2.2 物联产品EMC风险分析和评估
EMC风险评估建立在EMC设计方法的基础上，利用通用的风险评估手段，按风险评估的程序，可划分风险等级、建立产品设计理想模型（其中理想模型可以分为产品架构EMC设计理想模型和产品PCB设计理想模型）、确定风险要素，再根据产品实际设计的信息与理想模型中所有的风险要素进行比较，以识别产品EMC设计风险，最终通过较为成熟的风险评价技术，通过特定的算法获得产品的EMC风险等级，EMC风险等级用来表明产品应对各种EMC现象的表现，可以认为它是一种产品EMC性能评定的新模式。
EMC测试，一方面指利用能模拟各种实际应用中出现的干扰设备作为干扰源，将干扰信号以特定的方式注入产品中，观察产品的表现；另一方面是指当设备在正常工作时，测量产品对外产生的传导和辐射的值，以判断产品在实际应用时是否会对无线电接收设备产生干扰。EMC测试是当前唯一通用的对产品进行合格评定的方法，它也是一种传统的产品EMC性能评定的模式。
为了更好地了解EMC风险评估的意义，表2-1对EMC风险评估和EMC测试做了如下比较。
表2-1 EMC测试与EMC风险评估对比
从表2-1所示的优劣对比分析可以看出，EMC风险评估与EMC测试一样，其目的都是为了判断产品在实际应用中是否会出现EMC事件，即预测产品实际应用时的EMC故障。作为电子电气产品或系统的评价方式，EMC风险评估与EMC测试各有优缺点，只是方式不同。
EMC风险评估技术应用的意义在于它是一种低成本的评价方法，产品设计者、管理者和鉴定者可以在不进行EMC测试的情况下，预知产品EMC事件发生的概率，并同时知晓产品设计的缺陷。
2.2.1 产品机械结构设计的EMC风险
假如产品电路板自身结构紧凑，内部常由几块PCB构成，PCB之间通过插针、互联排线等连接，此时产品的系统越复杂，其对应的EMC问题就会越复杂。
如图2-3所示，产品系统的PCB跟机壳有连接关系时，产品机械架构EMC设计会带来怎样的EMC风险？如何应用机壳的接地设计更好地优化EMC问题？
图2-3 物联产品的结构与电路模型
产品的EMC风险包括电磁敏感度（EMS）和电磁干扰（EMI）两部分，其中：对于EMS来说，其风险评估机理在于当产品的某个输入端口注入同样大小的高频共模电压或同样大小的共模电流时，不同的产品设计方案会有不同大小的共模电流流过PCB相应的电路结构。
机械架构设计中影响这种共模电流大小的因素即为产品机械架构EMS风险要素。对于EMI，可以看成当产品正常工作时，由于产品内部的信号传递，导致内部的有用信号或噪声无意中以共模电流的方式传导到产品中，成为等效天线的导体，形成辐射发射。
如果这种无意中产生的共模电流在传导干扰测试时传导到测量设备线性阻抗稳定网络（LISN）中，就会产生传导干扰测试问题，产品机械架构设计的改变就会改变这种电流的传递路径与大小，较好的产品机械架构设计可以使得这种共模电流最小化，即风险最小，反之则大。机械架构设计中影响EMI电流大小的因素即为产品机械架构EMI风险要素。从机械架构设计上看，如果产品的设计导致有较大的外部干扰电流流过核心功能电路，比如图2-3中的电路A、B、C，那么将意味着该产品的架构设计具有较大的EMC抗干扰风险。同样，如果产品的设计导致有较大的EMI电流流过等效天线或LISN，那么将意味着该产品的架构设计具有较大的EMI风险。
机械架构EMC风险评估将发现机械架构设计的缺陷和不足，提供EMC风险应对措施，进而指导机械架构设计或评价产品现有的机械架构设计的方案。
产品机械架构或者PCB电路中的电流与地形成的共模电流是EMC设计的关键，产品即使没有机械结构的接地设计，电路板及PCB电子电路的寄生电容仍然与参考接地平面形成共模电流。
如图2-4所示，产品的EMC风险是明显和地有关的。图2-4a所示回路中的电流IDM是差模电流形成路径，在电路中对应的是差模噪声。图2-4b所示回路中的电流ICM是共模电流形成路径，在电路中对应的共模噪声。图2-4c所示为差分信号电路中的差模电流与共模电流，有时这两种电流会同时存在。图2-4d所示为连接线电缆或者单端信号在电路中的共模电流，共模电流都是和地有关的，即在高频下的地噪声电压或地电压V。因此，带来了EMC的问题。
图2-4 EMC风险评估电路中差、共模电流
EMC问题中，差模噪声对应环天线的磁场特性，共模噪声对应棒天线（单偶极子天线）的电场特性。
差模噪声有时也叫正态模式噪声。它是由噪声源和噪声返回线之间施加的电压差异（相反极性）产生的，正常的电路工作在本质上都是差动性的。
1）差模噪声只需要两根导线或一根导线和接地。
2）差模噪声电流在输入馈电或电网输入相线与零线间，以相反方向流动。
3）输入电压纹波和输出电压纹波是差模噪声中常见的实例。
4）差模噪声会以所有的馈电形式出现，包括双线和三线馈电。
共模噪声总是在两个输入馈电（比如L与N）中施加在电路与接地（底座、基板和测试设备等）之间的电压，以相同的方向流动。
1）其路径可能是最难确定的，因为它几乎涉及所有连接地的设备。
2）在电路中需要接地或具有隔离接地的三线系统。
3）共模噪声问题是电磁兼容风险评估的关键。
实际上，噪声干扰源并不一定连接在两根导线之间。由于噪声源有多种形态，因此也会是两根导线与地之间的噪声电压，其结果是流过两根导线的干扰电压和电流幅值不同。在图2-4中如果两线之间有噪声干扰电压的驱动，则两根导线上会有幅度相同但方向相反的电流（差模电流）。但同时如果在两根导线与地之间有噪声干扰电压，则两根导线就会流过幅度和方向都相同的电流，这些电流（共模电流）合在一起通过地线进行路径回流。一根导线上的差模干扰电流与共模干扰同向就会相加；另一根导线上的差模噪声与共模噪声反向就会相减。因此流经两根导线的电流具有不同的幅度。
在实际的电路中，共模的干扰与差模的干扰是不断地相互转换的，两根导线终端与地线之间存在着阻抗（在高频下，这个阻抗应该考虑分布参数的影响）。这两条电路的阻抗一旦不平衡，在终端就会出现共模与差模的相互转化。因此通过导线信号传递的模式在终端形成反射时，其中一部分就会相互转化。通常在布局布线时，两根导线之间的间隔较小，导线与地线导体之间的间隔较大，考虑从导线辐射出来的干扰，与差模电流产生的辐射相比，共模电流产生的辐射强度更大一些。
注意：在电路设计中，都会很注重功能的设计。在无意识形态下在实现产品功能的同时实际带来众多“天线”，使得产品在运行过程中对外辐射或接收，因此就带来了电磁兼容的问题。
PCB设计与产品金属壳体之间的关系如何处理？根据前述可看出EMC机械结构的风险评估包括两部分内容：
1）产品机械结构的EMC风险问题。
2）产品PCB设计的EMC风险问题。
按照测试标准，其EMC风险问题可以分为EMS风险和EMI风险两部分。
假如一个物联产品为金属结构，在进行EMS项目中的EFT测试时有三种不同的处理方式，从而会产生不同的结果。
（1）PCB的工作地与产品金属壳体无任何连接 如图2-5所示，在PCB的工作地与产品金属壳体无任何连接的情况下，当干扰从电缆注入时，干扰电流会经过PCB、PCB与产品金属壳体的寄生电容、金属壳体、金属壳体的接地线传递到参考接地板回到干扰信号源。这种架构设计存在潜在的EMC风险。
图2-5 PCB工作地与产品金属壳体无连接
（2）PCB的工作地与产品金属壳体在PCB连接器位置就近连接 如图2-6所示，在PCB的工作地与产品金属壳体在PCB连接器就近连接的情况下，当干扰从电缆注入时，干扰电流流过PCB与金属壳体互连导体，在没有进入PCB之前直接进入金属壳体，再由金属壳体传递到参考接地板，回到干扰信号源。PCB中几乎无干扰电流流过。这种架构设计就不会存在潜在的EMC风险。
图2-6 PCB工作地与产品金属壳体近端接地
（3）PCB的工作地与产品金属壳体在PCB远离端口连接器处连接 如图2-7所示，在PCB的工作地与产品金属壳体在PCB远离端口连接器处连接的情况下，当干扰从电缆注入时，干扰电流会流经整个PCB板，再从PCB与金属壳体互连导体进入金属壳体，接着由金属壳体传递到参考接地板，PCB中会流过较大的干扰电流，而且干扰电流可能比PCB与金属壳体不连接时的更大。这种架构设计就会存在更大潜在的EMC风险。
图2-7 PCB工作地与产品金属壳体远端接地
通过上面几种架构模型的对比分析：将PCB的工作地与产品金属壳体在靠近端口连接器处互连有最低的EMC风险。也就是说，PCB的工作地与产品金属壳体之间并非只有是否连接的问题，连接在哪里更为重要。对产品的PCB进行接地设计时，最佳方案为PCB的工作地与产品金属壳体直接相连但是位置必须靠近电缆端口处，即PCB连接器的附近位置。
注意：有些产品的PCB工作地无法与产品金属壳体直接互连（如非安全工作电压电路、隔离电路等），这时可采用电容实现PCB的工作地与产品金属壳体之间的高频相连。同时，被测产品若有上升沿时间大于μs级的浪涌或频率低于1MHz的共模干扰测试要求，则电容两端还需要并联瞬态抑制保护器件。如压敏电阻、TVS管等。
结论：
1）PCB的工作地与壳体的连接对产品EMC性能有重要影响，不连接则为不可控。
2）工作地与壳体的连接关键在于位置的选择，而位置应该在连接器附近，远离连接器的连接将意味着风险增加。
3）工作地与壳体直接连接是最佳方案，假设产品允许这种连接方式。
2.2.2 产品信号电缆的分布
无论是产品本身产生的EMI共模电流还是外部干扰注入的干扰共模电流，都与产品的架构有紧密的关系。
图2-8 连接线信号电缆在PCB两侧
（1）信号电缆分布在PCB两侧 如图2-8所示，在产品PCB中，有信号电缆进行输入输出连接，当信号连接器与信号电缆分别位于电路板的两侧时，共模电流（箭头线所示）将流过整个电路板，整个电路板中的电路都会受到共模电流的影响。
（2）信号电缆集中在PCB同侧 如图2-9所示，在产品PCB中，当两个连接器与信号电缆位于电路板的同一侧时，共模电流的大小并没有改变，信号电缆对地的阻抗未发生变化，而共模电流的路径发生了改变。即共模电流从信号线1进入电路板后，又很快地通过信号线2对参考接地板的寄生电容流入参考接地板，使得电路板上的大部分电路受到保护。
可见将输入输出端口连接器集中放置在电路板的一侧，可以降低EMC的风险，相反将输入输出端口连接器分散放置在电路板的各个地方，也将会增加EMC的风险。
图2-9 连接线信号电缆在PCB同侧
结论：信号及连接线电缆的结构设计也是EMC风险评估核心部分。其中，共模电流在产品结构的EMC风险评估中有着很重要的地位。
评估的主要目的是为了让共模电流不流过产品的内部电路或敏感电路。
2.2.3 产品原理图设计的EMC风险
产品电路原理图的设计是产品设计核心，对原理图设计的EMC风险分析目的是为了指出现有原理图存在的EMC问题，通过修改最大限度地降低EMC风险，从而降低设计成本。
电路原理图的分析是建立在对原理图中的电路进行划分的基础上，通过分析将电路原理图分成以下四部分。
（1）“脏”的部分 包含容易被外部干扰注入或产生电磁发射的信号或元器件的信号及电路。比如，在输入与输出接口电缆互连且处在滤波电路之前的信号线及元器件；被施加于产品壳体表面的静电放电（ESD）击穿放电的信号线或接口电缆。
（2）“干净”的部分 包含既不容易受到干扰也不会产生明显电磁干扰噪声的信号或电子元器件的信号及电路。
（3）滤波去耦的部分 施加在电源某一规定位置的滤波元器件（比如电容、电感、磁珠）以及施加在规定输入输出端口来抑制干扰的滤波元器件部分。
（4）需要做特殊处理的部分 包含因EMC性能方面需要进行特殊处理的信号及元器件电路，分为特殊噪声信号或电路和特殊敏感信号或电路。其特殊噪声信号或电路包括时钟信号线、PWM工作的开关电源、晶振等；特殊敏感信号或电路包括低电平的模拟信号或电路、传感器信号或元器件等。
如图2-10所示，对电路原理图的EMC进行分析，其中“脏”或噪声区域的部分通常是电路中的I/O部分或产品的壳体。
图2-10 产品原理图EMC分析
在这些I/O端口或壳体上需要进行EMC测试，EMC干扰需要从这些I/O端口注入，这些电路是产品中受干扰最严重、最直接的部分。
如产品的ESD放电点、电源端口的电路、通信端口的电路、其他输入输出端口的电路，通常这些电路不能直接延伸到内部“干净”的电路区域，其间需要包含至少具有一个以上元器件（如电容）组成的滤波器或滤波电路与其配合使用，滤波电路包括共模滤波和差模滤波。
对于接地产品，共模滤波是必需的。在有些不能使用共模滤波的情况下（如产品浮地），就要保证PCB设计时，在共模电流干扰路径上的地平面完整，以降低共模电流流过时产生的压降，否则就需要在地阻抗较高区域的信号线上加电容进行滤波。
“干净”区域的电路部分是不受外界直接干扰或内部噪声源干扰的部分电路，在电路中其通常位于滤波电路之后，也是电路中需要保护的部分，如A-D、D-A转换电路、检测电路、CPU核心电路等。
滤波、去耦及隔离区域的电路是介于干净电路部分与脏电路部分之间的，完成对干净电路和脏电路的隔离，以保护干净的电路，将干扰滤除，或将产品内部特殊噪声电路或敏感电路隔离在其他电路之外。滤波电路通常至少由一个或多个电容组成，有时还会包括电感、磁珠、电阻等元器件。
内部噪声电路、敏感电路的区域中有一些需要做特殊处理的部分，它们是电路中比较特殊的部分，通常特殊电路包括以下两方面：
1）噪声敏感的电路，如复位电路，低电压、低电流检测电路，低电压模拟电路，高输入阻抗电路等，这些电路不像其他普通数字电路一样具有相对较强的抗干扰能力，对于这些敏感电路，除了进行像普通电路一样滤波去耦处理之外，还有必要进行一些其他的额外处理，如二级滤波、屏蔽、对其信号线进行包地等处理。
2）内部电路的噪声源，对这部分电路的处理主要是为了降低噪声源的电平，并将其隔离于“天线”之外。如电路中的晶振和时钟电路，常用的措施有屏蔽、去耦、对其信号线进行包地等。
在PCB布局布线时，各个电路部分之间的串扰也是需要着重考虑的。
2.2.4 产品PCB设计的EMC风险
PCB风险评估是为了检查PCB设计者是否将EMC设计中的关键信号PCB布局布线实施，是在分析产品PCB端口电路受干扰机理和共模电流流经PCB时对电路形成干扰的工作机理的基础上进行的。采用合理的PCB设计，不但能使EMC风险降低，而且还能顺利实现PCB布局布线。
PCB上风险评估的内容主要包括以下三个方面：
1）共模电流流过路径上的阻抗：如地平面是否完整性，是否没有任何过孔、裂缝和开槽。
2）“脏”信号印制线及一些需要进行特殊处理的信号：印制线与其他信号线之间的串扰问题。
3）最小回路面积设计：电源与地的回路面积设计，信号与地的回路面积设计。
总结：对于一个产品来说，共模电压是引起共模电流的电压，差模电压是引起差模电流的电压。产品上的共模电流总是流向参考接地板或者是产品金属外壳，这种共模电流是非期望的电流信号。差模电流总是在产品的PCB内部流动或者PCB之间流动，它是期望的有用电流信号。对于风险评估的意义在于不让共模电流流向产品中的敏感器件及电路，同时不让过多的共模电流流向等效天线模型电路，以及流向LISN中的50Ω检测电路。