第九章 嵌入式系统的电磁兼容设计
嵌入式系统中的电磁兼容与抗干扰设计
嵌入式系统中的电磁兼容与抗干扰设计嵌入式系统是一种特殊的电子系统，常常集成在其他设备中，例如家电、汽车、医疗设备等。
因此，嵌入式系统的电磁兼容与抗干扰设计显得尤为重要。
本文将介绍什么是电磁兼容与抗干扰设计以及在嵌入式系统中的应用。
首先，让我们了解电磁兼容与抗干扰设计的基本概念。
电磁兼容（EMC）是指设备在电磁环境中能够正常工作，而不对周围的设备或系统产生干扰。
抗干扰设计（EMI）则是指对电磁辐射源和电磁辐射敏感设备采取措施，以减少电磁辐射干扰和电磁辐射接收干扰。
在嵌入式系统中，电磁兼容与抗干扰设计是为了保证系统的稳定性、可靠性和安全性。
当嵌入式系统与其他设备共同工作时，可能会发生电磁干扰，导致系统性能下降或甚至失效。
因此，嵌入式系统必须在设计阶段考虑电磁兼容与抗干扰措施。
首先，对于电磁兼容设计来说，主要目标是减少系统对外部电磁场的敏感度，以及减少系统本身的电磁辐射。
为此，设计师可以采取以下措施：1. 屏蔽和隔离：通过在系统的关键部件或线路上添加金属屏蔽罩或采用隔离技术，可以有效地减少系统对外界干扰的敏感度。
2. 接地和综合布线：良好的接地系统可以提供一个低阻抗的回路，减少系统的电磁辐射和干扰。
在综合布线中，要注意信号和电源线之间的隔离，减少互相干扰的可能性。
3. 滤波器和终端阻抗匹配：添加适当的滤波器可以消除电源线上的噪声，提高系统的抗干扰能力。
此外，正确匹配终端阻抗可以减少信号的反射和干扰。
其次，抗干扰设计对于嵌入式系统的可靠性和安全性至关重要。
以下是一些常用的抗干扰设计措施：1. 合理布局：在嵌入式系统的电路板布局中，应将高频和低频的电路分开，减少彼此之间的干扰。
同时，要避免信号线和电源线交叉走线，以减少互相干扰的可能性。
2. 地线设计：良好的地线设计可以有效地降低系统的电磁辐射和接收干扰。
地线应尽量短、粗，与信号线和电源线分离，并且要与系统的整体结构保持一致。
3. 外部滤波器：在系统的输入和输出部分添加适当的滤波器，可以减少外部电磁辐射的进入系统的可能性，提高系统的抗干扰能力。
章嵌入式系统的电磁兼容设计
章嵌入式系统的电磁兼容设计电磁兼容性(EMC)设计是嵌入式系统开发过程中的重要考虑因素。
随着电子设备在现代生活中的广泛应用，其所产生的电磁辐射和对电磁干扰的容忍程度越来越重要。
电磁辐射和电磁干扰可能会对其他设备和系统产生不良影响，因此必须进行电磁兼容性设计，以确保设备在各种环境下能正常工作。
本文将介绍嵌入式系统的电磁兼容设计方法以及一些常见的技术。
首先，嵌入式系统的电磁兼容设计要从硬件设计开始。
这包括电路板布局、引脚编址、线路跟踪等。
在电路板布局中，关键是要避免信号线与电源线、地线等敏感线路的交叉。
尽量使用双层或多层电路板设计，以减少电磁干扰。
引脚编址是确保信号线和电源线在设计中的正确布局，并避免高频信号与低频信号线路的干扰。
线路跟踪则需要避免长线路和衔接的线路，以减少电磁辐射。
其次，电磁屏蔽是电磁兼容设计中的关键技术之一、电磁屏蔽材料可以用于外壳和电路板上，以减少电磁辐射和对电磁干扰的敏感度。
常见的电磁屏蔽材料包括金属屏蔽罩、导电涂层和电磁屏蔽垫等。
在选择和使用电磁屏蔽材料时，需要根据系统的特定要求进行评估和测试，以确保其符合所需的屏蔽效果。
另外，接地设计也是电磁兼容设计中需要重点考虑的因素之一、合理的接地设计可以减少电磁干扰的传播路径，并提高系统的抗干扰能力。
对于嵌入式系统来说，最好采用单点接地和屏蔽接地结构。
同时，还需要考虑地线的长度、形状和位置等因素，以确保良好的接地效果。
此外，电源滤波器也是电磁兼容设计中常用的技术之一、电源滤波器可以通过滤除电源线中的高频噪声，减少电磁干扰的产生和传播。
常见的电源滤波器包括LC滤波器、RC滤波器和磁性屏蔽滤波器等。
选择合适的电源滤波器需要根据系统的功耗、频率和电源噪声等因素进行评估和测试。
此外，信号线的布局和传输也需要进行电磁兼容设计。
在信号线布局中，关键是避免信号线与电源线、地线和其他信号线的交叉。
信号线的传输也需要避免长线路和衔接的线路，以减少电磁辐射和电磁干扰的影响。
电磁兼容设计
电磁兼容设计EMC的设计原则主要包括电磁妥协、电磁传导和电磁辐射三个方面。
其中，电磁妥协指系统或设备在其电磁环境中所具备的稳定可靠性和干扰抑制能力；电磁传导指电磁干扰通过导线、电缆等电路途径传输的过程；电磁辐射指电磁干扰通过空气中的辐射传输的过程。
EMC设计的目标是在满足设计要求的前提下，通过合理的电磁设计手段，使系统或设备能够在电磁环境中稳定可靠地工作，同时对周围环境产生的电磁干扰控制在一定范围内。
EMC设计的方法主要包括减少敏感性、抑制干扰、提高屏蔽和地线设计。
减少敏感防止设备受到外界电磁场的干扰，通常可以采取一些措施，如增加设备的抗干扰性能、优化电路布局和线路板设计等。
抑制干扰可通过增强设备的抑制功能，如增大屏蔽效果和电源滤波等手段来实现。
提高屏蔽能力是抑制电磁辐射和传导的有效手段，常见的屏蔽方法包括金属外壳屏蔽、电磁屏蔽材料应用、屏蔽接地等。
地线设计则是保证设备或系统的电磁兼容性的关键，应遵循地线独立性、地线的连续性、地线的低阻抗和建立合理的地线结构等原则。
EMC设计在现代工程中的重要性不言而喻。
如今，电子设备广泛应用于工业、航空航天、通信、医疗、军事等领域，其性能和可靠性对终端产品的质量和稳定运行起着至关重要的作用。
而在电磁环境复杂多变的情况下，需要通过合理的EMC设计手段来保证设备的正常工作。
EMC设计不仅能够提高设备的抗干扰能力，减少电磁相互干扰带来的工作不稳定等问题，也有助于提高设备的功能完整性、稳定性和可靠性，同时带来更好的性价比和用户体验。
在实际应用中，EMC设计涉及到多个方面的问题。
首先，需要对电磁场特性进行准确的测量和分析，以了解系统或设备所处的电磁环境。
其次，在电路设计和线路板布局方面，需要注意电磁兼容性的要求，采取合适的技术手段，如差分信号传输、噪声屏蔽等。
此外，还需要有效地管理和控制系统或设备产生的电磁辐射和传导干扰，选用合适的屏蔽材料和设计合理的地线结构。
最后，通过全面的测试和验证手段，验证设计方案的合理性和可行性，确保设备在正常工作和异常情况下的电磁兼容性能。
嵌入式系统中的电磁兼容性设计与优化方法
嵌入式系统中的电磁兼容性设计与优化方法一、引言近几年，嵌入式系统已经成为了各种领域的重要组成部分，从家庭用电器到工业自动化，从医疗设备到交通运输，从通讯设备到航空航天，无一不离开了嵌入式系统的应用。
而随着嵌入式系统应用场景的不断增多，对其稳定性、可靠性、安全性、兼容性等方面的需求也在不断提高。
其中，电磁兼容性作为嵌入式系统设计中的一个重要方面，也越来越受到工程师们的关注。
电磁兼容性是指电子设备在特定环境下，能够在不产生危害电磁干扰的前提下，正常地工作，并不受到电磁干扰的影响。
为了保证嵌入式系统的电磁兼容性，需要对其进行专门的设计与优化。
本文将对嵌入式系统中的电磁兼容性设计与优化方法进行详细探讨。
二、电磁兼容性问题的表现形式在嵌入式系统中，电磁兼容性问题主要表现在以下几方面：1.电磁辐射干扰当电路中的电流和电压发生变化时，会产生辐射场，从而对周围的设备和系统产生干扰。
这种干扰称为电磁辐射干扰。
在嵌入式系统中，电磁辐射干扰可能会引起其他设备中断或失效，或者对通讯系统产生干扰，造成信号质量下降。
2.电磁敏感性电磁敏感性是指嵌入式系统中的电路容易受到来自外部电磁场的干扰影响，从而影响系统的正常工作。
这种敏感性广泛存在于各类控制电路、通讯电路、传感器等电路中。
3.共模噪声干扰共模噪声干扰是指来自于电源线、信号线等共同连接的信号线路上的噪声干扰。
在嵌入式系统中，共模噪声干扰的主要表现为设备直接断电、失效等问题。
三、电磁兼容性设计与优化方法为了有效地解决嵌入式系统中的电磁兼容性问题，需要采用一系列设计与优化手段。
1. PCB布局设计优化在电路设计中，PCB 布局是最基础和关键的环节。
良好的 PCB 布局设计可以有效降低电磁辐射和电磁敏感性。
一些常规的 PCB 布局设计优化方法包括：信号线、电源线等线路的分离；系统地面的铺设；地面电位平面化等。
2. 过滤器应用过滤器是嵌入式系统中常用的抑制电磁干扰的组件。
它能有效地将频率波动在较高频段的电磁干扰滤除，从而保证系统的正常工作。
精品课件电磁兼容性设计ppt课件
无论是集成电路、PCB板还是整个系统，大部分噪声都与时钟频率及其 高次谐波有关。
合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小时钟辐射。
用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。
TTL和CMOS器件混合逻辑电路会产生时钟、有用信号和电源的谐波，因 此，最好使用同系列的逻辑器件。
铁氧体磁珠或串联电阻） －降低负载电容，以使靠近输出端的集电极开路驱动器而便于上拉，电阻值
尽量大 －处理器散热片与芯片之间经导热材料隔离，并在处理器周围多点射频接地 －电源的高质量射频旁路（解耦）在每个电源管脚都是重要的 －高质量电源监视电路需对电源中断、跌落、浪涌和瞬态干扰有抵抗能力 －需要一只高质量的“看门狗” －决不能在“看门狗”或电源监视电路上使用可编程器件 －电源监视电路及“看门狗”也需适当的电路和软件技术，以使它们可以适
模拟器件也需要为电源提供高质量的射频旁路和低频旁路。
对每个运放、比较器或数据转换器的每个模拟电源引脚的RC或LC滤波都 是必要的。
对模拟电路而言，模拟本振和IF频率一般都有较大的泄漏，所以需要着 重屏蔽和滤波。
02:33
20
2.3 逻辑电路设计
对高频数字电路布局时应作到有关的逻辑元件应相互靠近，易产 生干扰的器件(如时钟发生器)或发热器件应远离其他集成电路。
应大多数的不测情况 －当逻辑信号沿的上升/下降时间比信号在PCB走线中传输一个来回的时间短时，
应采用传输线技术
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在逻辑电路中，数字信号的传输线的处理也相当重要。
当电路在高速运行时，在源和目的间的阻抗匹配非常重要。
否则过量的射频能量将会引起电磁兼容性问题。
嵌入式系统的电磁兼容EMC设计
嵌入式系统的电磁兼容EMC设计嵌入式系统已经广泛应用于各个领域，包括家庭电器、汽车、通信等。
然而，由于系统内部各个部件的复杂性和高度集成度，其电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）设计在设计过程中必不可少。
本文将介绍嵌入式系统的电磁兼容设计原则和方法，以及一些常见的EMC问题及其解决方案。
一、电磁兼容设计原则1. 抑制电磁辐射嵌入式系统的电磁辐射往往是由高速信号线和开关电源等部件引起的。
为了减少电磁辐射，可以采取以下措施：- 使用屏蔽罩或屏蔽材料对高频电路进行屏蔽，减少辐射；- 将高速信号线布线在内部层上，与其他线路层隔离；- 采用合适的布线技巧，如走直线、避免回路形成等，以减少回流电流产生的辐射；- 合理选择开关电源，避免谐波产生的辐射。
2. 提高电磁抗干扰能力嵌入式系统需要具备一定的抗干扰能力，以保证在电磁干扰环境下正常工作。
为了提高系统的电磁抗干扰能力，可以采取以下措施：- 控制信号的上升沿和下降沿的斜率，减小辐射和共模噪声；- 使用抗干扰滤波器，滤除高频噪声和干扰；- 按照规范要求进行屏蔽接地的设计，减少共模干扰；- 选择合适的地线布局，避免地回流电流引起的干扰；- 使用合适的电磁屏蔽材料，减少外部电磁场的干扰。
二、常见的EMC问题及解决方案1. 传导干扰传导干扰是指由于电磁波在电路中的走线上发生耦合而引起的干扰。
为了解决传导干扰问题，可以采取以下措施：- 加强线路隔离，避免不同部件之间的电磁干扰；- 选择合适的传导抑制元件，如电容、电感、滤波器等；- 采用屏蔽罩或隔离层，减少线路之间的耦合。
2. 辐射干扰辐射干扰是指由于电磁波向外辐射而引起的干扰。
为了解决辐射干扰问题，可以采取以下措施：- 采用屏蔽罩或屏蔽材料对高频电路和敏感电路进行屏蔽；- 使用合适的布线技巧，如走直线、避免回路形成等，减少辐射；- 选用低辐射源和低辐射率的元器件。
3. 地线干扰地线干扰是指地线回流电流引起的干扰。
嵌入式系统中的电磁兼容与抗干扰设计
嵌入式系统中的电磁兼容与抗干扰设计在现代科技的发展中，嵌入式系统已经成为各个领域中不可或缺的一部分。
无论是汽车领域、医疗设备、航空航天，还是智能家居、物联网等，都离不开嵌入式系统的应用。
然而，随着系统的复杂度不断提高和频带的不断增加，电磁兼容性(EMC)和抗干扰(EMI)设计变得越来越重要。
嵌入式系统的电磁兼容性和抗干扰设计是确保系统正常工作的关键。
电磁兼容性是指在相同的电磁环境下，系统不会产生不可接受的电磁干扰，同时也不会对其他设备造成干扰。
抗干扰是指系统在外界电磁场的干扰下，依然能够正常工作，不受影响。
首先，为了保证嵌入式系统的电磁兼容性，设计人员需要在系统级别上进行规划和设计。
这需要考虑系统的物理布局、信号传输线路的走向、接地方法以及各个模块之间的电磁辐射和敏感性等方面。
通过合理的布局和阻隔设计，可以减少电磁辐射和传导干扰，从而提高嵌入式系统的电磁兼容性。
其次，电磁兼容性设计还需要注意信号线的布线和排布。
在布线方面，要避免平行线和信号线与电源线相交引起的串扰。
合理选择导线的宽度和间距，并使用合适的线缆材料和屏蔽技术，可以有效减少信号线之间的串扰和互相干扰。
另外，对于敏感信号线，如模拟信号和高速数字信号，更需要特殊的处理。
对于模拟信号，可以采用屏蔽线、差模传输和合适的滤波器等方法来减少噪声的影响。
而对于高速数字信号，除了使用差模传输和屏蔽线外，还需要考虑终端阻抗匹配和信号完整性等因素，以确保信号的准确传输和接收。
此外，在嵌入式系统中，地线的设计也是非常重要的一部分。
合理的地线设计可以提供稳定的地引用平面，减少环路电流的形成，从而减少电磁干扰。
同时，合理的地线布局还可以减小地线回流电流的路径长度，减少电磁辐射。
地线的设计需要遵循低阻抗和低感抗的原则，并注意避免回路间引起的干扰。
此外，抗干扰设计也是确保嵌入式系统正常工作的关键。
可以采用屏蔽技术、滤波器和接地技术等方法来减少来自外界的干扰。
屏蔽技术可以通过金属壳体或层层屏蔽材料来阻挡外界电磁场的干扰，从而保护系统内部的电路免受干扰。
[电子教案]嵌入式系统 (9)
![[电子教案]嵌入式系统 (9)](https://img.taocdn.com/s3/m/3cf487f13968011ca200918c.png)
经过门电路的实际 传播时间
门电路内部翻转时间
10%
90%
t上升时间
10%
90%
t下降时间
t传播：器件传播时延
注：制造商可能标示上升/下降时间最 大为2ns，实际上，此值可能低于1ns。
边沿速率与信号频谱 边沿速率影响电磁兼容性 与低功耗设计对照（矛盾）
⑻ 元件封装
选择封装通常从以下几个方面来考虑： 引线长度电感 元件的尺寸 环路电流 环路的产生引起环路电流和辐射如下图所示。
8.3 基本元件的高频特性与模型
⑴ 导线类
导线类包括信号导线、PCB走线、电子元件的引脚等，在高、低频 时的特性如下图所示。
元件 导线
低频特性
高频特性 （集总模型）
响应曲线 高频共振波长
Z
f 实线为低频时的响应曲线 虚线为高频是的响应曲线
⑵ 电阻
电阻在高低频时的特性如下图所示。
元件
低频特性
电阻
高频特性 （集总模型）
⑴ 选择错误的电子元器件封装形式和封装材料（金属与塑料封装）对于封 装形式，表面安装期间的辐射效应小于DIP封装器件。
⑵ 设计不佳，完成质量不高，电缆与接头的接地不良。 ⑶ 错误的PCB布局，包括：
时钟和周期信号走线设定 PCB的分层排列及信号布线层的设置 对于带有高频RF能量分布成分的选择 共模与差模滤波 接地环路 旁路与去耦不足
⑴ 传导耦合
传导耦合机理如下图所示。
PCB 导线等效
PCB 导线等效
Rs
电路 1
电路 2
Us
❖ 3. 噪声耦合路径（continued）
⑵ 磁场耦合
磁场耦合原理如下图所示。
磁场能量 回路之间的等效互感 M
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9.1 电磁干扰(EMI)
１、电源线的传导干扰
3
2、 信 号 线 的 传 导 干 扰
2
1
电子产品
3、 设 备 向 外 辐 射 和 接 收 干扰
4、 电 源 作 为 天 线 向 外 辐 射和接收干扰
模拟量输入 开关量输入 开关量输出 模拟量输出 通讯信号
微
处
电
理
源
器
5、 信 号 线 作 为 天 线 向 外
抗电磁干扰设计的主要手段
消除或屏蔽干扰源 消除干扰的传播途径 提高目标设备的抗干扰能力
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
电快速瞬变脉冲群
电快速瞬变脉冲群干扰试验符合IEC10004-4的规定。
终端在正常工作状态下，实验电压施加于 系统的电源电压端口与地之间： 严酷等级：4级； 试验电压：4kV。
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
雷电冲击
实验电流：标准雷电波120kA,时间（8/20） ms)
精品课件
9.4抗干扰技术设计
屏蔽技术
对两个空间区域采用屏蔽体进行隔离，以 控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另 一个区域的感应和辐射
屏蔽技术主要用于对空间辐射干扰的抑制 屏蔽技术分为地磁屏蔽、磁场屏蔽和电场
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
浪涌
浪涌试验符合IEC1000-4-5的规定
严酷等级：4级
试验电压：4kV(电源电压两端口之间)；
口与地之间)；
4kV(电源电压各端
波形：1.2/50μs。
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
静电放电
静电放电试验符合IEC1000-4-2的规定 接触放电 严酷等级：4级 试验电压：8kV
精品课件
9.1 电磁干扰(EMI)
UOM CP
U1=U2=UCOM,U3=0
精品课件
9.1 电磁干扰(EMI)
U U1=U2=UCOM t
0
共模信号 U1=U2=UCOM,U3=0
精品课件
9.1 电磁干扰(EMI)
辐射干扰 指干扰源通过空间传播到敏感设备的
4~18uH的电感
精品课件
9.5 PCB电磁兼容设计
PCB设计中应遵循的一般要求
增大走线间距，以减小电容耦合的串扰 平行部电源线和地线，以使PCB电容达到最
佳 将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的
地方，以减小相互间的耦合 加宽电源线和地线，以减小电源线和地线
的阻抗
精品课件
滤波器分类
无源滤波 有源滤波器
精品课件
9.4抗干扰技术设计
接地技术
合理的接地技术是最经济有效的电磁兼容 设计技术，90%的电磁兼容技术问题由于布 线和接地不当造成。
精品课件
9.4抗干扰技术设计
接地技术
地线的定义 电路电位基准点的等电位体
精品课件
9.4抗干扰技术设计
信号接地方式
单点接地
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
高频电磁场
高频电磁场试验符合IEC1000-4-3的规定 终端在正常工作状态 频率范围：80MHz～1000MHz 严酷等级：4级 试验场强：10V/m。
精品课件
9.3常用的电磁兼容实验方法
工频磁场
正常工作状态下，终端置于与系统电源电 压相同频率的随时间正弦变化的、强度为 0.5mT(100A/m)的均匀磁场的线圈中心，工 作正常
嵌入式系统设计原理及应用
嵌入式系统的电磁兼容设计
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第九章 电磁兼容设计
本章要了解的几个问题
电磁兼容于电磁干扰 常用的电磁兼容实验方法 抗干扰设计技术
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9.1 电磁干扰(EMI)
EMI的分类
工频干扰(50Hz) 甚低频干扰(30kHz以下) 载波频段干扰（10~300kHz） 射频、视频干扰(300kHz~300MHz) 微波干扰(300MHz~300GHz) 雷电及核电磁脉冲干扰
屏蔽
精品课件
9.4抗干扰技术设计
滤波技术
滤波指将各类信号安频率特性分类并控制 他们的方向，对某些频率范围内的信号提 供传输极点，而对另外一些频率范围的信 号提供传输零点的技术
主要用于解决传导干扰
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9.4抗干扰技术设计
EMI滤波器
信号滤波器 电源滤波器
精品课件
9.4抗干扰技术设计
5
~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~６
4
E辐M射I和的接 收传干 扰播途径
6、 设 备 内 部 干 扰
7
7、 地 线 混 入 干 扰
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9.1 电磁干扰(EMI)
传导干扰 传导是指电压或电流通过干扰源和被
干扰对象之间的公共阻抗进入被干扰对 象，
传导干扰是延着导体传播的干扰，其 中对电源回路的传导干扰对设备的影响 最大。
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9.1 电磁干扰(EMI)
信号源
RS DC
传输线
传输线
负载
L
C
Ci Ri
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9.1 电磁干扰(EMI)
U DEF
I0
负载
U1
差模信号 U1=-U2,UDEF=U 2U1-U2
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9.1 电磁干扰(EMI)
U UDEF=U1-U2
U1
t
0
差模信号 U2 U1=-U2,UDEF=U1-U2
干扰。
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9.2 电磁兼容
电磁兼容的定义 电磁兼容性(EMC)是电子设备的一种功 能，电子设备在电磁环境中能完成功能， 而不产生不能容忍的干扰
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9.2 电磁兼容
电磁兼容主要研究内容
电磁环境评价 EMI耦合途径 抗干扰技术 电能质量控制 电磁场生态影响
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9.2 电磁兼容
多点接地
混合接地
串联单点接地
并联多点接地
浮点接地
接地方式
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9.4抗干扰技术设计
浪涌抑制技术
雷电干扰的防护 瞬态干扰的抑制
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9.5 PCB电磁兼容设计
PCB布线寄生组件的分布参数
一个过孔大约引起0.6pF的电容 一个集成电路本生的封装材料引起2~10 pF
的电容 一个PCB上的接插件有520uH的分布电感 一个双列直插的24脚集成电路插座引入