1.2 EMI设计
在互联网时代，越来越多的电子产品进入我们的生活，那么电子产品是否会产生辐射？产生的辐射对我们身体有危害吗？
电磁污染对人体造成的潜在危害目前已引起人们的重视。在现代家庭中，电磁波在为人们造福的同时，也给人的身体健康带来了危害。
电子产品只要通电，就一定会产生变化的电流，变化的电流就会产生变化的磁场，变化的磁场会再产生变化的电场，这就是所谓的电磁干扰。这种干扰不仅会让不同电子设备之间相互影响，而且若辐射强度过大，还会对人体产生一定影响。手机、电视、计算机等各种家用电器、输配电线的周围都存在电磁辐射。
那么电子产品如何将其产生的辐射控制在对人体安全的范围内？这就是产品设计中 EMI设计要考虑的。总之，要严格执行国家标准，保证产品设计的安全性及功能性。
1.2.1 技术解释
EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）是指某电子设备既不干扰其他设备，同时也不受其他设备的影响，是产品质量的重要指标之一。
由于电子设备的大量使用，以及人们对电子设备的高度依赖，EMC 已经成为电子产品设计者关注的方面之一，其概念已经深入人们的生活。例如，在乘坐飞机时，乘务人员反复提醒乘客关闭手机，就是要防止手机辐射的信号对飞机的通信系统和控制系统产生影响；我们在接听固定电话时，如果同时手机也有来电，则经常会在固定电话听筒中听到滴滴的干扰声，这就是手机对固定电话的电磁干扰。
自 20 世纪 20 年代无线电通信发明以来，科学家就开始研究电磁干扰导致的各种问题。20 世纪 30 年代，人们对电磁干扰有了更多的认识和研究，研究的问题不仅有无线电广播产生的干扰，而且还涉及电动机、电器开关及汽车点火装置对无线电广播产生的干扰。
在 1933 年， 针 对 越 来 越 严 重 的 电 磁 干 扰 问 题，IEC 成 立 了 CISPR（International Special Committee on Radio Interference，国际无线电干扰特别委员会）。1934 年，CISPR 召开了第一次会议，主要议题是确定一个合理的无线电干扰限制值，以及如何对电磁干扰进行测量。
第二次世界大战中，远程通信和雷达在军事上的应用，极大地促进了学者们对 EMC 问题的研究，一些军用标准和规范也随之诞生。
今天，电子技术已经应用到各个行业，电磁干扰的问题也愈加突出，如何使设计的电子设备满足 EMC 标准，已成为电子工程师及用户关心的问题。EMC 包括两个概念：EMI 和 EMS（Electromagnetic Susceptibility， 电磁敏感度），如图 1-18 所示。其中，EMI 是指电子设备对外部电磁环境的干扰。EMS 也称电磁抗扰度，是指电子设备抵抗外部电磁环境干扰的能力。
图 1-18 EMC 分类
1.2.2 技术难点
EMI 设计是所有消费类电子产品都会遇到的难题，特别是设计复杂或在新平台上应用的产品。EMI 是产品质量的重要指标之一，涉及电子、射频、结构等领域。天猫精灵研发团队在其生产的多代产品中，积累了大量的 EMI 设计经验，这些经验可以帮助我们提前预防、快速定位及快速分析并解决 EMI 问题。
天猫精灵智能音箱产品 EMI 设计最大的难点在于，不同产品的电磁辐射表现不同，每一款产品，研发团队都会在预防、平衡和解决电磁辐射的环节中花费较多的精力。一台电子设备工作时，能看得到的所有零件都会产生 EMI，如何平衡射频、结构、电子、PCB、工艺等领域的设计，使产品性能达到最优，才是我们的最佳选择。
1.2.3 专业知识简介
1．EMI三要素
电磁干扰由干扰源、耦合路径和敏感源三部分组成，它们通常被称作电磁干扰三要素。其中，干扰源是指产生电磁干扰的电路和设备；耦合路径是指能够将干扰源产生的能量传递到敏感源的路径；敏感源是指受电磁干扰影响的电路或设备。
电磁兼容技术就是围绕这三个要素展开的，通过研究每个要素的特点，我们针对每个要素提出改善的技术方案，以及工程实现的方法。
（1）干扰源
在 EMI 设计时，首先要找到干扰源，然后针对性地采取措施，减小其发射强度。电磁干扰源的干扰强度用电压或者电流的变化的程度来表示，用数学的方式描述为 du/dt和 di/dt。电磁干扰必须通过能量的传递对其他电路产生影响，而电磁场往往成为能量传递的形式。根据电磁感应定律，变化的电磁场能在电路中感应出电流或电压，而变化的电磁场是由变化的电流或电压产生的。
电磁干扰源的能量传递形式如下。
① 传导：以电流的形式在导线上传输，被其他电路接收后，产生干扰效应，即传导骚扰或传导发射。
② 辐射：以电磁波形式在空间传输，被其他电路接收后，产生干扰效应。
这两种模式之间会相互转换。导线上传输的电流也会产生电磁辐射，形成电磁波；空间辐射的电磁波也会在导线上产生感应电流，形成传导电流。实际上，这两种模式常常同时存在。
（2）耦合路径
电磁干扰源产生的干扰能量必须传递到电磁敏感源，才能形成电磁干扰，即干扰源和敏感源之间必须有耦合路径。解决电磁干扰问题的关键就是消除耦合路径，或者降低耦合。
干扰源和敏感源之间的耦合路径如下。
① 电源耦合： 两个电路共用一个电源，彼此之间形成干扰。
② 地线耦合：由于地线设计不当，两个电路在公共部分发生耦合。
③ 杂散电容耦合：两个电路之间存在杂散电容，杂散电容使电路之间形成耦合。
④ 互感耦合：两个电路之间存在互感，通过互感形成耦合，类似变压器初级和次级之间的耦合。
⑤ 电磁耦合：一个电路的寄生天线辐射的电磁场被另一个电路的寄生天线吸收，并形成干扰。
电磁耦合发生在较高频率范围内，这种耦合很难分清是电场的，还是磁场的，它们都是通过高频电磁场传递能量。在两根电缆之间，一根电缆上有较强的共模电流，形成了较强的电磁场。而另一根电缆处于这个电磁场中，由于寄生天线效应，产生干扰电压，进而对电路产生干扰。电磁耦合的分析往往较复杂，大多与设备接地有关。
（3）敏感源
任何电路都有可能是敏感源，可能对噪声电压、噪声电流及电磁场等敏感。对于数字电路，如果数字逻辑是通过电平来表示的，则电路对噪声相对敏感；如果是靠上升沿或者下降沿触发的，则电路对瞬态的脉冲干扰敏感。对于模拟电路，电磁干扰会导致信噪比下降。对传感器的输出，电磁干扰会导致传感器的分辨率下降。电路对空间电磁波的响应必须通过天线接收，除了以接收无线电信号为目的的天线，大部分天线是电路或者设备中的寄生天线。正是由于这些寄生天线的存在，电路才会对空间电磁波敏感，产生干扰问题。当电缆的长度大于1/4 信号的波长时，电缆上由电场产生的感应电流可以用式（1-1）来估算。
I =1.5（mA/V/m） （1-1）
式（1-1）的含义：当电缆置于电场中，且方向与电场方向平行时，1V/m 的场强会在电缆上产生 1.5mA 的电流。
2．EMI测试参数说明
（1）准峰值
准峰值用于测量信号能量的大小。准峰值检波器的充电时间要比放电时间快得多，因此信号的重复频率越高，得出的准峰值也就越高（GB/T 9254-2008 中提到，当测量接收机的读数在限值附近波动时，读数的观察时间应不少于 15s，我们需要记录最高读数，但孤立的瞬间高值忽略不计）。根据它们的重复出现频率，信号主要分为两种，一种是窄带信号，另一种是宽带信号。窄带信号是一种可以被光谱分析仪分解的信号，连续波信号就是一种频率固定不变的窄带信号，宽带信号是一种不能被光谱分析仪分解的信号。窄带信号的 PK（峰值），QP（准峰值）及 AV（平均值）在测量中会产生相同的振幅；宽带信号的 QP 小于 PK，信号的增加量（可以通过测量 QP 的电路中具体的充放电时间常量来解释）与被测信号重复出现频率有关，信号重复出现的频率越低，QP 就越小。
因为信号的 QP 总是小于或等于其 PK，所以只有当信号的 PK 接近或超过测试限值时，才有必要测量它的 QP。
准峰值检波器还能以线性方式对不同幅度的信号做出响应。这样，准峰值既可以反映信号的幅度，也能反映信号的时间分布。
采用准峰值检波是民用电磁骚扰发射测试的特点，民用的电磁兼容产品族标准都是从CISPR 标准转化而来的，这些标准都是为了保证通信和广播的畅通而编制的，因此，电磁骚扰对通信和广播的影响最终由人的主观听觉或视觉效果来判断，平均值检波和峰值检波都不足以描述脉冲的幅度、宽度和频度对听觉或视觉造成的影响。
信号 EMI 测试时，准峰值测试用时较长，实验室一般先采用峰值测试快速扫描，如果信号通过峰值测试，则通过 EMI 测试。如果信号没有通过峰值测试，再针对没有通过测试的频点采用准峰值读点的方法，以确认信号是否通过 EMI 测试，这样可以提高效率。
准峰值测试特点如下。
① 反映信号的幅度及时间分布。
② 检波器充电时间常数约为 1ms，放电时间常数约为 160ms。
③ 测试周期为 1s，步长为 50kHz，测试 30 ～ 1000MHz 的信号需要 5h，测试效率低。
（2）峰值
① 检波器充电时间很短，仅 100ns，能检测很窄的频谱，军用装备优先采用。
② 实际常用峰值检波的测试周期为 1ms，步长为 50kHz。如果测试所得数据小于 AV或者小于 QP 限制，则仅测试 PK 即可。如果测试所得数据大于等于 AV 或者大于等于 QP限制，再做读点测试，则能提高效率。
③ BV 实验室高频 EMI 测试时，仅测试 PK，对未通过的频点采用 AV 读点。
④ ITS（工业与消费产品检验公司）高频测试需同时测试 AV 和 PK。
（3）平均值
① 检波器充放电时间相同，达到秒级。
② 时间常数比准峰值大很多。
③ 检波器的输出为输入信号的包络平均线。
④ 比准峰值测试效率高。
同一产品的同一测试条件下强度对比：PK ≥ QP ≥ AV。
（4） RBW（Resolution Bandwidth，分辨带宽）
分辨带宽也被称为参考带宽，它代表频谱仪能够将两个不同频率的信号分辨出来的能力。它的设置对测试结果是有影响的。只有当它大于等于工作带宽时，读数才准确。但是如果信号太弱，频谱仪则无法分辨信号，此时即使 RBW 大于工作带宽，读数也不准确。
（5） VBW（Video Bandwidth，视频带宽）
VBW 表示测试的精度，其越小精度越高，如将 VBW 设为 100kHz，则表示每隔100kHz 对信号进行取样测试其电平。因此，VBW 设置得越小其测试曲线越光滑，能看到的频率范围越大。如果要观测的信号更精细，就要减小 VBW。
EMI 测试具体参数设置如表 1-2 所示。
1.2.4 案例详解
案例1 方糖R项目EMI测试时多频点超标
【问题描述】
2019 年，方糖 R 智能音箱在天猫精灵方糖系列的基础上又做了一次突破——主板从原来的至少需要使用 4 层 PCB，到使用 2 层 PCB，其外观如图 1-19 所示。从 4 层板到 2 层板，方糖 R 智能音箱的体积大大减小，很多高速信号线无法良好的进行包地屏蔽，这样，EMI问题就凸显出来，在项目第一版 EVT 阶段 EMI 测试时发现多频点超标，超标及余量不足的频点有 44MHz、192MHz、400MHz 及 450MHz 等，EMI 测试报告如图 1-20 所示。由于这款产品的销售目标是千万台销量，所以即使采用 2 层PCB，我们也希望该产品在 EMI 余量上能够超越行业平均水平（3dB），做到 6dB 的 EMI 余量。
图 1-19 方糖 R 智能音箱
图 1-20 EMI 测试报告
【问题分析】
当测试发现产品多频点超标时，首先要找倍频点，一定有一些频点超标是某个频率的n次倍频规律的出现造成的，从图 1-20 的测试结果中可以看出，间隔 50MHz 的倍频点出现超标，只要将该倍频点的源头找到，并针对源头的频点采取措施，那么就可以解决一系列的频点问题；其次对主板上的总线进行梳理，发现 SDIO 的 CLK（时钟）信号为 50MHz，有很大疑点；最后针对 SDIO 的 CLK 信号线采用并联 pF 级电容和串联电阻的方式，发现400MHz 和 450MHz 超标频点及倍频点有明显衰减，因此，增加电容电阻等元器件确实可以将该系列频点进行衰减，说明 2 层板的情况下，CLK 信号线的包地屏蔽无法做到很完整。针对 SDIO 的辐射，我们与芯片原厂沟通，找到有降低 CLK 信号线驱动能力的软件措施，驱动电流共 4 挡位，从 0 到 3，默认为 3。软件将挡位调整到 1 后，余量有 6dB，达到了我们对低成本的要求，而 CLK 信号线驱动能力降低带来的影响就是信号的完整性有风险，对此，还需要复测 SDIO 信号的完整性，测试结果为通过。
对于 PCB 上的频点精确定位，需要确定该频点是哪个元器件、哪根线或铜皮产生的。EMI 与 RF（Radio Frequency，射频）类似，RF 即将频率信号辐射出去，而 EMI 测试能得到需要抑制的某些频率，基于此，我们给读者介绍一种排查方法，可以一招定位！
先使用频谱仪近场探头进行区域确定，即确认造成 EMI 频点超标的区域，再到半波暗室进行进一步定位。
暗室内进行 EMI 扫描测试时，将万用表的表笔作为一根天线，用作“自制探头”，用表笔来点触主板上该区域可疑的信号线，当发现该频点的能量变得很高时，那么恭喜你，你找到了干扰信号是从哪根线辐射出去的。
40MHz 频点用“自制探头”定位到了，是功放辐射的，我们使用 2 层板，同时将功放的输出电感换成了磁珠来降成本。经实验验证将磁珠改为电感可以通过测试，但是为了进一步降低成本，我们对磁珠方案进行优化，将原始配置设为“300R+1nF”。优化后，软件展频有所改善，但还无法达到 6dB 的余量，因此，需要对输出磁珠及电容参数进行调整，这是一个权衡的过程，每个参数的修改会同时影响 EMI 和声学的频响与失真性能。我们与声学团队进行沟通，经过多次参数测试，发现“600R+2.2nF”的配置可以让 EMI 余量达到 6dB，且参数的修改也让频响和失真性能达到了标准要求。所以在 EMI 的整改过程中，要时刻关注所使用的方案对射频、声学、结构、工艺等团队的影响。及时沟通，同步验证，才能保证项目的最终成功。
192MHz 频点最初定位到是功放 I2S（Inter-IC Sound，集成电路音频总线）和 USB辐射的，因为这两处的辐射频率与 I2S 辐射的频率对应。降低 I2S 驱动，增加高频电容，辐射程度有微小改善，而 USB 的辐射依然很高，虽然 I2S 驱动已经拉到最低，但还是没有足够余量，出现该问题是因为主芯片的内部发生故障，在 USB 上并联共模电感后可以解决该问题。但是一个共模电感价格不菲，考虑到成本，我们尝试将 USB 的地和主板的地分开，但是需要做一次改板验证。采用分地来解决，不用增加任何成本，且项目进度及交付时间也可以保证。对于产品的任何一个决定，都要从质量、成本、进度、交付及用户满意度去考虑。
【收获】
方糖 R 智能音箱是天猫精灵第一次在智能音箱上将 2 层板的方案落地，降低成本的同时产品性能依然与 4 层板保持一致，这在智能音箱行业中也是首次尝试，直至 2020 年，行业竞品采用的依然绝大多数是 4 层板的设计。在 EMI 设计方面天猫精灵硬件团队通过思考将原本需要增加成本才能达成的性能，用技术攻克！
案例2 CC项目EMI测试时36MHz及其倍频超标
【问题描述】
2018 年，CC 项目在 EVT 阶段实验室摸底测试时发现概率性 36MHz 及其倍频 EMI RE（Radiated Emission，辐射发射）超标 10dB 以上，如图 1-21 所示。
图1-21 摸底测试报告
【问题分析】
测试中会出现概率性的超标问题，2 台测试样机，一台超标，另一台不超标，而超标的一台，在多次测试后又会变好。这种测试现象确实很奇怪。
将样机拿到另一家实验室去测试，发现 2 台测试样机都可以通过测试。
这就有一个疑问，这到底算不算通过测试？从技术的角度，在研发阶段必须谨慎，任何一个可疑的点都应该排查到底。对此我们增加 10 台样机继续测试。
验证发现 10 台样机中有 2 台样机有 36MHz 及其倍频点超标的现象。寻找这些样机的特点，发现这 2 台样机的电池电量都很低，因此，可以定性分析，在低电量大电流充电的时候样机会出现超标现象。将另外几台样机放电，在低电量大电流充电下也会出现超标现象。
用“自制探头”定位法，可以确定辐射源头是充电芯片的 DC（Direct Current，直流电源），我们做了以下尝试。
尝试对路径进行优化，将 DC 线改短，并飞线到主板上，虽然这样可以通过测试，但是考虑到结构设计时该措施无法实施，我们决定放弃该方案。
尝试使用双屏蔽层及 FPC 线材，结果依然超标 1.5dB。
将 PCB 上的充电芯片部分加金属屏蔽罩，屏蔽源端，样机依然无法通过测试。
在充电芯片处增加铜箔覆盖可以通过测试，但考虑到量产的可操作性及可靠性，放弃该方案。
在 DC 线上增加磁环可以通过测试，但磁环的价格非常昂贵，放弃该方案。
尝试在 12V DC 线和充电芯片输入端各增加 300Ω 磁珠，效果很明显，样机余量可以达到 6dB 以上。
从该分析过程可以看出，解决问题的方法一定不止一个，而我们要做的是找到最符合产品量产的方式，同时还要考虑可靠性、可量产性及成本等因素。最后的磁珠方案就一定是最优的吗？不一定，当时该项目的进度非常紧张，如果进行更多的验证，就需要花费更多的时间，那么 DVT 试产这个关键节点的进度就无法保证，甚至会影响交付的时间。经判断后，我们认为该方案是最适合的。
【收获】
此案例中，我们提供了带电池产品设计的低成本 EMI 解决方案。带电池的产品在大电流充电期间，很容易出现低频的 EMI 辐射超标现象，因此，在设计时，电源输入段的走线要尽量短，且在电源输入部分要预留出磁珠位置。
