EMI和安全性：危害、风险以及避免的PCB设计方法

在每个示例中，对“可靠性”的需求和对“风险”的机会似乎与“安全”同义。当我们讨论电磁干扰（EMI）对电子系统的影响时，可靠性，风险和安全性问题也息息相关。当我们与用于运输，医疗保健，能源生产和其他关键领域的关键系统一起使用时，这些问题会进一步放大。

EMI，EMS和EMC

当我们使用PCB设计和电子系统时，我们似乎不断尝试寻找消除电磁干扰（EMI）的方法。EMI由破坏性的电磁能组成，电磁能从一个设备传输到另一台设备，或从一件设备传输到另一台设备。在与电子系统一起工作时，我们应用电磁兼容性原理并寻找似乎容易受到EMI影响的区域。

手机，焊机，电动机和其他设备会产生EMI。在设备级别，EMI源包括微控制器，微处理器，发射器，机电继电器和开关电源。以微控制器为例，控制器内的时钟电路会产生宽带噪声，其中包含范围高达300兆赫兹的谐波干扰。EMI通过导体，辐射电场和磁场耦合到电路中。

相反，电磁敏感性（EMS）表示针对电子放电（ESD），电干扰，雷电，电磁波和电快速瞬变（EFT）引起的电涌的性能抗扰性。

“电气和电子系统，设备和装置在规定的安全范围内在预期的电磁环境中运行而不会因电磁干扰而遭受或导致不可接受的退化的能力。” （ANSI C64.14-1992）。

EMI和EMC标准

电磁干扰会阻止系统执行关键功能。医疗设备中由EMI引起的问题可能会中断生物医学信息的交换或向工作人员提供有关患者状况的错误报告。医疗设备对EMI的敏感性范围从RFID对医疗设备的影响到助听器，电动轮椅和电动踏板车的电磁兼容性。

通过广泛的EMI和EMC标准，可以明显看出EMI问题的严重性及其对消费者，工业和军事应用的影响。机构包括联邦通信委员会（FCC），国际标准组织（ISO），国际电工委员会（IEC），美国国家标准协会（ANSI），设备与放射卫生中心（CDRH）以及许多其他机构已经建立了有关EMI和EMC要求的标准。

这些标准涵盖设计要求，排放测试和抗扰度测试。例如，IEC 61508表明设计要求必须包含有关所需EMI级别的信息。该标准进一步说明了控制系统故障的技术和措施。在另一个示例中，IEC 60601-1-2涵盖了医疗设备安全性和电磁兼容性的一般要求。

排放测试测量设备产生的噪声的数量和类型。抗扰度测量标准（例如IEC 1000-4-4和IEC 1000-4-3中列出的受干扰设备的标准）具有不同的噪声频率，并测量设备承受快速瞬变和辐射电磁场发出的噪声的能力。下表描述了几种发射和抗扰度测试。

识别EMI危害和风险

自1990年代初以来，组件和系统的日益复杂性以及为节省成本的尝试已使电子设备的噪声容限增加了3 dB。模拟电路的安全裕度对应于设备的信噪比。尽管数字电路具有较大的安全裕度，但由于低压逻辑和故障对数字应用的影响，该裕度会缩小。如果EMI中断了数字电路中的精确开关，则系统可能会失速或出现故障。随着设备在更高的带宽下工作，噪声发射和电路敏感性都将增加。

标准和设计最佳实践的结合旨在降低复杂性增加的风险。由于EMI可能会损害关键应用，因此风险评估还包括危害评估和危害概率评估。我们将危害定义为可能造成危害的任何事物，然后考虑危害的程度和严重性。在考虑风险时，我们认识到并非所有危害都会产生相同程度的危害，然后确定危害发生的可能性。

危害和风险评估涵盖系统的环境，设计和应用。在电路设计和组件选择方面，电磁干扰会影响发生伤害的可能性。在设计电路时，必须认识到如何消除或减轻EMI以降低风险。在设计和生产电路及产品的过程中，要认识到潜在的安全隐患和要求以及EMI的风险。

使用设计最佳实践来避免EMI

您的PCB设计应以实现出色的信号完整性为目标。该目标还有助于构建一种抑制EMI并具有良好电磁兼容性的电路。要获得EMC，需要研究整个产品，从PCB和电源到电缆和外壳。您的设计应确保数字电路和模拟电路之间的兼容性，仔细设计布局，并认识到良好接地和屏蔽做法的必要性。针对EMC的设计涉及通过具有连续接地计划的极低阻抗返回路径来减少辐射发射并提高辐射抗扰度，并增加用于输入/输出和功率信号的保护电路。

通过将噪声水平保持在信号水平以下，可以获得信号完整性。对于数字电路，噪声容限应保持在毫伏范围内。要更进一步，您必须将EMI辐射水平保持在微伏和微安范围内。为了实现这些EMC目标，高速信号必须具有适当的端接。您可以使用差分信号来减少发射，并在电源引脚上去耦电容器以降低开关噪声。

另外，您的电路设计必须控制阻抗。您可以通过源端接来保持较慢的信号阻抗阻抗，并通过从平面到平面的连续返回路径来保持阻抗控制。当信号穿过分流平面时，请使用去耦电容。在设计PCB布局时，请确定可能容易受到EMI影响的关键走线。这些走线包括进入或离开PCB的线，承载高速时钟和数据信息的线，模拟输入线和数字线。