尋找EMC對策，關鍵在于實際產品與理論相結合

　　現在，受到EMC(電磁兼容性)問題困擾的技術人員越來越多。這是因為隨著產品向多功能化、高功能化和高速化發(fā)展，EMC對策的難度也與日俱增。車載電子產品稱得上是一個典型的代表。對此，日本Qualtec可靠性測試中心所長前野剛指出：“只要掌握了訣竅，就能找到EMC解決方法。”圍繞EMC對策當前的課題和對策的重點，前野所長接受了記者采訪。

　　——聽說以車載電子產品為代表，對于最近的電子產品，很多電路設計人員都在為EMC對策犯愁。首先請您用外行也能理解的語言，簡單介紹一下EMC對策。

　　前野：基本來說，EMC就是指電子產品應當具備的電磁抗干擾性和耐受性。EMC有EMI(電磁干擾)和EMS(電磁耐受)兩個方面。EMI是指電子產品工作時發(fā)出的電磁噪聲(以下簡稱噪聲)影響(干擾)周圍其他電子產品工作的現象。EMS是指電子產品受到周圍其他電子產品發(fā)出的噪聲干擾的現象。

　　也就是說，EMC對策既要遏制自身發(fā)出的噪聲，又要防止在周圍噪聲的影響下出現誤操作。簡單來說，就是防止電子產品成為噪聲的“加害者”或是“被害者”。

　　——EMC領域現在正在發(fā)生哪些變化?

　　前野：之所以有很多人會受到EMC對策的困擾，是因為EMC對策的難度增加，出現的問題越來越多。最常出現的是關于高頻噪聲的問題。這是因為高頻噪聲轉化成電波后容易發(fā)散，而且，擁有高頻噪聲對策設計經驗的數字電路設計人員太少。其實在很多情況下，印刷電路板的銅箔圖案(以下簡稱圖案)也不適合抑制高頻噪聲。

　　車載電子產品等許多電子產品的數字電路正逐年向高速化發(fā)展。高速化是指時鐘頻率提高，1秒時間里重復的周期縮短，也就是實現了高頻化。如此一來，高頻噪聲會隨之增加。而且必須使用支持高速化的半導體。但適合高速化的半導體大多對噪聲的耐受性比較差?？偠灾?，數字電路越向高速化、高頻化發(fā)展，就越容易產生噪聲、越容易受到噪聲的干擾。

　　過去，我們身邊的高頻電路只有FM廣播、電視機和收發(fā)器之類。日本的FM廣播的頻率是76～90MHz。不過，最近的車載電子產品等內嵌的數字電路的時鐘頻率要高于FM廣播的頻率。

　　也就是說，最近的數字電路開始頻繁使用過去沒有設想到的高頻信號。但這些變化帶來的問題，也是電路設計人員之前很少遇到的。因為不熟悉，所以設計的圖案不合適，從而造成了問題。

　　而且，最近的產品增加了配備的接收器，而接收器對于噪聲比較敏感，這也加大了EMC對策的難度。汽車過去只配備AM廣播和FM廣播的接收器，而現在增加了電視接收器、ETC接收器、GPS接收器和藍牙接收器等。接收器會對非常微弱的信號作出反應，因此，電子產品必須采取精密的噪聲對策，防止接收器受到干擾。

　　現在，面向自動駕駛的車車間通信已經在開發(fā)，今后應該會加快進度。到那時，汽車配備的無線通信媒體還會更多，EMC對策今后也會變得越來越復雜。

　　——不只是車載設備，數字產品、家電產品和工業(yè)設備等其他電子產品似乎也存在數字電路需要采取高頻噪聲對策、配備的接收器越來越多的情況。那么，在車載電子產品特有的EMC對策中，最近有沒有特別引人關注的?

　　前野：有，就是混合動力車(HEV)和純電動汽車(EV)用電子產品的EMC對策。HEV和EV需要向驅動電機通入大電流，并且通過PWM (脈沖寬度調制)控制來控制電機。PWM信號本身是100A級的大電流，而且是脈沖信號，因此含有大量的諧波。也就是含有大量的高頻成分，很可能產生低頻到高頻的噪聲，成為其他電子產品的干擾源。

　　而且，HEV的電子產品使用高電壓。典型的混動系統使用650V電壓。通常的汽車，也就是“12V車”可以采用“-(負極)”端直接與車體接地的“車身接地”。這是因為普通車使用的電壓低，沒有觸電的風險。通過采用這種方式，比較容易降低電源線上的噪聲。

　　但是對于HEV使用的高電壓，就很難再直接采用車身接地的方法。因為高電壓有可能導致觸電。噪聲對策的難度也相應提高了。而且，伴隨多功能化和高功能化的發(fā)展，大量的電子產品密集地配置在一起，這也增加了EMC對策的難度?，F在的汽車配備50多個電子產品。內置的MCU動輒超過100個。這些電子產品都密密麻麻地擠在狹小的空間里。

　　其實，電路板小型化對于EMC對策是有利的。因為小型化意味著天線變小，不容易接收到噪聲。但電路板縮小后，相同的空間會擠進更多的電子產品。從而導致EMC環(huán)境惡化。

　　——有讀者評價您的講座“功率電子等車載電子產品的EMC兼容設計”富有實踐性。為什么能做到這樣呢?

　　前野：可能是因為我在講課的時候，為了方便實際運用，會注意介紹電子產品產生的具體現象，并且回到基礎理論的層面講解現象。也就是盡可能將實際產品與理論結合起來，這應該是我講課的一個特點。

　　學術性講座大多是以講解基礎理論為主，雖然能夠寬泛地進行學習，但運用到設計現場還存在一定難度。而擁有實務經驗的講師在講課時會結合大量實例，雖然通俗易懂，但不具備普遍性，聽眾很難在實際工作中活學活用。

　　而且，大多數的學術性講座沒有一定基礎很難聽懂。而擁有實務經驗的講師教授大多是“雜學”，雖然能令聽眾“恍然大悟”、“點頭稱是”，但不深入講解基礎理論。無論是哪一種，都很難直接應用于實際工作。

　　因此，我的講座綜合了以實務為基礎的講座和學術性講座。希望能夠為聽眾正在挑戰(zhàn)的EMC對策提供一點參考。

　　——這應該是實務經驗豐富，而且取得了博士學位的前野老師獨有的視角。請您通過具體例子，更詳細地介紹一下。

　　前野：例如制作印刷電路板圖案的“底片”。在制作過程中有“不能做的事情”和“必須做的事情”。不能做的事情之一是“不能在通用接地層上設置狹縫(去掉細長銅箔的部分)”。這是大多數電路設計人員都知道的“常識”。

　　比如說，有1塊多層印刷電路板上設置了模擬電路、數字電路和電源電路。假設第2層是接地層，通過在圖案上設置狹縫，使各條電路的接地分離(成3個)。對于這種情況，一般的講座給出的說明是“狹縫會導致流出噪聲增加。因此應當去掉狹縫，減少流出噪聲”。關于狹縫的好壞，多數講座只會講到這里，然后就進入下一個話題。

　　但在我看來，正確方式應該是解釋清楚為什么狹縫不好。的確，按照功能電路分離接地層也有起到良好效果的例子。但帶來負面影響的情況要多得多。如果囫圇吞棗，條件反射式地記住“狹縫不好”，而不理解其中的原理，在設計現場就會被支持狹縫的上司和客戶駁倒。在實際工作中，在不能設置狹縫的地方加入狹縫的情況也時有發(fā)生。

　　為了讓大家理解原理，我講課時首先會解釋狹縫有哪些類型，然后講解哪些狹縫好，哪些不好。然后回到基礎理論的層面說明原因，讓大家“信服”。

　　根據實踐數據實踐性地講解，最后連同電磁能源的傳輸在內，對現象進行說明，讓大家聽懂。

　　——您現在雖然是EMC對策的專業(yè)人士，但年輕時也可能經歷過失敗。請問您在電裝的時候，在EMC對策上吃過哪些苦頭?

　　前野：進入電裝的第3年，我作為一名技術人員，職業(yè)生涯才剛剛開始。我當時奉命設計車用收發(fā)器。因為是第一次主動參與設計，在設計的過程中，我很用心地學習。以前輩設計的取得了良好效果的接收器為基礎，通過對高頻放大部、頻率轉換部和局部振蕩器進行調整，沿用中頻放大器及其后續(xù)部件，總算是完成了接收器的設計。

　　我興高采烈地制作出試制品，馬上安裝到汽車上進行測試。但沒想到，試制品在單獨工作時接收信號的靈敏度很高，但發(fā)動機啟動后，接收靈敏度驟降。

　　原因說起來有點專業(yè)，是因為我為了防止大帶寬的接收信號失真，在設計中頻放大級時，采用了錯誤的參差調諧電路。因此，在經過調制后，汽車的點火噪聲超過了途中的放大器接收到的信號。因為太想在接收靈敏度方面超過競爭對手廠商的產品，所以我忘了要充分考慮發(fā)動機的點火噪聲的影響，真是很難為情。

　　有了這次失敗，我第一次意識到了EMC的重要性。切身了解到了噪聲有多可怕、在汽車中配備電子產品有多可怕。

　　——請介紹一下學習EMC對策時的重點。

　　前野：需要具備電磁學的思維模式。很多人以為EMC的問題可以通過高頻電路技術解決，我過去也是這樣想。但實際上，從電磁學角度把握能深化理解，是通往解決的一條近路。

　　比如說，很多人認為電流只在電路的布線(圖案)中流動。但在實際的電子產品中，電路之間存在“空間耦合”。這用電磁爐的機制來解釋應該比較容易理解。在電磁感應的作用下，線圈彼此分離，但能夠通過空間傳導高頻功率。

　　印刷電路板中也是如此。仔細觀察圖案，就像是極薄的一匝線圈。這樣的一匝線圈在印刷電路板內大量存在，其間就會產生空間耦合。具體包括電磁感應耦合和電容耦合。也就是說，電介質中有大量的噪聲流通。理解這個現象需要一定的電磁學知識。

　　——哪些人員需要學習EMC對策相關知識?

　　前野：電子產品的電路設計人員、EMC設計審查(DR)委員，以及質檢部門的工作人員。