3.1 电磁兼容三要素分析
图3-1所示为分析一个电磁兼容问题的简单思路与方法。对于物联产品的EMI问题或者是EMS的问题需要从哪里入手？
1.干扰源
对于EMI问题来说，干扰源是传导的问题，还是辐射的问题？对于EMS来说，干扰源是传导过来的干扰，还是辐射过来的干扰？分析思路根据信号返回其源，即信号总是要返回其源头，分析其等效路径并建立等效模型。
2.敏感源
对于EMI问题，传导干扰是检测设备LISN中50Ω电阻两端的电压，辐射干扰是接收天线对应的等效天线模型。典型的电路发射天线为环路天线、单偶极子天线或者棒天线。对于EMS问题，抗扰度测试重点关注的是电路板中的关键元器件、核心电路及敏感电路。同时，不让噪声电流流过这些核心元器件及电路。
图3-1 电磁兼容三要素分析
3.耦合路径
信号返回其源头，回路中可能有很多不同的路径，当不希望某些电流在该路径上流动时，就在该路径上采取措施包含其源。
通过EMC的测试实质，传导干扰的高低取决于流经LISN中这个50Ω电阻的电流，不要让干扰电流流过LISN中50Ω的固定阻抗，就可解决传导的问题。
同样，不要让干扰电流流过等效天线模型，也可以解决辐射的问题。如果没有干扰电流流过电路中的关键元器件及敏感电路，那么就不会有EMS抗扰度的问题。
确定这三个因素关系后，再决定去掉哪一个。只要去掉一个，电磁兼容的问题就好解决了。例如，若干扰源是自然界的雷电，敏感源是产品电路板，那么这时能做的是消除耦合路径。在这种状况下是没法去掉干扰源雷电这个条件的，因为雷电是自然界的环境干扰。其耦合路径分为传导耦合路径和空间耦合路径。
最容易判断的是电磁干扰的敏感源，实际上大部分电磁兼容的问题都是先从发现干扰的现象或者是通过测试得到数据的。因此最先关注的是敏感源。
比较容易判断的是电磁干扰源，通过实验测试和分析，可以确定导致电磁兼容问题的干扰源是在哪里。
最难判定的是耦合路径，即干扰源是怎样把能量耦合到敏感源的？电磁干扰的耦合路径是最重要的，因为在很多场合，干扰源和敏感源都是很难改变的。因此，EMC测试的实质也是在研究电路中的干扰电流的大小和目的地，在路径上采取措施同时包含其源。
3.1.1 电磁干扰的耦合路径
（1）电源线的耦合EMC问题中最常见且最基本的是电源线的耦合。比如EMS的问题，也就是说干扰源和敏感源会共用一条电源线，干扰源的能量就会通过电源线耦合进敏感源。电源线耦合同时也是传导耦合路径的主要通道，大部分的测试都是从电源线开始的。
（2）地线的耦合 地线是电路的电位参考点，因此，所有的电路都会汇聚到地线上去，这样就为地线成为一个耦合路径提供了条件。
（3）近场耦合 干扰源和敏感源电路之间存在杂散的电容和互感，这样就可以把干扰源的能量耦合到敏感源。
（4）电磁波的辐射 干扰源在工作时会产生电磁波的辐射，辐射可能会干扰到附近的无线接收设备或被测试天线接收。
3.1.2 判断耦合路径的方法
耦合路径可能是传导性的，也可能是空间耦合的，可以通过改变耦合路径的状态，观察干扰的变化情况来分析判断。
表3-1给出了判断耦合路径的方法，通过改变耦合路径的状态，分析干扰的变化情况。电源线及地线的耦合都是传导性耦合，近场耦合与电磁波的辐射是空间耦合。
表3-1 判断耦合路径的方法
（1）电源线耦合 可以通过给干扰源和敏感源使用不同的电源供电，观察干扰现象是否变化。如果用不同的电源供电，干扰现象消失，那么说明电源线是耦合路径。
（2）地线耦合 同样，可以将干扰源和敏感源断开地线，观察干扰现象是否变化。
（3）空间耦合 调整干扰源和敏感源之间的距离，观察干扰现象是否变化，空间的耦合通常与距离有关，距离越远，耦合量越小，特别是在近场的时候。干扰源到敏感源的能量与距离有很大的关系，通常是距离的二次方甚至三次方的关系。
3.1.3 电路中的du/dt和di/dt
产生干扰的重要条件是变化的电压或者电流，即du/dt≠0，或者di/dt≠0。所以，那些包含电压、电流剧烈变化的电路就是需要关注的干扰源。
为何du/dt和di/dt是产生干扰的条件？下面以典型的开关电源为例来分析。
1. du/dt
如图3-2所示，开关电源在电子产品中已成为必不可少的供电单元，其中开关电源中的开关管器件测试其实际的Vds工作波形，Vds有较高的尖峰振荡电压。在工作时，开关管的快速导通与关断会在开关器件的开关管D点产生较大的电压变化。根据电路中导体的寄生参数分析理论，进行等效分析时，电路中的开关管及长的漏极走线与参考地之间都存在寄生电容，此时D点存在大量寄生电荷，通过寄生电容流入大地（参考接地板），形成共模电流。
图3-2 开关电源开关管的du/dt
如果接入传导发射测试设备LISN，那么会存在一部分共模电流，通过参考接地板流入LISN，并回到开关管，从而产生共模传导干扰。
如果共模电流通过寄生电容、地线、输入电源线回到开关管，而通常这部分电流频率都高于30MHz，且电源线长度一般都比较长，可以和干扰信号的1/4波长相比拟，那么这时就构成共模辐射的两个必要条件，即共模驱动源和共模天线。
如图3-2所示等效发射模型，此时地线与L、N线输入电缆形成单极子天线或者说杆（棒）天线，对外发射产生辐射干扰。
因此功率开关管导通和关断时产生的du/dt是开关电源的主要干扰源，它作为一个电压源，并通过各种耦合路径使物联产品的电源输入/输出线产生共模辐射。
2. di/dt
如图3-3所示，开关电源中的开关器件导通，在开关器件中流过Ids，同时由于受电路中导体的寄生参数（比如变压器中的分布电容）影响，在开关管导通时还会产生振荡尖峰电流。在开关电源及数字设备包含较多开关器件，开关管的快速导通与关断，会产生较大的电流变化di/dt。
如果接入传导发射测试设备LISN，那么会存在一部分变化电流，流入LISN产生差模传导干扰。由于存在感性元器件，在回路中随着频率的升高，阻抗逐渐增大，因此差模传导的干扰频段在低频。
图3-3 开关电源开关管的di/dt
如图3-3a所示，较大的电流变化di/dt通过电容形成闭合的回路，流回开关管，产生环路磁场辐射干扰。如图3-3c所示，开关电路中的大电流工作回路构成环形天线，对外发射产生辐射干扰。
由麦克斯韦方程式可知，变化的电流产生磁场，故闭合回路会对外产生大量的磁力线。当离回路的距离小于λ/（2π）（λ为波长，λ=cf，c为光速，f为变化电流频率）时，干扰源可以认为是近场，小电流高电压辐射体主要产生高阻抗的电场，而大电流低电压辐射体主要产生低阻抗的磁场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路中。近场耦合用电路的形式来表达就是电容和电感，电容代表电场耦合关系，电感或互感代表磁场耦合关系。当距离大于λ/（2π）时，干扰信号可以认为是辐射场，即远场，磁场与电场交替变化，产生电磁辐射，它会以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号此时以泄漏和耦合形式，通过空间媒介，经过公共阻抗的耦合进入被干扰的电路、设备或系统。
3. du/dt或di/dt引起的耦合及发射
若闭合回路中存在du/dt或者di/dt，那么干扰信号此时以泄漏和耦合形式，通过空间媒介，经过公共阻抗的耦合进入被干扰的电路。图3-4所示为电路1和电路2之间通过杂散电容相互影响的情况。
电路1在工作时，它的导线上会有一个电压，这个电压如果是交变的，那么它就会通过一个杂散电容C12耦合到电路2上去，即电路1对电路2产生了干扰。如果电压是直流无变动的，那么便不会起到耦合的作用，反之亦然。
图3-5所示为电磁波的辐射天线，它是在两个导体之间有一个电压，如果电压是直流的，那么显然，因为两个导体之间是开路的，所以导体上便不会有电流。如果上面的电压是交流的，那么因为这两个导体之间存在杂散电容，所以就会产生一个电流，这个电流叫位移电流，它是产生电磁波的重要条件。图中这个天线的形状是最简单的电场天线，即偶极子天线，两个导体单元的作用类似电容器的极板，只是电容极板间的场是辐射到空间中，而不是被限制在两极板之间的。天线每一部分的电荷在天线两极之间都会产生一个进入空间的场，偶极子天线的两臂之间具有一个固有的电容，这时就需要有电流来给偶极子两边的导体充电，导体天线上每部分的电流朝相同的方向流动，这个电流也称为天线模电流，它导致了辐射的产生。当天线两极的信号交变振荡时，场保持不断换向并将电磁波发送到空间中。
图3-4 电路之间的耦合及发射
图3-5 单偶极子电场天线
图3-6所示为一个环路天线，显然，如果加到上面的电压是直流电压，那么这个电流只能产生一个静磁场，这个磁场是没有辐射的。如果加到上面的电压是交流电压，那么会在上面产生交变的电流，由交变的电流产生交变的磁场，就会产生辐射。这些天线由线环构成，产生磁场而不是电场，它们是磁场天线。正像流过线圈的电流可以产生穿过线圈的磁场一样，当磁场通过线圈时，线圈中也会感应出电流。磁场天线的两端就好像是被固定在一个接收电路上，这样可以由环天线引入的电流来检测磁场。
注意：磁场一般垂直于场的传播方向，这时可以用环面与传播方向平行来检测场的大小。构成磁场天线的线圈类似电感，它的场被辐射到空间而不是在一个封闭的磁路中。
图3-6 电流环路磁场天线
4.天线信号检测及转换
天线具有两种转换的功能，转换电磁波为电路可以使用的电压和电流，还可以转换电压和电流为发射到空间的电磁波。信号源是通过电磁波传输到空间的，电磁波分别用V/m和A/m来度量的电场和磁场构成。根据要检测的场的种类，天线具有特定的结构。如图3-5所示，电场的天线由偶极子天线（如电路两侧的连接线电缆或PCB走线等）及单极子天线构成。单极子天线也可以等效成偶极子天线，具有一半偶极子天线长度的单极子天线由于地平面的镜像作用，使其具有偶极子天线的等效长度，即偶极子天线的长度为单极子天线长度的2倍。单极子天线就是常常描述的杆天线或棒天线。棒天线可以等效成棒子和金属板的结构。磁场的天线如图3-6所示，是由线环构成的。在电子产品中的连接线电缆，PCB布局布线就会无意识地具有这样的特性而成为天线。
EMC设计其中一个重要的任务就是要关注并消减这些无意识的天线。当电场（V/m）遇到天线时，它沿走线或线缆长度方向感应出一个相对于地的电压值（m·V/m =V）。与天线互连的接收机检测天线与地之间的电压，这种天线模型也可以等效为测量空间中电位的电压表的一根表笔，另一个表笔接的是电路的地。这样就实现了天线信号的检测和转换。
3.1.4 电路中的导体
电路中的导体可以是电源线，也可以是地线，还可以是信号线等。在电路板中PCB的走线都是典型的电路中的导体。
如图3-7所示，电路中导体的伏安特性是其基本特性，它工作在坐标轴上的第一象限和第三象限，在时域中关注点在导体的额定电压、电流、直流阻抗及温度等。在频域时其低频段呈现低电阻特性，高频段呈现电感特性，同时还要关注其寄生电容特性。在电路中的这些导体同时还是传输线，当上面有一个变化的电流时，由于导体本身有电感，因此会出现一个感应电动势，U=L（di/dt）这个感应电动势就是导体上的电磁噪声。如果di/dt是0，那么U就是0，就没有电磁干扰。
图3-7 电路中导体特性
图3-7d所示为典型的电磁干扰源（开关电源系统）在导线上开关波形的上升沿tr及下降沿tf信号源，它会产生更高次的谐波能量。
开关电源是几乎所有电子设备都有的，开关电源在工作时，电路里有剧烈的du/dt和di/dt，因此它是一种强的干扰源。
数字电路的电压和电流都是脉冲状的，因此也有较多的du/dt和di/dt。实际上，随着高频数字电路的出现，人们就会更加关心EMC的问题。同时导体的长度大于信号频率对应波长的1/20时，在电子电路中的导体就会变成一根发射天线。
在表3-2中，如果数字信号的频率达到1GHz，那么当在电子电路中这根传输线的长度超过15mm时，其导体是由R、L、C的分布参数进行等效的，即存在分布电容，也因此会存在潜在的EMC问题。
表3-2 耦合线长度与波长的关系
当导体的长度大于信号频率对应波长的1/20时，在电子电路中的导体就不能用集总参数值进行等效，必须用分布参数进行等效。这时要区分电路中导线的电阻与阻抗是两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，一般是集总参数的等效。而阻抗是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表3-3、表3-4给出的数据可以进一步说明。在实际电路中，干扰信号往往是脉冲信号，脉冲信号都包含丰富的高频成分，因此对于这类信号，导体都需要分析其分布参数带来的影响。
地走线是典型的电路中的导体，对于数字电路来说其干扰频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是非常大的。如图1-2所示的分析可供参考。
表3-3 导线的阻抗 （单位：Ω）
注：D为导线直径；L为导线长度。
通过表3-3给出的数据，在低频50Hz时导线的阻抗近似为直流电阻，当频率达到10MHz时，对于1m长的导线，它的阻抗是直流电阻的1000倍以上。因此，在高频下使用连接线电缆的设计，特别是连接线电缆中的地线，当电流流过地线时，电压降是很大的。从表3-3还可以看出，增加导线的直径对于减小直流电阻是很有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。在EMC中，最需要关注的是交流阻抗。从这里也能说明在高频下，连接线电缆是EMC设计中重点需要考虑的地方。在实际的设计应用中，通常用15nH/cm的近似值来估算圆形导线的寄生电感。
在电路板中，为了减小交流阻抗，常采用平面的方式，就像PCB中设计完整的地平面或电源平面那样，而且需要尽量减少过孔、缝隙等，同时还可以使用金属结构件（金属背板）来进行不完整地平面的补充，以达到降低地平面阻抗的目的。
通过表3-4给出的数据，PCB印制线作为一个金属导体，其阻抗由两部分组成，即自身的电阻和寄生电感。
表3-4 PCB印制线的阻抗 （单位：Ω）
注：W为PCB印制线走线宽度；L为PCB印制线走线长度。
在实际应用中常用10nH/cm的近似值来估算PCB印制线的寄生电感。分析印制导线的阻抗，能够让设计工程师认识印制线在实际电路板中的意义，并了解如何在PCB设计中设计印制导线的放置方式、长度、宽度及布局布线方式，特别是接地印制线设计方式、去耦电容引线设计方式等。
一般设计在完整的、无过孔的地平面上任何两点间在100MHz的频率时，其阻抗<4mΩ。以上这些数据在EMC设计时可提供参考依据。