电磁兼容技术实训报告课题：USB电缆线的EMC设计与测试班级：姓名：学号：指导老师：实训时间：2014.10.27-2014.11.01一、电磁兼容1、EMC概念：电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，简称EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。
因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。
而所谓电磁干扰是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。
电磁干扰（Electro Magnetic Interference，简称EMI），即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所需要的电磁能量，相对应的测试项目有：●电源线传导骚扰（CE）；●信号、控制线传导骚扰（CE）；●辐射骚扰（RE）；●谐波电流测量（Harmonic）；●电压波动和闪烁测量（Fluctuation and Flicker）；电磁干扰度（Electro Magnetic Susceptibility，简称EMS），即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，相对应的测试项目有：●静电放电抗扰度（ESD）；●电快速瞬变脉冲群抗扰度（EFT/B）；●浪涌（SURGE）；●辐射抗扰度（RS）；●传导抗扰度（CS）；●电压跌落与中断（DIP）；2、电磁干扰的危害：电磁干扰有可能使设备或系统的工作性能偏离预期的指标或使工作性能出现不希望的偏差，即工作性能发生了“降级”。
甚至还可能使设备或系统失灵，或导致寿命缩短，或使系统效能发生不允许的永久性下降，严重时，还能摧毁设备或系统。
而且还将影响人体健康。
3、电磁兼容设计的目的：电磁兼容设计的目的是使设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有两方面的能力：a.能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障；b.对该电磁环境不是一个污染源。
二、EMC三要素系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁干扰源、传播路径（耦合途径）、敏感设备。
1、电磁干扰源任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效。
2、传播路径（耦合途径）即传输骚扰的通路或媒介。
●传导耦合电磁干扰能量从干扰源沿金属导体传播至被干扰对象。
这类金属导体可以是电源线、信号线、接地线或一个导体。
也就是在干扰源和敏感设备之间必须存在完整的电路连接。
●辐射耦合电磁干扰能量以电磁波的形式通过周围媒质传播到被干扰对象。
辐射耦合有空间电磁波对接收天线的耦合、空间电磁波对传输线的耦合以及传输线对传输线的耦合。
3、敏感设备指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。
许多器件、设备、分系统或系统既是电磁骚扰源又是敏感设备；三、电磁兼容设计在电磁兼容设计中，其主要目的是抑制电磁干扰，使得电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容而可以正常运行。
电磁干扰的实现需要其三要素，所以在电磁兼容设计中，破坏其三要素的完整性即能实现电磁干扰的抑制。
●电阻性耦合——实际上是通过电路的阻抗耦合；●电感性耦合、电容性耦合（均通过较近的空间）——感应耦合（严格应称为近场耦合）电感性耦合又称为磁场耦合；电容性耦合又称为电场耦合；●辐射耦合——一般指远场对受干扰电路的作用；1、抑制方法（1）对电路性耦合a.让两个电流回路彼此无关，尽量避免电路的连接，从而避免共地阻抗耦合和共电源耦合；b.使不同回路的公共阻抗尽量小。
（导线粗短；用接地平面；地线离地面近，以减少电感）；c.正确选择公共连接点；d.选择正确的接地方式（单点或是多点接地）；e.滤波；（2）对感应（电感、电容）耦合a.电路布置使耦合电容或耦合电感尽量小（两线之间间距大，导线短，避免平行走线）；b.在干扰源和受害电路之间做电屏蔽或磁屏蔽（分别对应电容性耦合和电感性耦合）；c.采用平衡式接法；d.磁场去耦：使两干扰环磁力线互相垂直；e.使用双绞线减少磁场耦合；f.降低导线离地距离，可以减少平行导线之间的互容和互感；（3）对辐射干扰a.电磁屏蔽；b.极化隔离（发射与接收极化垂直）；c.方向性隔离（避开辐射最强的方向）；d.屏蔽或吸收涂层（在吸收干扰对象涂覆特殊材料）；2、抑制方法概要在抑制方法中针对性的介绍了很多种，各种方法表面虽然不同，但却很相似，归类之后，可以将抑制方法分为以下三种：1)滤波抑制；2)屏蔽抑制；3)接地抑制；所以电磁兼容设计中，一般会从以上三个方面去考虑抑制电磁干扰，三者的综合使用更能有效达到电与磁的兼容；除此之外，在此设计过程中，我们可以更广的考虑到有源器件的选择和印刷电路板的设计，它们的完善可以使得电子设备或系统的性能更佳。
四、实例分析对于USB电缆线，如何进行EMC设计和测试？现在有一USB接口，外壳是塑料材质，内部控制电路印刷板是双面板，现在进行EMC相关项目的测试和设计：1、测试：在半波暗室中，将该USB接口和电脑相连，并进行数据通信以模拟实际工作情况，记录下辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图和辐射骚扰测试接收天线垂直极化时的测试频谱图。
从以上两图可以看出，该USB在辐射骚扰测试接收天线水平极化的情况下，有一点（频率为148.34MHz）超过了EN55022标准中规定的CLASS B限制线的要求，还有一点（频率为194.9MHz）只有0.38dB 的余量。
该USB在辐射骚扰测试接收天线垂直极化的情况下，也有几点只有很小的余量。
2、分析：USB接口的传输速率很高，周期信号及信号的谐波会通过传输电缆产生辐射骚扰。
另外控制芯片和接口芯片在产生信号时，芯片的地与电源之间也会随信号的摆动，产生噪声。
因此，通常用以下四种方法来抑制USB接口的EMI噪声，如图3.41所示。
（1）USB接口电缆会采用屏蔽电缆。
（2）在USB接口电缆上套上铁氧体磁环。
（3）而差分线对上则串联一个共模电感。
共模电感由两根导线同方向绕在磁芯材料上，当共模电流通过时，共模电感会因磁通量叠加而产生高阻抗；当差模电流通过时，共模电感因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。
如某型号为SDCW2012-2-900的共模电感在100MHz的差模阻抗仅为4.6Ω，如图3.42所示。
从图3.42所示的衰减特性也能看出，在USB接口电路中的共模电感对差分信号不会造成影响，主要是针对共模电流进行选择性的衰减。
（4）USB接口电路和控制电路电源良好的去耦也是降低USB接口电路EMI噪声的重要部分。
USB屏蔽电缆的屏蔽层与USB接口金属连接器采用的是“Pigtail”的连接方式，即屏蔽层在靠近金属连接器时，拧成一股长约3cm的线，再焊接在金属连接器上。
然而“Pigtail”的存在，相当于在屏蔽层上串联了一个数十纳亨的电感，它能够在接口的电缆屏蔽层上因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。
随着频率的增大，Pigtail连接的等效转移阻抗也将迅速增大，这样不但会使屏蔽层电缆完全失去屏蔽效果，而且可能产生额外的骚扰。
改变USB屏蔽电缆与金属连接器的连接方式，即将屏蔽层与连接器金属外壳进行环形360°搭接。
检查电路原理，发现接口与控制芯片的电源会采用磁珠与电容进行去耦，其中去耦电容C28大小为0.1uF，如图3.45所示。
实际上0.1uF电容并不能很好地为100MHz以上频率去耦，原因只要在于：一是电容本身存在寄生电感；二是去耦电流回路上存在的电感。
查阅资料，得知1000pF的电容，如果保证最短引线电感（引线电感较长，会使该电容失效），由于1000pF的电容的自谐振频率是150MHz附近，因此可以很好地对高频的噪声进行抑制，如图3.47所示，相当于噪声源被旁路，即噪声源的电压幅度降低，所示辐射骚扰自然也降低。
3、处理：（1）改变屏蔽电缆屏蔽层与金属连接器的连接方法，取消原来的Pigtail，实现360°搭接。
（2）为接口芯片的电源管脚增加1000pF的电源去耦电容，并在PCB布局上靠近电源脚放置。
4、启示：（1）屏蔽电缆屏蔽层与连接器的连接很重要，一定要保证360°搭接。
（2）电源去耦电容的选择要考虑被去耦器件的工作频率及生产的谐波，不要什么器件都用0.1uF的电容，一般工作主频20MHz以下建议用0.1uF的去耦电容，20MHz以上的器件用0.01uF的去耦电容，也可以尝试采用大小并联电容的组合去耦方式，如0.1uF电容与1000pF的电容并联，以取得较宽频带去耦效果，但是还是要注意大小电容容值相差100倍以上。
（3）电源去耦对降低电源阻抗、降低电源噪声和地噪声有很大的帮助，由此对辐射骚扰抑制有很大的帮助，特别是接口电路电源去耦，因为接口电路附近的电缆就是辐射的天线。
（4）对于浮地设备，电源的去耦、电源和地的完整性对EMC来说显得更加重要。
五、总结电磁兼容对于电子设备或系统的正常运行是多么的重要，电磁的干扰小到影响机器的正常工作，大到一个国家的存亡，所以其重要性就不言而喻了。
经过了这一周的实训，虽然在电磁兼容的测试和设计方面没有想象中的满意，但也是知道其中一二，如何更好地掌握电磁兼容设计只有在现实设计中不断的积累和不断的学习，只有如此才能将这门技术掌握，也就可以更好地使得电子设备及系统更好更安全的高效工作。
六、参考资料《电磁兼容设计（第2版）》主编：白同云北京邮电大学出版社《电磁兼容原理与技术》主编：何宏西安电子科技大学出版社《EMC设计与测试案例分析》主编：郑军奇电子工业出版社。