，施加于各类被测设备，用作敏感度或干扰度测量。

(3)测量方法

电磁兼容性测试依据标准的不同，有许多种测量方法，但归纳起来可分为4类;传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度(抗扰度)测试和辐射敏感度(抗扰度)测试。

(4)测试诊断步骤

(5)测试准备

①试验场地条件：EMC测试实验室为电波半暗室和屏蔽室。前者用于辐射发射和辐射敏感测试，后者用于传导发射和传导敏感度测试。

②环境电平要求：传导和辐射的电磁环境电平最好远低于标准规定的极限值，一般使环境电平至少低于极限值6dB。

③试验桌。

④测量设备和被测设备的隔离。

⑤敏感性判别准则：一般由被测方提供，并实话监视和判别，以测量和观察的方式确定性能降低的程度。

⑥被测设备的放置：为保证实验的重复性，对被测设备的放置方式通常有具体的规定。

(6)测试种类

传导发射测试、辐射发送测试、传导抗扰度测试、辐射抗扰度测试。

(7)常用测量仪

电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)测试，需要用到许多电子仪器，如频谱分析仪、电磁场干扰测量仪、信号源、功能放大器、示波器等。由于EMC测试频率很宽(20Hz～40GHz)、幅度很大(μV级至kW级)、模式很多(FM、AM等)、姿态很多(平放、斜放等)，因此正确地使用电子仪器非常重要。测量电磁干扰的合适仪器是频谱分析仪。频谱分析仪是一种将电压幅度随频率变化的规律显示出来的仪器，它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁干扰中的缺点，能够精确测量各个频率上的干扰强度，用频谱分析仪可以直接显示出信号的各个频谱分量。

在解决电磁干扰问题时，最重要的一个问题是判断干扰的来源。只有准确将干扰源定位后，才能够提出解决干扰的措施。根据信号的频率来确定干扰源泉是最简单的方法，因为在信号的所有特征中，频率特征是最稳定的，并且电路设计人员往往对电路中各个部位的信号频率都十分清楚。因此，只要知道了干扰信号的频率，就能够推测出干扰是哪个部位产生的。对于电磁干扰信号，由于其幅度往往远小于正常工作信号，用频谱分析仪做这种测量是十分简单的。由于频谱分析仪的中频带宽较窄，因此能够将与干扰信号频率不同的信号滤除掉，精确地测量出干扰信号频率，从而判断产生干扰信号的电路。

2 电磁兼容故障排除技术

(1)传导型问题的解决

①通过串联一个高阻抗来减少EMI电流。

②通过并联一个低阻抗将EMI电流短路到地或引到其它回路导体。

③通过电流隔离装置切断EMI电流。

④通过其自身作用来抑制EMI电流。

(2)电磁兼容的容性解决方案

一种常见的现象是不把滤波电容的一侧看成直接与一个分离的阻抗相连，而看成与传输线相连。典型的情况是，当一条输入输出线的长度达到或超过1/4波长时，该传输线变“长”。实际可以用下式近似表示这种变化：

l ≥ 55/f

式中：l单元为m，f单位为MHz。这个公式考虑了平均传播速度，它是自由空间理论的0.75倍。

a. 电介质材料及容差：电磁干扰滤波使用的大部分电容是无极性电容

b. 差模(线到线)滤波电容性电容

c. 共模(线到地/机壳)滤波电容

共模(CM)去耦通常使用小电容(10～100nF)。小电容可以将不期望的高频电流在其进入敏感电路之前或在其离噪声电路较远时就将其短路到机壳上去。为了得到良好的高频衰减电路，减小或消除寄生电感是关键之所在。因此有必要使用超短导线，尤其希望使用无引线元器件。

(3)感性、串联损耗电磁兼容解决方案

就电容而言，Zs和Z1如果不是纯电阻的话，在计算频率时，要使用它们的实际值。电容器串联在电源或信号电路时，必须满足：

①流过的工作电流不应该引起电感过热或过大的有过之而无不及降;

②流过的电流不能引起电感磁饱和，尤其是对高导磁材料是毫无疑问的。

解决方案有以下几种：

磁芯材料;

铁氧体和加载铁氧体的电缆;

电感、差模和共模;

接地扼流圈;

组合式电感电容元件。

4)辐射型问题的解决

在很多情况下，辐射电磁干扰问题可能在传导阶段产生并被排除，还有些解决方案是可以抑制干扰装置在辐射传输通道上，就像场屏蔽那样工作。根据屏蔽理论，这种屏蔽的效果主要取决于电磁干扰源的频率、与屏蔽装置之间的距离以及电磁干扰场的特性——电场、磁场或者平面波。

①导体带。使用铜或铝带要吧简单快速地建立一种直接的屏蔽和低阻连连接或总线。它们对于临时的解决方案和相对永久的解决方案来说是很方便的。厚度在0.035～0.1mm之间，并且背面带有导电黏合剂以便安装。如果使用铜导电带，其通过电阻约 20mΩ/cm2。应用场合：电气屏蔽罩;发生故障时泄露点定位;作为一个应急的解决方案，将塑料连接器变成金属的、屏蔽普通的扁平电缆等。

②网状屏蔽带和拉链式外套。涂锡的钢网带：主要用来安装在一个已经装配好的电费护套上作为一种易安装的绷带型的屏蔽罩。为了降低电费的磁场辐射或敏感问题，钢网带是一种有效的解决方案。

拉链式屏蔽外套：当有明显迹象表明电费是主要的引起EMI耦合的原因时使用。

③EMI密封垫。应用场合：当下述条件存在，并且需要真正的SE时，EMI密封垫是最常用的解决辐射问题、敏感问题、ESD、电磁脉冲和TEMPEST问题的方法。

已经把机箱泄漏确认为主要的辐射路径。

啮合面不够光滑、平整或不够硬、本身无法提供良好的连接接触。

④窗口和通风板的EMI屏蔽：适合对孔径的屏蔽。

平面波的大概模型是：SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中，SE单位为dB;l为网格或网孔的尺寸，单位为mm;f单位为MHz。当然，随着频率的下降，网孔的屏蔽效率SE的上限受限于金属本身。在近区场，对H场的屏蔽，其屏蔽功率SHE不受频率的影响，可由下式近似得出：

SEH≈10lg(πr/l)

其中，r为源到屏蔽罩之间的距离，l为网孔尺寸，两者单位均为mm.

⑤导电涂料：应用于在系统的塑料外壳建立EMI屏蔽罩、发送现有普通的或恶化的导电表面的屏蔽效能SE、防止ESD或静电积累现象、增大结合面或密封垫片的接触面积。

⑥导电箔：铝是一种良导体，在10MHz以下没有吸收损耗，但它对于电场的任何频率都有较好的反射损耗。应用场合请参阅有关资料。

⑦导电布：可应用于任何100kHz到GHz级频率范围需要达到30～30dB衰减的立体屏蔽场合中。

电磁兼容性(EMC)的定义和重要性 电磁兼容性(EMC)是指设备或系统能在其电磁环境中正常工作，且不会对环境中其他事物造成不可承受的电磁干扰。对于专注于单片机应用系统设计的工程师来说，掌握EMC测试技术至关重要。EMC不仅涉及电磁干扰(EMI)的降低，还包括对电磁敏感性(EMS)的评估。电器产品在使用过程中可能对其他电器造成干扰，或者受到其他电器的干扰，这直接关系到产品本身的可靠性和安全性，也可能影响其他电器的正常运行，甚至引发安全隐患。

EMC测试的核心方面 EMC测试涵盖了两个核心方面：一是评估设备向外发出的电磁骚扰强度是否符合标准限制;二是检验设备在规定电磁骚扰强度下是否能保持正常工作。

02EMC测试与准备测试环境与设备 在单片机系统进行EMC测试时， 需要确保在符合标准的测试环境下进行，如室外开阔场地、屏蔽室或电波暗室等，以保证测试结果的准确性。测试设备需适当，包括电磁干扰测量设备和电磁敏感度测量设备，这些设备能模拟不同干扰源。

测试方法与诊断步骤 EMC测试的方法多种多样，但通常可以归纳为 传导发射测试、辐射发射测试、传导敏感度(抗扰度)测试和辐射敏感度(抗扰度)测试等四大类。通过遵循合理的测试诊断步骤，可以更高效地找出并解决电磁兼容性问题。

测试准备的关键环节 在正式进行EMC测试之前， 必须确保已经充分做好了各项准备工作。这包括了解并熟悉相关的测试标准、选择适当的测试设备、搭建符合标准的测试环境，以及制定合理的测试计划和诊断步骤。通过充分的准备，可以确保测试过程的顺利进行，从而提高测试结果的准确性和可靠性。

03EMC解决方案电容和电感在EMC中的应用 一种常见现象是，滤波电容的一侧并不直接与一个分离的阻抗相连，而是与传输线相连。在电磁兼容性方面，使用无极性电容作为滤波电容是常见的。此外，差模(线到线)滤波和共模(线到地/机壳)滤波也是重要的考虑因素。 使用滤波电容和磁芯材料解决电感问题，注意电容器的高频衰减和接地设计是关键。

辐射问题的解决策略 在许多情况下， 放置导体带、网状屏蔽和拉链式外套等策略可以有效抑制辐射干扰。此外，还有一些策略可以在干扰装置的辐射传输通道上进行抑制，例如场屏蔽。根据屏蔽理论，屏蔽的有效性主要取决于电磁干扰源的频率、与屏蔽装置的距离以及电磁干扰场的特性。EMI 密封垫则用于机箱泄漏，可广泛应用于电气屏蔽罩、故障泄露点定位，以及作为塑料连接器的金属替代品等场合。

一、故障现象分析

在故障诊断之前，首先要对故障现象进行仔细分析。观察单片机电路的工作状态，注意是否有异常现象出现，如指示灯不亮、电机不转、显示屏无显示等。同时，也要留意电路板上是否有烧焦、变形等物理损坏现象。通过对故障现象的分析，可以初步判断故障可能发生的部位和原因。

二、检查电源和地线

电源和地线是单片机电路正常运行的基础。因此，在故障诊断时，首先要检查电源和地线是否正常。检查电源电压是否符合要求，地线是否接触良好。如果电源或地线存在问题，需要及时修复或更换。

三、检查单片机芯片

单片机芯片是单片机电路的核心部件，一旦出现故障，可能会导致整个系统无法正常工作。因此，在故障诊断时，要特别关注单片机芯片的状态。首先，检查单片机芯片的引脚是否接触良好，是否有虚焊、断路等现象。其次，通过测量单片机芯片的引脚电压和波形，判断其是否工作正常。如果单片机芯片存在问题，需要及时更换。

四、检查外围电路

除了单片机芯片外，外围电路也是单片机电路的重要组成部分。外围电路包括电源电路、复位电路、时钟电路、输入输出电路等。在故障诊断时，要逐一检查这些外围电路是否正常。例如，检查电源电路的输出电压是否稳定;检查复位电路是否能在需要时正确复位单片机;检查时钟电路是否提供稳定的时钟信号;检查输入输出电路是否正常工作等。通过逐一排查外围电路，可以缩小故障范围，有助于快速定位故障点。

五、使用诊断工具

在故障诊断过程中，可以使用一些诊断工具来辅助排查故障。例如，使用示波器观察单片机芯片的引脚波形;使用万用表测量电路中的电压和电流;使用逻辑分析仪分析数字信号的逻辑关系等。这些诊断工具可以帮助我们更准确地判断故障类型和位置，提高故障诊断的效率和准确性。

六、排除干扰因素

在单片机电路故障诊断过程中，有时会遇到一些干扰因素，如电磁干扰、电源波动等。这些干扰因素可能会掩盖真实的故障现象，导致我们难以定位故障点。因此，在诊断过程中要注意排除这些干扰因素。例如，使用屏蔽线减少电磁干扰;使用稳压电源提供稳定的电源电压等。

七、总结与预防

在成功排除故障后，要对整个诊断过程进行总结。分析故障产生的原因和解决方法，总结经验教训。同时，也要针对故障产生的原因采取相应的预防措施，避免类似故障再次发生。例如，加强电路板的保护措施;优化电路设计;提高元器件的可靠性等。