PCB電磁兼容設計技術資料大放送-第一季

世界上只有兩種硬體工程師，一種是已經遇到電磁兼容性問題，一種是將要遇到電磁兼容性問題。呵呵，老wu這裡套用Eric Bogatin的《信號完整性與電源完整性分析》一書里的經典名句。

電機設備和電子產品在使用過程中可能產生電磁輻射,以致干擾其他設備的正常運行,甚至影響人體健康。因此幾乎全球主要經濟體的國家已在過去二十年期間先後立法規範,要求任何產品所產生的電磁輻射必須符合電磁干擾/兼容的法規標準,否則不準上市銷售。而近年來隨著無線通訊的快速發展,世界各國的法規標準日趨嚴格。由於現代的電子產品,功能越來越強大,操作速度越來越快,電子線路也越來越密集與複雜,電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題變成了設計上的主要挑戰,因此除了對電路設計技術水準的要求越來越高外,目前也開始PCB與IC 半導體電路的EMC 問題展開研究。一個好的電子產品,除了產品本身優異的功能外,高水準的電磁兼容電路設計,對產品品質及技術性能指標都具有相當關鍵的影響力。電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行最佳化設計,使之能成為符合各國或地區電磁兼容標準的產品。

然而,以往解決EMC的問題往往是見樹不見林,也就是僅針對部分問題尋求抑制對策,而欠缺系統性的全面設計規劃,以至於無法有共通性的解決方案; 因此解決電磁干擾/兼容的問題需要理論與經驗的結合,且需要在設計電路或系統之初即以系統觀點考慮可能的電磁干擾/兼容問題,更要事先進行原因分析(Root Cause Analysis: RCA)的評估,事後進行補救所花費的成本將更可觀。電磁干擾/兼容的領域很廣泛,包括電力、電腦、通訊、控制、醫療設備、運輸電子、軍事設備、資訊科技、消費性電子、家用電器、信號傳輸、材料特性、量測技術、屏蔽技術、生醫電磁學(bio-electromagnetics)等。

目前在工作頻率越來越高的情況下,許多在低頻時問題不大的信號完整性 (SI)以及電磁干擾(EMI)問題是越來越嚴重。由於電路中的單位密度元件增加, 造成電路走線引起的問題越來越多。舉個栗子,印刷電路板上的微帶線在傳輸電子信號時,由於電磁波會藉由介質向外傳播,而產生電磁輻射或耦合的現象, 影響其他電子元件正常工作。過去在設計電路走線時,因為頻率較低,因此考慮的因素相對來說並不多,只要遵守一些基本原則就足夠應付了,但隨著傳輸速度增加,工作頻率上升,漸漸的已無法防止電磁效應所產生的干擾,因此從過去的單一傳輸信號線之後,差模傳輸對也逐漸在一些產品上被採用,差模信號的傳輸是利用兩大小相同相位相反的信號同時傳輸,此時因為電流反向,磁場相互抵銷,造成破壞性干涉,因此能夠降低電磁干擾(EMI)。此外,早期探討電磁兼容測試是在測試設備與設備或系統與系統間相互干擾,而隨著無線通訊的應用與日俱增與科技的日新月異,產品體積輕薄短小化且功能豐富多的狀況下,高速數字系統的設計都需附加愈來愈多的無線通訊技術;如在Notebook 中加入GSM、WLAN、GPS、Bluetooth、DVB-H……等,在縮小的體積內建置更多的無線通訊模組與天線。目前我們發現不管是系統或元件(如模組、天線),當這些系統或元件整合到數字無線通訊系統時,這些系統或元件間產生雜訊的干擾可能會影響到其本身的傳輸性能,如data rate 降低、傳輸距離變短等。此種無線通訊的Platform Noise 觀念其實跟EMC 是相同的,只是Platfrom Noise 又是更嚴重的問題,因為很多意圖發射的元件或模組一起緊密建置於系統內時, 在操作情況下,所需注意的焦點已經不單單只在設備與設備之間的EMC 問題, 更是演進到系統內模組興模組間的兼容性測試與設計分析。

此外,隨著半導體電路(IC)的功能越來越強、操作速度愈來越快、應用愈來愈廣泛,使得目前資訊通訊與車輛產業在系統整合時所造成的電磁干擾問題也越來越嚴重,半導體電路已成為電子系統之整體電磁干擾能量的重要來源,一般而言, 解決EMC 的問題越往源頭越容易解決,而且解決的成本亦較低,因此除了在設計初期即進行模擬分析外,EMC 技術發展的趨勢將是由系統開始,而後逐漸朝模組與電路板設計方向的系統內干擾問題研究,未來則無可置疑地必須往晶元層級的設計與製程解決EMC 的問題,產業界將導入晶元層級之EMC 限制值概念, 研究其對模組與系統之EMC 效應影響以及管制機制。以期能夠提升產業界解決EMC、PI、SI 等迫切問題的技術與能力,建立完整的EMC 設計規範與量測技術, 並培養國內產業界在納米時代之IC 設計與產品差異性設計時所需的相關專業人才。從系統層面到晶元所遭遇之 EMC 問題列舉相關的研究課題如下:

1. 車輛電磁干擾/兼容 (Automotive EMI/EMC)

車用電子通訊設備日漸普及,寬頻時代的定位、天線、安全、多媒體、娛樂、 電子收費、遠距離醫療等高科技的電子產品都可能成為車內配備。多種電子產品集中在狹小空間里,彼此間容易產生電磁干擾,而可能衍生之行車安全問題更是各國交通主管單位與大車廠所關注的問題,因此ISO 11451及ISO 11452等系列標準及制定出從整車到電子控制模組(ECU)的EMC標準,值得投入研究。例如火星塞引燃的突波(Surge)及馬達運轉時產生之反電動勢(back EMF)暫態波形對車內電子通訊設備(如音響、收音機等)的電磁干擾、天線所發射的電磁波對車內電子通訊設備的電磁干擾、電子通訊設備間的相互電磁干擾、雷突波(LEMP)對車內電子通訊設備的電磁干擾都是研究的課題,尤其目前我國及世界各國正積極發展電動車輛及相關汽車電子產業,更需投入相關之研究與設計技術,其中汽車電子的未來趨勢將是朝向安全車輛(先進式安全汽車ASV;線控剎車、駕駛、以及汽閥)、智能車輛(車內網路、ITS、Telematics、與短距通訊DSRC)、綠能車輛(EV、 HEV、FCEV)發展,因此在高速數字電子與低驅動電力的複雜動力組合架構下, 車輛之電磁兼容設計與驗測技術將面臨新的挑戰。

2. 無線通信系統干擾/兼容 (Wireless Communications EMI/EMC)

現代電子產品功能整合越來越強大,操作速度越來越快且強調無線上網與通信的能力,而內部的數字電子線路也越來越密集與複雜,因此除了傳統的電磁干擾和電磁兼容問題變成了高速數字電路設計上的主要挑戰,對電路性能設計技術水準的要求越來越高外,目前也開始朝系統內干擾(Intra-system)問題展開研究, 因為它將會直接導致無線通信傳輸性能劣化的 Platform Noise 問題。一個好的數字無線通信電子產品,除了產品本身優異的功能外,高水準的電磁兼容電路設計, 對產品品質及技術性能指標都具有相當關鍵的影響力。 Platform Noise 設計實際上就是針對數字無線通信產品內部電磁兼容產生的電磁干擾進行系統最佳化設計,使之能成為符合各主要廠商(如: Nokia、Motorola、SONY ERICSON、Dell … 等)對於其無線通信系統高靈敏度(sensitivity)要求的產品。早期探討電磁兼容測試是在測試設備與設備或系統與系統間相互干擾,而隨著無線通訊的應用與日俱增與科技的日新月異,產品體積輕薄短小化且功能豐富多的狀況下,高速數字系統的設計都需附加愈來愈多的無線通訊技術;如在Notebook 中加入GSM、WLAN、 GPS、Blue tooth、DVB-H……等,在縮小的體積內建置更多的無線通訊模組與天線。目前我們發現不管是系統或元件(如模組、天線),當這些系統或元件整合到數字無線通訊系統時,這些系統或元件間產生雜訊的干擾可能會影響到其本身的傳輸性能,如data rate 降低、傳輸距離變短等。此種無線通訊的Platform Noise 觀念其實跟EMC 是相同的,只是Platform Noise 又是更嚴重的問題,因為很多意圖發射的元件或模組一起緊密建置於系統內時,在操作情況下,所需注意的焦點已經不單單只在設備與設備之間的EMC 問題,更是演進到系統內模組興模組間的兼容性測試,而因應此趨勢,電磁兼容設計與驗證已經逐漸從電子設備或系統設計的重心轉移到模組與半導體電路元件(SOC)上,並必須投入系統整合設計之EMC 研究。

3. 印刷電路板的電磁干擾/兼容 (EMI/EMC in PCB)

隨著電子產品操作頻段不斷的提高,印刷電路板的電磁干擾問題越來越嚴重。印刷電路板在設計之初通過電磁干擾/兼容檢驗,在裝機整合過程後,可能無法通過檢驗或無法運作。這類問題牽涉到元件擺置、導線布置、接地系統設計、輻射干擾信號的壓制等,都是值得探討的課題。

4. 半導體電路系統與封裝的電磁干擾/兼容 (EMI/EMC in SoC, SiP and Package)

鑒於近年來半導體製程技術之演進相當快速,在晶圓廠與設計公司進入納米時代,其所設計的電路參數變化效應也已進入到影響晶元效能的時代,然而這些進步卻衍生如Signal Integrity與EMC等相關的問題,使得系統晶元在實現整合混合信號(mixed-signal)功能與高速I/O介面時將更加困難,同時由於低電壓製程技術的普及,使得系統與晶元層級的電源完整性( PI)與ESD問題亦亟待解決。電子通訊產品的硬體整合往系統晶元(SoC)及系統封裝(SiP)的方向發展,包括整合天線在晶元或封裝內部。電磁干擾/兼容問題是射頻半導體電路(RFIC)或單晶微波積 體電路(MMIC)與基頻處理器共設計過程的重要議題,值得研究。

5. 暫態電磁干擾/兼容 (Transient EMI/EMC)

通訊、雷達、智能車輛、醫療等系統均裝配許多高靈敏度的電子儀器設備, 易受到暫態感應電流的干擾。這些電子通訊系統內有很多IC零件,如果沒有適當的保護措施,很容易造成誤動作、暫時性甚至永久性的損壞。引起設備損壞的暫態電磁干擾源包括雷突波 (LEMP)、靜電放電 (ESD)、核爆脈衝波(NEMP)、電流突波 (Surge)等,值得研究。

6. 天線隔離度解決方案

隨著無線通訊產品之縮小化與通訊頻帶整合之需求,多頻或寬頻天線設計是必然的趨勢,也因此在同一產品內,有包含多支天線的需求,如何增加多天線之間隔離度的問題,以避免個無線系統間之非意圖輻射耦合(如:spurious emission) 問題,都值得研究。相關的研究課題包括:多饋入(multi-port)天線的設計,同時滿足數個無線通訊系統的輸出入需求並且不互相干擾、多天線之間的隔離度以及MIMO天線間之隔離度對信號傳輸影響的研究分析、天線間去耦合的電路設計… 等等,均為重要的研究主題。

7. 屏蔽材料 (Shielding materials)

利用材料的特性將電子通訊系統內元件與元件間或元件與子系統間的電磁 場隔離,一則防止電磁波向外輻射造成干擾,一則抑制外來的電磁波干擾內部的 電子通訊系統。屏蔽材料的研究課題包括材料的電磁特性分析、材料結構形狀的 研究、材料厚度的影響等。例如開發船艦、飛機上的吸波漆材以降低船艦、飛機的雷達截面積、防高頻電磁波的衣料開發等,尤其是造價極高之電波無反射室之建造應用,在在均廣泛使用兼容性的屏蔽與吸波材料,此一領域已經廣受微波領域的重視,未來更應積極發展寬頻材料之設計與特性量測技術。

8. 電磁干擾/兼容量測技術 (EMI/EMC test and measurement techniques)

電磁干擾/兼容量測是否準確取決於量測環境是否合格、量測儀器是否標準、 量測儀器與待測物間的電磁耦合效應是否排除、人為的操作程序是否正確等諸多 因素。許多既有的電磁干擾/兼容的量測程序、環境、儀器等均有標準規範或國 際認證。新的電子通訊產品不斷的推出,部份量測技術尚未訂定標準規範或必須 修訂,如何設計一套恰當的量測技術值得研究。

9. 模型化及模擬技術 (Modeling and Simulation)

值得研究的課題包括建立輸入/輸出緩衝器資訊規格(IBIS)模型以及互連線路(Interconnects)的等效電路模型,發展計算電磁方法等,藉由模擬技術探討信號/電源完整度(SI/PI )與電磁干擾/兼容之間的關聯性,並能有效應用於各項從元件、 模組、電路板、一直到完整系統之電磁干擾/兼容議題的預測與防範分析上。

老wu這裡分享一些電磁兼容性設計方面的資料，分享給大家，算是第一季吧，以後應該還會有更多的分享。

EMC設計方面的書籍資料：

《電磁兼容工程》，清華大學出版社出版，英文書名：ElectromagneticCompatibilityEngineering 作者：Henry W.Ott著，鄒澎 等譯。《電磁兼容工程》對理論分析和應用技術講得很具體，實用性很強。例如關於電纜與機箱的屏蔽及屏蔽層的端接方法，無源器件和有源器件的雜訊分析，對差模輻射、共模輻射及抑制措施的分析，去耦效果的定量研究，觸點保護技術，靜電防護技術，對PCB板走線上信號的返回電流路徑的分析及PCB板上槽和縫隙的處理方法，PCB板上的數字電流分析及模擬地和數字地的處理方法，多層PCB板上的電磁兼容技術，EMC預測量，部分電感的計算及接地面電感的測量等。

雖然近幾年國內已經出現了很多電磁兼容教材和專著，但是對於經常要面對產品的電磁兼容認證問題，要處理許多實際電磁兼容問題的系統設計工程師和電路設計工程師來說，本書仍不失為一本不可多得的參考資料。本書也可以作為電子類、電工類、通信、檢測技術、儀器儀錶等專業研究生、本科高年級學生的教材及相關行業的培訓教材。

《電磁兼容導論》，人民郵電出版出版，英文書名：Introduction to Electromagnetic Compatibility作者：Clayton R.Paul著，聞映紅 等譯。《電磁兼容導論》全面系統地講述電磁兼容(EMC)的基本原理及其應用，包括EMC概論、電子系統的EMC要求、電磁場理論、傳輸線、天線、元件的非理想性能 、信號譜、輻射發射和敏感度、傳導發射和傳導敏感度、串擾、屏蔽、靜 電放電、EMC的系統設計等內容。

本書講述深入淺出，配合典型例證，實用性強。本書可作為高等院校 相關專業電磁兼容課程教材，也可供EMC設計開發人員參考。

《Grounds for Grounding A Circuit to System Handbook》, 接地設計和安裝方法對任何電氣或電子系統的安全和性能都至關重要。 融合理論和實踐，這是第一本提供從電路到系統接地的菊花寶典。

《輻射發射控制設計技術》，科學出版社出版，英文書名：CONTROLLING RADIATED EMISSIONS BY DESIGN，作者：[美] Michel Mardiguian 著，陳愛新 譯。本書是一部關於電磁兼容（輻射發射控制）設計的經典著作。全書共分13章，主要內容包括：輻射干擾概論、簡單電路的電場和磁場、非正弦波源的輻射聲、設計低輻射產品的基本策略、晶元和集成電路級輻射發射控制、印製電路板設計、母板和背板的發射控制、控制開關電源的輻射場、通過內部布線和封裝減小輻射電磁干擾、機箱屏蔽、控制外部線纜的輻射、主要輻射發射規範和測試方法、輻射電磁干擾問題排故。

本書的重點不在基礎論上，而是側重於實際應用。近200幅圖表以及大量的工程實例便於讀者更加形像地理解本書所講述的知識，並針對在工程設計中所遇到的問題給出了正確有效的解決方案。

《高速數字設計》，電子工業出版社出版，約翰遜(Howard Johnson) 格雷厄姆(Martin Graham)著，沈立　等譯，在高速數字電路信號完整性叢書中相當niubility的一本，及俗稱的信號完整性黑魔書，作為比較早出來的信號完整性參考書，對國內的信號完整性研究發展起到了巨大而深遠的影響，可以說，凡是信號完整性領域的大神，都拜讀過這本書。

《EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers》，此書針對電子產品無法通過EMI/EMC測試提供了一站式的解決方案，它為工程師或技術人員構建簡單，易於實施且價格低廉的故障排除工具或輔助工具提供了「配方」 ，此書通俗易懂，只需要極少的電磁理論和數學知識。

《實用電子元器件與電路基礎》，電子工業出版社出版，外文書名: Practical Electronics for Inventors，作者：保羅·施瓦茨 (Paul Scherz) (作者), 西蒙·莫克 (Simon Monk) (作者), 夏建生 (譯者), 王仲奕 (譯者), 劉曉暉 (譯者), 郭福田 (譯者), 等 (譯者)。本書從電路基本原理的介紹開始，對各種類型的電子元器件進行了詳細具體的分類介紹。首先重點介紹了包括電阻，電感，電容，變壓器等在內的基本電子元器件；然後分別介紹了各種半導體器件、光電器件、各種感測器、運算放大器、直流穩壓和調壓器件、電聲器件等專用元器件；介紹了各種濾波電路的設計及實用電路、各種振蕩電路及555時基電路；在數字電路中，從各種門電路、觸發器開始，詳細介紹了各種中規模集成數字器件，如寄存器、計數器、編碼器、解碼器、數據選擇器、數據分配器、數字顯示器，以及大規模集成電路的存儲器、可編程邏輯器件、微處理器和模塊化電子設備等；在電機及控制電路中，介紹了直流電動機、伺服電動機和步進電動機等。詳細提供了各種元器件的型號、參數、接線引腳、外型、實物圖片等，並給出了典型的實用電路圖，清晰的手繪電路圖多達750餘幅；特別需要指出的是，本書結合圖解方法，詳細地介紹了製作實用電子電路的過程、方法、步驟和注意事項，以及常用儀器儀錶的操作使用，元器件的選擇，安全操作等，細節幾乎面面俱到，這也是本書的一大特點。

《麥克斯韋方程直觀》，機械工業出版社出版，英文原版書名：A Student』s Guide to Maxwell』s Equations，作者：丹尼爾·弗雷希 (Daniel Fleisch) 著, 唐璐 譯。《圖解直觀數學譯叢:麥克斯韋方程直觀(翻譯版)》用淺顯的語言，介紹了科學中4個最有影響力的方程：高斯電場定律、高斯磁場定律、法拉第定律和安培一麥克斯韋定律。書中對每個方程都進行了詳盡的講解，包括每個符號的物理意義，各方程的積分形式和微分形式等。《圖解直觀數學譯叢:麥克斯韋方程直觀(翻譯版)》還配有網站。網站提供了書中所有內容的英文原聲MP3文件，可以在線播放。網站上還有書中所有習題的答案和解題步驟，以及互動形式的分步驟提示。

麥克斯韋方程組（英語：Maxwell』s equations）是一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程。該方程組由四個方程組成，分別是描述電荷如何產生電場的高斯定律、表明磁單極子不存在的高斯磁定律、解釋時變磁場如何產生電場的法拉第感應定律，以及說明電流和時變電場怎樣產生磁場的麥克斯韋-安培定律。麥克斯韋方程組是因英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋而命名。麥克斯韋在19世紀60年代構想出這方程組的早期形式。

在不同的領域會使用到不同形式的麥克斯韋方程組。例如，在高能物理學與引力物理學裡，通常會用到時空表述的麥克斯韋方程組版本。這種表述建立於結合時間與空間在一起的愛因斯坦時空概念，而不是三維空間與第四維時間各自獨立展現的牛頓絕對時空概念。愛因斯坦的時空表述明顯地符合狹義相對論與廣義相對論。在量子力學裡，基於電勢與磁勢的麥克斯韋方程組版本比較獲人們青睞。

自從20世紀中期以來，物理學者已明白麥克斯韋方程組不是精確規律，精確的描述需要藉助更能顯示背後物理基礎的量子電動力學理論，而麥克斯韋方程組只是它的一種經典場論近似。儘管如此，對於大多數日常生活中涉及的案例，通過麥克斯韋方程組計算獲得的解答跟精確解答的分歧甚為微小。而對於非經典光、雙光子散射、量子光學與許多其它與光子或虛光子相關的現象，麥克斯韋方程組不能給出接近實際情況的解答。

從麥克斯韋方程組，可以推論出光波是電磁波。麥克斯韋方程組和洛倫茲力方程是經典電磁學的基礎方程。得益於這一組基礎方程以及相關理論，許多現代的電力科技與電子科技得以被發明並快速發展。

《產品設計中的EMC技術》,電子工業出版社出版出版，外文書名：EMC for Product Designers Fifth Edition，作者：威廉姆斯 著。隨著經濟與電子技術的發展，電磁兼容（EMC）越來越受到電子、電氣設備設計人員的關注。本書內容覆蓋了EMC指令下的應用、標準和測試方法，以及為了滿足符合性要求而採用的設計原理和技巧，幾乎包括了所有滿足EMC指令的必要信息。更重要的是，它指導讀者如何將EMC設計規則應用到產品中去。

本書可以作為電子產品設計部門在EMC方面的必備參考書，也可以作為電子和電氣工程師進行EMC培訓和學習的教材或參考資料。此外，本書也可供EMC測試工程師、工程管理人員以及電子類專業的高年級學生參考學習。

《印刷電路板設計-在真實設計里的EMI控制》，英文書名： PCB Design for Real-world EMI Control, 作者：Bruce Archambeault，老wu覺得灰常棒的一本EMI設計教程，沒有令人頭大的數學公式推導，給出的都是簡化了的公式，書內容講的都是日常電子產品設計中真實的EMI設計問題和指導。

印刷電路板設計-在真實設計里的EMI控制這本書內容闡述許多EMI的一些基本概念，對於EMI工程師是很好的教科書，同時對於電子產品硬體、layout、結構工程師也是不錯的參考教程。畢竟，好的EMI產品設計是要個個部分配合的。閱讀本書你可以知道要如何做好EMI設計，更重要的是知道其原理，知其然更知其所以然。

《EMC電磁兼容設計與測試案例分析》，電子工業出版社出版，作者：鄭軍奇。《EMC電磁兼容設計與測試案例分析》以EMC案例分析為主線，通過案例描述、分析來介紹產品設計中的EMC技術，向讀者介紹產品設計過程中有關EMC的實用設計技術與診斷技術，減少設計人員在產品的設計與EMC問題診斷中的誤區。書中所描述的EMC案例涉及結構、屏蔽與接地、濾波與抑制、電纜、布線、連接器與介面電路、旁路、去耦與儲能、PCBLayout，以及器件、軟體與頻率抖動技術等各個方面。

《NEC應用筆記 改善EMC的PCB設計》《摩托羅拉電路板級的電磁兼容設計》《如何設計符合EMI 要求的PCB》《Getting EMC Design Right First Time》《高速數字電路設計 及 EMC 設計》《PCB的EMC設計指南-華為》

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