Wii与iPod、iPhone也许是有史以来最畅销的产品。前者藉由精心规画的产品思维，营造一种让使用者焕然一新的感受，而后两者则是工业美学设计以及行销战略成功的案例。

从硬件设计的观点来看，Wii绝对是高明无比的杰作，能省的元件绝对不用，而该用的则力求精简，元件角色定位明确，价格合理，彻底贯彻俭约第一的设计理念。这也是为何PS3与Xbox 360大多是赔硬件赚软体，而任天堂的Wii却软硬均赚，热卖到缺货的关键所在。

一个产品的设计若是电磁兼容(EMC)处理不当，不但不能贩售，还会丧失市场竞争力。 EMC的问题之所以越来越受到重视的原因是，具备无线传输的机器逐渐增多，而中央处理器或微控制器的运行频率越来越高，因而增加了来自装置的电磁噪声。而装置所产生出来的电磁噪声，会让产品本身的性能跌落。

电磁噪声有法规和基准的规范。举例来说，无线装置卖到市场之后，如果被检查出接收障碍或是传送速度恶化而不能解决时，就可能遭到强制回收的命运。

有人如此来形容EMC，「EMC是控制举止不良的高频之技术」，真是一语道破。所以透过EMC仔细观察，往往可以看出设计者的规画线路品质。以接地(Ground)为例，就可以看出设计者是否要让电流流通的意图。因此，电磁波电流或是对电磁波的规范，都可以从设计功力上看出端倪。

以上这个论点的成立，必须回溯到产品的EMC问题–从设计阶段就应该开始导入EMC的设计。然而，有些时候并非利用设计就可解决所有的问题，所以才又有所谓的「对策阶段」。

要进一步理解EMC的实践技术，必然会牵扯到设计、​​评估以及对策等议题。

EMC之所以重要，在于多数的电子装置会有交互的电磁波影响，「电磁环境两立性」、「电磁环境适合性」、「电磁的共存性」就成为一般EMC关联规制或规格基准的设定目标。目的就是为了避免电子机器的误动作，并让如手机、无线电视的电磁波能够被有效地利用。

EMC的主要概念其实就是电磁噪声放射(Emission)的抑制，指的是电磁干扰(Electro-magnetic Interface, EMI)。而另一个概念是恶质电磁波的忍受度，防止其不良影响，指的是电磁敏感度(Electro-magnetic Susceptibility, EMS)，也就是抗扰性(Immunity)。

有趣的是，EMC根据传导的方法分又成两种，一种是电磁噪声透过空间的「放射」，另一种则是经过电源线或讯号线的「传导」。因此，EMC全体的分类方法应该可以分成放射-Emission、放射-Immunity、传导-Emission、传导-Immunity四大类。

接下来就以Wii为例来探讨该产品是如何处理其EMC问题。此处仅以该产品所采用的元件为题材进行讨论。

先就「放射」层面来说。一般而言，电磁噪声的强度与发生来源电流回路的电流值和面积有关。 Wii具有一个USB接口，可以外接的装置包括键盘和局域网(LAN)接口。由于USB属于外接接口，需要连接线，所以会有共模电流。其因应的对策是，采用共模扼流线圈(Common Mode Choke)，将共模电流如滤波器(Filter)般加之遮断。

从Wii的设计中也可以发现铁磁氧体线圈(Ferrite Coil)的踪迹。该类元件也是滤波器的一种，其等效电路与共模扼流线圈很类似，都是电感与电阻串接在一起。过多的电流，将会转换成热能。

图1　缩小电流回路

Wii中还有一个很有趣的做法。在散热片内竟然安装了铁磁氧体线圈，等于是在线路板的接地层与散热片的连接部位插入。散热片与寄生电容朝向周围金属的高频电流回路，并没有遮断掉，真是前所未见。

其次，线路板上中央处理器或大规模的LSI附近，一定设置旁路(Bypass)电容(图1)。 LSI电源电流会随着LSI内部数位电路的开关动作而含有高频的成分。若是这个高频成分电流形成了大的回路，电磁噪声的放射就会产生。 Wii的做法很明显地将电流回路缩小。

Wii也使用了电磁屏蔽(Shield)的材料，在线路板的上面和下方采用两枚电磁屏蔽板挟住，而线路板上的接地，多处与电磁屏蔽板连接。至于线路板的周围，尽可能用地包围。如此细心的做法，从电气的构造来看，目的在于力求安稳(图2～5)。线路板一而再、再而三地覆盖，让电磁噪声呈现封闭的型态。可以揣摩出设计者也许是想让连接器和电源线的连接更容易处理。

图2　PCB板边镀金处理

图3　PCB与上下电磁屏版板之一

图4　PCB与上下电磁屏版板之二（掀开上盖之后）

图5　PCB与上下电磁屏版板之三

就传导层面来说，可以从电源模组一窥Wii的对策。为了防止传导-Emission至旁边的机器，电源模组的插头侧有电感与电容形成的滤波器。而且，还安置了一个突波吸收器(Varistor)，不仅可以当作避雷器般保护之用，还能够作为过电压/过电流的流通途径，进而保护Wii本体。

总结来说，Wii在EMC对策上所采用的元件可以归纳成表1的内容。

从构想、设计到对策须面面俱到

在产品设计阶段，考量「EMC设计」重要性有逐渐增加的趋势。然而，电子装置的种类繁多，并没有一定的EMC处理方式。

EMC设计的最大难题，在于根本很难描绘出EMC的模型图，也就是说，不容易定量「EMC性能」，「EMC要素的分担」很困难。因此，设计阶段能够理解的部分尽力完成，无法应付的细部留到检证和对策的工程上再处理。

通常，设计电子装置时都会事先定义好机能与性能，然后画出功能方块图，开始细部的线路设计。经过除错之后，进入生产阶段。这是大家都有的共识。严格来说，产品工程的每一个环节大致上都有检讨设计内容以及关于EMC的注意事项，并区分成以下五个阶段：
‧ 产品企划构想阶段
检讨/设计的内容包含市场和智慧财产权、关联规格暨法规、机能性能/安全性、成本价格/资源、设计功夫(形状、材质、大小、重量等)。
而攸关EMC的主要事项则有产品关联规格(出货国家法规的适合性)、放射等级与耐性的推测(通常是与既有的机种作比较)、产品成本和开发人员的妥当性、评估是否需要电磁屏蔽。
‧ 具体的设计阶段
检讨/设计的重点在于电气线路的设计，其次是构造设计。而电气方面的考量则有接地的构想、问题部位的假设(推断)、线路机板设计、配线(跑线)设计、元件的选定五种。
|电气攸关EMC的主要事项包含了共模噪声的抑制、判断容易放射出电磁波的部位以及较弱容易被爆的部位、线路的分离与讯号回路的确保以及利用模拟妥当性的评估、适当配线的选择/绝缘等考量、检讨是否能够实现产品所规范的效果。
而在构造设计方面，重点是不要出现天线效应，以及将电磁屏蔽纳入考量。
‧ 试作阶段
‧ 检讨对策阶段
检讨/设计的要点包含追究原因以及设计变更/对策。而主要事项则是：攸关EMC问题的地方须能够一一个别地测试，并依据彻底的对策来考量成本与尺寸。
‧ 制造准备进入量产阶段
相信有些人都有同样的经验，无论在设计阶段多么地小心翼翼，有些问题往往在检证/对策阶段才会被发现。举一个与EMC问题相同的范例，如「放大器的自励发振」来说，在线路图接续上是看不见的，因为这是设计原本上没考量到，也看不见的结合电路(线路图上并不存在)所引起的。因此，试作品还是工程品，而电源电压变动的实验和温度试验都是非常必要的。
EMC设计的精神主要在于拔除阻碍稳定动作的要因，有时候与机器主要性能提升刚好扞格不入，因此与设计者的沟通就相当重要了。 EMC性能在设计检讨(Design Review)之际的确有些困难。 EMC的定性以经验的要素居多。

产品的开发往往有两种情形，一种是可以成为既存的设计资产的升级(Grade-up)，往往是高功能、高性能的进化，另一种情形则是全新规画的产品设计，精细的考虑不可欠缺。一些实际发生过的案例，值得大家来参考：
‧ 案例一
在电源功率电子领域，将传统使用的直流马达转移到使用半导体方式变频器(Inverter)的交流马达时，大多发现会放出强的电磁噪声。毕竟，原本贩售变频器单体的厂商，是以机器将之崁入为前提而设计的，电磁噪声问题就留给机器设计者自己解决。
‧ 案例二
利用汽油引擎驱动车做为基盘来设计柴油(Diesel)引擎驱动车。起初，以为柴油驱动车的点火接通(Plug)以及控制线路较少，推定电磁噪声会较低。事实上，发现主机引擎部分确实较低，但是补机部分，如电池充电系统、雨刷马达、油路循环控制系统等的电磁噪声颇大。
‧ 案例三
旧机种从油压控制变更为电动机驱动的电气控制，电动机以及驱动线路所释放出来的电磁噪声也被忽略了。
构想设计之后，就是具体的设计阶段，也就是电路设计者与机构构造负责人彼此留意，才能发挥EMC的功效。

掌握电气线路设计要点

EMC设计最基本的要点就是接地系统，尤其是电磁噪声放射来源的共模噪声的抑制，对于接地系统很重要。公司团队设计领导者过去所累积的经验，就扮演了很重要的角色。毕竟在着手于电气线路设计时，有设计方针就会有方向，从接地的构想、放射部位的推断、线路基板设计、配线设计到元件的选择，都要注意。

譬如，星状式(Star)的接地系统对于共模噪声的抑制是有效的。然而，如此理想的接地系统很难在实际产品上找到。例如，使用同轴电缆互连的机器之间，各基板的接地也与同轴电缆的外覆连接，形成另一条经路，寄生容量会产生杂散耦合(Stray Coupling)而有共模回路。

机器之间接地系的构成，包含以下三种：信线地与外框(Frame)地连接在一起、信线地与外框地先行分离，再集中一点接地，以及信线地完全漂浮的场合，也就是不与外框地连接在一起。其中，第三种原理上说得通，但适用的机会很少，仅仅在一些超低杂音音讯(Audio)机器，抑或特别要求严格的产品上才见得到。而第二种，要特别考虑静电气对策。电子线路部分，与外壳要做好绝缘。

放射原因部位以及抗扰性较弱部分的检验，一般都是做成一份完成度高的检查清单。譬如，列出大输出半导体开关线路以及与其连接的线路、大输出的继电器(Relay)接点以及与其连接的线路、高速的数位讯号产生线路等。

电子线路是在基板上完成的，因此基板设计对于EMC的设计是相当重要的。如果必须变更或改造，都会是大问题。因此在这个阶段投注的心力绝不可少。

关于共模的抑制，有以下四个原则可以遵守：首先，大电力的线路部分(电磁噪声发生来源)以及小讯号线路部分(容易误动作)先行识别，然后在基板上尽可能做好隔离。例如，在同一基板上有交换式电源时，包含地都要做好隔离。通常，大电力的线路与小讯号线路部分单点接地，让大电力线路的接地电流与小讯号的接地电流各自隔离。

其次， 要把握讯号的流经路线，最好让讯号的流程沿着元件的配置来走。举例来说，无线送收线路的场合，特别是高频电路，基板的接地不要全部同一电位，最好是将功能区块线路的「接地」、「讯号」、「电源」三者尽可能地成对配置在基板上。可以说，就是讯号追随着元件走。

此外，线路基板上的讯号流与回路讯号流须严密地成对设计。如果回路电流产生迂回，就会有电磁波放射。换句话说，就是接地要随着讯号走。

最后， 要随时注意或是研究线路基板的发展。因应讯号的高速化，从多层板到新的理论解析，找出论文或是新的方案解决对策。例如，PS3就采用了NEC Tokin的Proadlizer。

当然，在完成线路基板的设计之后，若能利用模拟工具来确认电磁噪声的放射强度，最为恰当。有了足够的设计与模拟资料的累积，对个人或公司而言都是宝贵的资产。

就EMC而言，线路基板的设计可以说就是在控制电流的流程。而传送线路的送收两侧，接地独立的手段，常见的有使用绝缘变压器或是利用光耦合元件。

在元件的选择方面，也要尽可能地研读型录内的规格资讯。尤其像滤波器之类的原件，厂商测定的条件不见得与实际使用的条件一致。譬如，电源滤波器元件厂商的资料是特性阻抗50欧姆，而实际使用的场合不见得如此。另外一方面，电磁屏蔽材料的性能，并没有统一的测定方法，材料制造商于目录上的资料，是否完全满足使用者的条件，都必须留意。

构造设计时注意事项多

在构造设计上，有一个重点是不能出现原本并无规画的「隐藏式的天线」。电磁波能够在空中放出，必定存在天线效应的部分。天线有线状天线、开口面天线如抛物面天线(Parabola Antenna)等之分。影响EMC问题的往往是前者。

规定天线的放射能率，会提到一个性质的「放射阻抗」。它不会以热能来消耗天线给电端子的高频电力，而是在空中以电磁波方式放出。

而天线的放射效率(放射电力/(放射电力+损失电力))与放射阻抗成正比，将天线长度缩短，放射阻抗也跟着缩小。若是将天线的长度缩短十分之一，放射效率则为0.01倍(40dB)。因此，若是在机器中确认出隐藏式的天线，对策就是将长度缩短。

在构造设计上，电磁屏蔽也是相当重要的技术。电磁屏蔽是电磁噪声放射以及从空间侵入降低的最基本方案，对于机器框体的构造设计是重要的一环。当然，聚肤效应(Skin Effect)显示出高频的电流会集中于表面，但是用于电磁屏蔽的导体板(钢板、铜板、铝板等)，过厚并没有很大的意义。表2列举了1毫米(mm)厚度铝合金板的电磁屏蔽效果资讯，而电磁屏蔽效果的定义是：S=20log (Eunshielded/Eshielded)。

从以上的数据可以得知，频率范围的任一区段，至少都会有100dB的屏蔽效果。而电磁屏蔽最麻烦的问题就在于导体板接合部分，有狭缝而漏出电波。也就是槽型天线(Slot Antenna)，而出现放射作用。而在屏蔽外壳输出入配线，对于电磁屏蔽肯定是有害的。

总之，前段工程设计着力于电磁噪声放射来源的共模抑制以及避免发生隐藏式天线，后段工程则须考量滤波器或是电磁屏蔽。

文章转载自：新通訊 2008 年 5 月號 87 期《 技術前瞻 》