任天堂Wii遊戲機效應發酵　EMC設計重要性益顯

一個產品的設計若是電磁相容(EMC)處理不當，不但不能販售，還會喪失市場競爭力。EMC的問題之所以越來越受到重視的原因是，搭載無線機能的機器逐漸增多，而中央處理器或微控制器的動作頻率越來越高，因而增加了來自裝置的電磁雜訊。而裝置所產生出來的電磁雜雜訊，會讓產品本身的性能滑落，這也就是媒體所形容的「自家中毒」現象。  

電磁雜訊有法規和基準的規範。舉例來說，無線裝置賣到市場之後，如果被檢查出接收障礙或是傳送速度惡化而不能解決時，就可能遭到強制回收的命運。  

有人如此來形容EMC，「EMC是控制舉止不良的高頻之技術」，真是一語道破。所以透過EMC仔細觀察，往往可以看出設計者的規畫線路品質。以接地(Ground)為例，就可以看出設計者是否要讓電流流通的意圖。因此，電磁波電流或是對電磁波的規範，都可以從設計功力上看出端倪。  

以上這個論點的成立，必須回溯到產品的EMC問題--從設計階段就應該開始導入EMC的設計。然而，有些時候並非利用設計就可解決所有的問題，所以才又有所謂的「對策階段」。  

要進一步理解EMC的實踐技術，必然會牽扯到設計、評估以及對策等議題。  

EMC之所以重要，在於多數的電子裝置會有交互的電磁波影響，「電磁環境兩立性」、「電磁環境適合性」、「電磁的共存性」就成為一般EMC關聯規制或規格基準的設定目標。目的就是為了避免電子機器的誤動作，並讓如手機、無線電視的電磁波能夠被有效地利用。  

EMC的主要概念其實就是電磁雜訊放射(Emission)的抑制，指的是電磁干擾(Electro-magnetic Interface, EMI)。而另一個概念是惡質電磁波的忍受度，防止其不良影響，指的是電磁敏感度(Electro-magnetic Susceptibility, EMS)，也就是抗擾性(Immunity)。  

有趣的是，EMC根據傳導的方法分又成兩種，一種是電磁雜訊透過空間的「放射」，另一種則是經過電源線或訊號線的「傳導」。因此，EMC全體的分類方法應該可以分成放射-Emission、放射-Immunity、傳導-Emission、傳導-Immunity四大類。  

接下來就以Wii為例來探討該產品是如何處理其EMC問題。此處僅以該產品所採用的元件為題材進行討論。  

先就「放射」層面來說。一般而言，電磁雜訊的強度與發生來源電流迴路的電流值和面積有關。Wii具有一個USB介面，可以外接的裝置包括鍵盤和區域網路(LAN)配接器。由於USB屬於外接介面，需要連接線，所以會有共模電流。其因應的對策是，採用共模扼流線圈(Common Mode Choke)，將共模電流如濾波器(Filter)般加之遮斷。  

從Wii的設計中也可以發現鐵磁氧體線圈(Ferrite Coil)的蹤跡。該類元件也是濾波器的一種，其等效電路與共模扼流線圈很類似，都是電感與電阻串接在一起。過多的電流，將會轉換成熱能。  

圖1　縮小電流迴路

Wii中還有一個很有趣的做法。在散熱片內竟然安裝了鐵磁氧體線圈，等於是在線路板的接地層與散熱片的連接部位插入。散熱片與寄生電容朝向周圍金屬的高頻電流迴路，並沒有遮斷掉，真是前所未見。

其次，線路板上中央處理器或大規模的LSI附近，一定設置旁路(Bypass)電容(圖1)。LSI電源電流會隨著LSI內部數位電路的開關動作而含有高頻的成分。若是這個高頻成分電流形成了大的迴路，電磁雜訊的放射就會產生。Wii的做法很明顯地將電流迴路縮小。

Wii也使用了電磁屏蔽(Shield)的材料，在線路板的上面和下方採用兩枚電磁屏蔽板挾住，而線路板上的接地，多處與電磁屏蔽板連接。至於線路板的周圍，盡可能用地包圍。如此細心的做法，從電氣的構造來看，目的在於力求安穩(圖2～5)。 線路板一而再、再而三地覆蓋，讓電磁雜訊呈現封閉的型態。可以揣摩出設計者也許是想讓連接器和電源線的連接更容易處理。

圖2　線路板周圍採鍍金處理	圖3　線路板與上下電磁屏蔽板之一
圖4　線路板與上下電磁屏蔽板之二 (掀開上蓋之後)	圖5　線路板與上下電磁屏蔽板之三

就傳導層面來說，可以從電源模組一窺Wii的對策。為了防止傳導-Emission至旁邊的機器，電源模組的插頭側有電感與電容形成的濾波器。而且，還安置了一個突波吸收器(Varistor)，不僅可以當作避雷器般保護之用，還能夠作為過電壓/過電流的流通途徑，進而保護Wii本體。  

總結來說，Wii在EMC對策上所採用的元件可以歸納成表1的內容。

從構想、設計到對策須面面俱到  

在產品設計階段，考量「EMC設計」重要性有逐漸增加的趨勢。然而，電子裝置的種類繁多，並沒有一定的EMC處理方式。  

EMC設計的最大難題，在於根本很難描繪出EMC的模型圖，也就是說，不容易定量「EMC性能」，「EMC要素的分擔」很困難。因此，設計階段能夠理解的部分盡力完成，無法應付的細部留到檢證和對策的工程上再處理。  

通常，設計電子裝置時都會事先定義好機能與性能，然後畫出功能方塊圖，開始細部的線路設計。經過除錯之後，進入生產階段。這是大家都有的共識。 嚴格來說，產品工程的每一個環節大致上都有檢討設計內容以及關於EMC的注意事項，並區分成以下五個階段：

產品的開發往往有兩種情形，一種是可以成為既存的設計資產的升級(Grade-up)，往往是高功能、高性能的進化，另一種情形則是全新規畫的產品設計，精細的考慮不可欠缺。一些實際發生過的案例，值得大家來參考：

掌握電氣線路設計要點  

EMC設計最基本的要點就是接地系統，尤其是電磁雜訊放射來源的共模雜訊的抑制，對於接地系統很重要。公司團隊設計領導者過去所累積的經驗，就扮演了很重要的角色。畢竟在著手於電氣線路設計時，有設計方針就會有方向，從接地的構想、放射部位的推斷、線路基板設計、配線設計到元件的選擇，都要注意。  

譬如，星狀式(Star)的接地系統對於共模雜訊的抑制是有效的。然而，如此理想的接地系統很難在實際產品上找到。例如，使用同軸電纜互連的機器之間，各基板的接地也與同軸電纜的外覆連接，形成另一條經路，寄生容量會產生雜散耦合(Stray Coupling)而有共模迴路。  

機器之間接地系的構成，包含以下三種：信線地與外框(Frame)地連接在一起、信線地與外框地先行分離，再集中一點接地，以及信線地完全漂浮的場合，也就是不與外框地連接在一起。其中，第三種原理上說得通，但適用的機會很少，僅僅在一些超低雜音音訊(Audio)機器，抑或特別要求嚴格的產品上才見得到。而第二種，要特別考慮靜電氣對策。電子線路部分，與外殼要做好絕緣。  

放射原因部位以及抗擾性較弱部分的檢驗，一般都是做成一份完成度高的檢查清單。譬如，列出大輸出半導體開關線路以及與其連接的線路、大輸出的繼電器(Relay)接點以及與其連接的線路、高速的數位訊號產生線路等。  

電子線路是在基板上完成的，因此基板設計對於EMC的設計是相當重要的。如果必須變更或改造，都會是大問題。因此在這個階段投注的心力絕不可少。  

關於共模的抑制，有以下四個原則可以遵守：首先，大電力的線路部分(電磁雜訊發生來源)以及小訊號線路部分(容易誤動作)先行識別，然後在基板上盡可能做好隔離。例如，在同一基板上有交換式電源時，包含地都要做好隔離。通常，大電力的線路與小訊號線路部分單點接地，讓大電力線路的接地電流與小訊號的接地電流各自隔離。  

其次， 要把握訊號的流經路線，最好讓訊號的流程沿著元件的配置來走。舉例來說，無線送收線路的場合，特別是高頻電路，基板的接地不要全部同一電位，最好是將功能區塊線路的「接地」、「訊號」、「電源」三者盡可能地成對配置在基板上。可以說，就是訊號追隨著元件走。  

此外，線路基板上的訊號流與迴路訊號流須嚴密地成對設計。如果迴路電流產生迂迴，就會有電磁波放射。換句話說，就是接地要隨著訊號走。  

最後， 要隨時注意或是研究線路基板的發展。因應訊號的高速化，從多層板到新的理論解析，找出論文或是新的方案解決對策。例如，PS3就採用了NEC Tokin的Proadlizer。  

當然，在完成線路基板的設計之後，若能利用模擬工具來確認電磁雜訊的放射強度，最為恰當。有了足夠的設計與模擬資料的累積，對個人或公司而言都是寶貴的資產。  

就EMC而言，線路基板的設計可以說就是在控制電流的流程。而傳送線路的送收兩側，接地獨立的手段，常見的有使用絕緣變壓器或是利用光耦合元件。  

在元件的選擇方面，也要盡可能地研讀型錄內的規格資訊。尤其像濾波器之類的原件，廠商測定的條件不見得與實際使用的條件一致。譬如，電源濾波器元件廠商的資料是特性阻抗50歐姆，而實際使用的場合不見得如此。另外一方面，電磁屏蔽材料的性能，並沒有統一的測定方法，材料製造商於目錄上的資料，是否完全滿足使用者的條件，都必須留意。  

構造設計時注意事項多  

在構造設計上，有一個重點是不能出現原本並無規畫的「隱藏式的天線」。電磁波能夠在空中放出，必定存在天線效應的部分。天線有線狀天線、開口面天線如拋物面天線(Parabola Antenna)等之分。影響EMC問題的往往是前者。  

規定天線的放射能率，會提到一個性質的「放射阻抗」。它不會以熱能來消耗天線給電端子的高頻電力，而是在空中以電磁波方式放出。  

而天線的放射效率(放射電力/(放射電力+損失電力))與放射阻抗成正比，將天線長度縮短，放射阻抗也跟著縮小。若是將天線的長度縮短十分之一，放射效率則為0.01倍(40dB)。因此，若是在機器中確認出隱藏式的天線，對策就是將長度縮短。  

在構造設計上，電磁屏蔽也是相當重要的技術。電磁屏蔽是電磁雜訊放射以及從空間侵入降低的最基本方案，對於機器框體的構造設計是重要的一環。當然，聚膚效應(Skin Effect)顯示出高頻的電流會集中於表面，但是用於電磁屏蔽的導體板(鋼板、銅板、鋁板等)，過厚並沒有很大的意義。表2列舉了1毫米(mm)厚度鋁合金板的電磁屏蔽效果資訊，而電磁屏蔽效果的定義是：S=20log (Eunshielded/Eshielded)。

從以上的數據可以得知，頻率範圍的任一區段，至少都會有100dB的屏蔽效果。而電磁屏蔽最麻煩的問題就在於導體板接合部分，有狹縫而漏出電波。也就是槽型天線(Slot Antenna)，而出現放射作用。而在屏蔽外殼輸出入配線，對於電磁屏蔽肯定是有害的。  

總之，前段工程設計著力於電磁雜訊放射來源的共模抑制以及避免發生隱藏式天線，後段工程則須考量濾波器或是電磁屏蔽。