一、引言
工业网关作为连接现场设备与云端的大脑，既要抵御电机、变频器、电焊机等强干扰源，又要在-40 ℃~+85 ℃的严酷环境中保持24×7稳定通信。EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容）防护设计直接决定产品的市场准入、现场可靠性以及品牌口碑。本文依据IEC 61000-6-2、EN 50155、CISPR 32等最新标准，结合10余款量产网关的实测经验，给出可落地的设计指南。
二、标准与指标速查表
- 抗扰度：
- IEC 61000-4-2（ESD）±8 kV接触/±15 kV空气放电，判据A；
- IEC 61000-4-4（EFT）±2 kV电源端口、±1 kV信号端口，判据A；
- IEC 61000-4-5（Surge）±2 kV共模/±1 kV差模，判据B；
- 发射：
- CISPR 32 Class A 30 MHz~1 GHz辐射 ≤40 dBµV/m（10 m法）。
以上指标需在产品规格书中显性量化，避免“符合标准”的空洞承诺。
三、系统级EMC架构设计
- 分区与接地
- 按功能划分“功率区”“数字区”“射频区”，各区独立完整地平面，在板边单点星型接地；
- 金属外壳做360°连续搭接，搭接阻抗<2.5 mΩ，防止缝隙天线效应。
- 接口分级防护
- 电源口：三级防护（MOV+GDT+TVS），前两级置于插座金属外壳背面，缩短浪涌路径；
- 以太网口：采用集成变压器的RJ45，中心抽头通过高压电容（2 kV）接机壳地，PHY侧再并TVS阵列；
- CAN/RS-485：使用共模扼流圈+对称TVS，扼流圈选型100 µH@1 MHz，抑制共模干扰同时不影响信号边沿。
四、PCB级细节落地
- 叠层：推荐4层板“SGPS”（Signal-Ground-Power-Signal）结构，电源层与地层间距≤0.1 mm，形成平面电容；
- 关键走线：
- 时钟线包地并伴随3W原则（线宽3倍间距），长度>50 mm时预留RC端接；
- 复位、JTAG等敏感线在表层不打过孔，减少回流面积；
- 分区开窗：射频模块下方完整地平面挖空，避免噪声耦合，但四周保留“护城河”地铜，抑制边缘辐射。
五、器件选型与降额
- TVS：反向截止电压≥1.2×Vmax，峰值脉冲功率按8/20 µs波形降额至60 %；
- 共模扼流圈：额定电流≥2×实际工作电流，温升ΔT<40 K；
- 晶振：选±20 ppm工业级，远离板边>20 mm，底部完整地平面禁止分割。
六、线缆与屏蔽
- 电源线：采用屏蔽双绞线，屏蔽层两端360°压接到金属壳体；
- 信号线：RS-485使用特性阻抗120 Ω双绞线，长度>30 m时两端加终端电阻；
- 出线布局：强电与弱电分两侧出线，最小间距50 mm，避免交叉。
七、测试与故障定位
- 预兼容：在研发阶段使用近场探头+频谱仪扫描，定位200 MHz以上辐射热点；
- 故障注入：在EFT测试时，采用光纤转UART实时打印日志，快速定位复位或通讯中断的根因；
- 整改闭环：每次修改后记录“问题-措施-验证”三栏表，确保同一问题不重复出现。
八、量产一致性保障
- 建立BOM锁定机制，EMC关键器件（TVS、共模电感、RJ45变压器）需二次编码确认；
- 每批次PCB抽测5 %进行TDR阻抗测试，单端50 Ω±10 %、差分100 Ω±10 %；
- 出厂老化：55 ℃满载8小时，同时叠加±4 kV ESD空气放电，模拟最严酷工况。
九、结语
EMC设计不是“测试不通过再整改”的后置环节，而是从需求定义、原理图、PCB、结构、线束到量产检验的全过程工程。遵循本指南，可在首轮样机阶段将认证通过率提升至90 %以上，减少一半以上的研发迭代周期，为工业网关赢得苛刻环境下的长期口碑。
