一文搞懂 EMC 基础：从原理到降噪，全是干货！
发布时间：2025-02-13 13:44:57
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
标签：电磁兼容性（EMC）电磁干扰（EMI）电磁敏感性（EMS）
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在当今电子设备无处不在的时代，电磁兼容性（EMC）的重要性愈发凸显。无论是我们日常使用的手机、电脑，还是工业生产中的大型设备，都离不开良好的 EMC 性能。它不仅关系到设备自身的稳定运行，还影响着周围其他设备的正常工作。今天，就让我们深入走进 EMC 的世界，全面了解与之相关的知识，尤其是开关电源噪声的产生与应对策略。
要理解 EMC，首先得清楚它包含两个关键方面：电磁干扰（EMI）和电磁敏感性（EMS）。EMI 指的是设备在运行过程中向外界辐射电磁波，从而干扰其他设备的正常工作；而 EMS 则体现了设备对外部电磁干扰的抵抗能力。这两者相互关联，共同决定了设备在复杂电磁环境中的兼容性。就好比一个和谐的社区，每个 “居民”（设备）既要做到不打扰他人（低 EMI），又要具备不受外界干扰的 “定力”（高 EMS）。
频谱在 EMC 中扮演着重要角色。频率的变化会对频谱振幅产生影响，当频率升高时，频谱振幅整体呈上升趋势。同时，信号上升或下降的延迟也会改变频谱的衰减特性，使进入 -40dB/dec 衰减的频率降低，振幅随之衰减。此外，占空比的改变虽然会引发偶次谐波，但对谱峰影响较小，不过会导致基波频谱衰减。这些特性就像密码一样，隐藏着电磁信号的变化规律，只有掌握了它们，才能更好地理解和处理电磁兼容问题。
电磁干扰中的传导噪声又可细分为差模（常模）噪声和共模噪声。差模噪声和共模噪声的产生机制不同，对设备的影响也不一样。传导噪声和辐射噪声是 EMI 的主要类型，其中辐射噪声受差模噪声的线缆环路面积、共模噪声的线长等因素影响较大。值得注意的是，在相同条件下，共模噪声引发的辐射强度要远远超过差模噪声。另外，平行布线时还会出现串扰现象，它主要由杂散（寄生）电容引发的电容（静电）耦合以及互感引发的电感（电磁）耦合导致，就像相邻的两条道路上，车辆的行驶会相互影响一样。
开关电源作为电子设备中常见的部件，在工作时会产生独特的开关噪声。当开关动作时，急剧变化的电流在环路中会因寄生分量产生高频振铃，这就是开关噪声的来源。尽管我们可以通过优化 PCB 板布线等方式来降低部分噪声，但残留的噪声仍可能以共模噪声的形式传导至输入电源，进而影响整个设备的性能。所以，寻找有效的降噪措施迫在眉睫。
在解决 EMC 问题，尤其是开关电源噪声方面，采取科学合理的降噪对策至关重要。降噪要遵循一定的步骤，并且在产品开发的不同阶段，降噪的难度和成本都有所不同。随着开发进程推进，可采用的降噪手段会逐渐受限，成本也会不断增加。因此，在产品开发初期进行充分的探讨和评估是关键。首先要准确把握噪声的频率成分，明确其产生源和传导路径，接着强化接地措施，最后合理增加降噪部件。
在降低开关电源噪声的具体方法上，对于差模噪声，可以通过缩小电路板上大电流路径的环路面积，并增加合适的解耦和输入滤波器来实现。抑制差模噪声的发生源不仅能降低差模噪声本身，对降低共模噪声也有积极作用。而对于共模噪声，则需要缩短布线，抑制串扰，并切断共模路径。
电容器和电感是降噪过程中的得力助手。选择降噪用电容器时，不能只看容值，而要依据其阻抗的频率特性。容值和等效串联电感（ESL）越小，谐振频率越高，在高频区域的阻抗越低；容值越大，在容性区域的阻抗越低；等效串联电阻（ESR）越小，谐振频率处的阻抗越低；ESL 越小，感性区域的阻抗越低。通过降低目标噪声频率的阻抗，就能有效减小噪声幅度。使用去耦电容时，要注意使用多个电容，并且降低电容的 ESL，这样可以改善高频特性，更有效地降低高频噪声。同时，还需关注 Q 值与频率 - 阻抗特性的关系，以及 PCB 图形、电容温度特性等因素对降噪效果的影响。
电感在降噪中也发挥着重要作用。电感在谐振频率之前呈现感性特性，阻抗随频率升高而增加；在谐振频率之后则呈现容性特性，阻抗随频率升高而减小。在高于谐振频率的频段，电感无法发挥电感的作用。电感值 L 变小时，谐振频率会升高，且谐振点阻抗受寄生电阻分量限制。用于降噪的电感主要有绕组型电感构成的滤波器和利用铁氧体磁珠进行热转换两种类型。铁氧体磁珠电阻分量 R 较大、Q 值较低，与普通电感相比，具有不同的特性和适用场景。
此外，还有其他一些降噪对策。例如，RC 缓冲电路可通过电阻将寄生电容、寄生电感等产生的尖峰电压转换为热，从而降低尖峰电压。但增加缓冲电路可能会导致效率降低，所以需要在噪声水平和效率之间找到一个平衡点，同时还要注意电阻的容许损耗。
EMC 知识对于电子技术的发展至关重要。掌握了 EMC 基础，了解开关电源噪声的产生机制和降噪方法，我们就能在电子设备的设计、制造和维护过程中更好地应对各种电磁兼容问题。随着电子技术的不断进步，对 EMC 性能的要求也会越来越高，希望大家都能重视这一领域的知识，为电子技术的发展贡献自己的力量。
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