EMI（電磁干擾）/ EMC（電磁相容性）：產品不能干擾別人，也要能抵抗別人的干擾。 這是進入市場必過的一關。

一、EMI / EMC 概念

EMI（Electromagnetic Interference）

電子設備產生的電磁能量，可能干擾其他設備。

EMC（Electromagnetic Compatibility）

設備在電磁環境中能正常工作，且不對該環境造成不可接受的干擾。

EMC = EMI + EMS

  • EMI（Emission）：發射
  • CE（Conducted Emission）：傳導發射
  • RE（Radiated Emission）：輻射發射
  • EMS（Susceptibility）：敏感度（被干擾的能力）
  • CS（Conducted Susceptibility）
  • RS（Radiated Susceptibility）
  • ESD（靜電放電）
  • EFT（電快速暫態）
  • Surge（突波）

二、法規與認證

全球主要法規

地區 法規
美國 FCC Part 15
歐盟 CE（EN 55032、EN 61000）
日本 VCCI
中國 CCC
韓國 KC
台灣 NCC、BSMI
加拿大 ICES-003

等級分類

  • Class A：工業 / 商業環境
  • Class B：家用 / 居住環境（更嚴格）

主要量測

  • 30 MHz – 1 GHz（一般）
  • 1 GHz – 6 GHz（高速電子）
  • 9 kHz – 30 MHz（傳導）

三、EMI 來源

主要源頭

  1. 時鐘訊號：方波諧波豐富
  2. 開關電源：di/dt、dv/dt 大
  3. 高速數位訊號
  4. 馬達 / 繼電器：電弧
  5. 電源線：將雜訊耦合到外部

諧波分析

方波的傅立葉展開：

$$f(t) = \frac{4A}{\pi}\sum_{n=1,3,5...} \frac{\sin(n\omega t)}{n}$$

→ 含奇次諧波，振幅 1/n 衰減。

Spectrum

100 MHz 時鐘 → 100, 300, 500, 700... MHz 都有諧波。

四、EMI 三要素

EMI 需要三個要素同時存在：

  1. Source（源）：產生雜訊
  2. Coupling Path（耦合路徑）：傳遞雜訊
  3. Victim（受害者）：被干擾的設備

抑制 EMI 從這三方面下手。

五、傳導 EMI 抑制

1. EMI 濾波器

電源輸入端標準配置：

   AC ── Fuse ── L_CM ──┬── X_cap ── 設備
                         │
   AC ──        ─────────┴── Y_cap ── GND
                              ↑
                            機殼/大地
  • L_CM：共模扼流圈
  • X 電容：差模（線間）
  • Y 電容：共模（線到地）

2. 共模扼流圈

對共模呈現高阻抗，差模低阻抗。 規格：阻抗 vs 頻率曲線。

3. ferrite bead

高頻吸收，常見於 IO 線。

4. PI 濾波

L 兩側各一電容，更陡斜率。

六、輻射 EMI 抑制

1. 控制電流路徑面積

Loop Antenna 是輻射主因：

$$\text{輻射} \propto I \times f^2 \times A$$

A 是迴路面積。

→ 訊號回流路徑必須緊靠訊號，最小化迴路面積。

2. 連續地平面

不要切割，不要在訊號下方有縫隙。

3. 屏蔽（Shielding）

  • 全金屬殼
  • 法拉第籠
  • 接地完整（必要！）

4. 限制 di/dt 與 dv/dt

開關電源： - 加 Snubber - 軟切換（ZVS、ZCS） - 慢化驅動（增加 Gate 電阻）

時鐘： - Spread Spectrum 展頻 - 終端匹配減少 Ringing - 不需要的時鐘層別啟用

七、ESD 保護

ESD 標準

  • IEC 61000-4-2：±8 kV 接觸、±15 kV 空氣
  • HBM（Human Body Model）：±2 kV
  • CDM（Charged Device Model）：±500V

保護元件

  • TVS 二極體（首選）
  • 變阻器（MOV）
  • 氣體放電管（GDT）：高電壓
  • ESD array：多通道

防護電路

   外接訊號 ──┬── 1 kΩ R ──── IC
              │
            [TVS]
              │
            GND

R 限制能量，TVS 箝位電壓。

PCB 上的 ESD

  • 表面距離（creepage）
  • 導體間隙（clearance）
  • 元件擺放遠離 IO

八、ESD / EFT / Surge

ESD（靜電放電）

人或物體上累積的靜電瞬間放電。

EFT（Electrical Fast Transient）

繼電器、開關產生的快速脈衝串。 標準：±1–4 kV，5/50 ns。

Surge（突波）

雷擊、電網切換的長能量脈衝。 標準：±0.5–6 kV，1.2/50 µs。

對應元件： - ESD：TVS - EFT：TVS、ferrite bead - Surge：MOV、GDT、大功率 TVS

九、PCB Layout 防 EMI

1. 層堆疊

  • 每個訊號層都靠著一個地層
  • 高速訊號走中間層（屏蔽）
  • 電源層與地層相鄰（電容）

2. 走線

  • 高速訊號短直
  • 換層必有 GND via 提供回流
  • 不跨越 plane 切割
  • 差分緊耦合

3. 元件擺放

  • 高速 IC 集中
  • 連接器邊緣（防止外部干擾）
  • TVS 緊靠連接器

4. 接地

  • 多 via 接地
  • 不分散接地
  • 機殼地一點接 PCB 地（或用 capacitor）

十、EMI 量測與除錯

預掃描（Pre-compliance）

  • 近場探棒：找 hotspot
  • LISN + 頻譜儀：傳導
  • 簡單接收天線 + 頻譜儀：輻射

認證測試

  • 認證實驗室（如 SGS、TÜV、UL）
  • 開放場地或全電波暗室

除錯技巧

  1. 頻率識別：找超標頻率對應到哪個時鐘 / 電源
  2. 改善方案： - 加 ferrite bead - 改用 spread spectrum 時鐘 - 增加去耦 - 屏蔽 - 修改 PCB layout（最終手段）

十一、本章總結

✅ 您應該掌握：

  • [x] EMC 法規與認證流程
  • [x] 傳導 vs 輻射 EMI
  • [x] EMI 三要素（源、路徑、受害者）
  • [x] EMI 濾波器設計
  • [x] 共模扼流圈、ferrite bead
  • [x] ESD/EFT/Surge 保護
  • [x] PCB Layout 防 EMI 原則
  • [x] 量測與除錯流程

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