將EMI／EMC控制在搖籃之中

0 引 言

電子研發(fā)工程師最常采用的EMI／EMC防范措施不外乎是屏蔽、濾波、接地和布線，但是隨著電子系統(tǒng)的集成化，在考慮成本、質(zhì)量、功能，又要兼顧產(chǎn)品推出速度的要求下，工程師們必須在設(shè)計(jì)初始階段就展開EMI／EMC預(yù)測(cè)分析和設(shè)計(jì)，避免在研發(fā)后期發(fā)生問題，采取挽救修補(bǔ)措施的被動(dòng)控制方法，而收到事半功倍的效果。本文就介紹在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，控制EMI／EMC所應(yīng)考慮的問題。

1 PCB板設(shè)計(jì)

1.1 PCB板層數(shù)與功能分布

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電路板時(shí)，首先要考慮的是PCB板的層數(shù)及信號(hào)、電源、地的分布。層數(shù)的決定在于功能規(guī)格、噪聲抑制、信號(hào)種類、走線分布排列、阻抗匹配、有源組件密度、網(wǎng)絡(luò)數(shù)目等。在PCB層面壓制射頻輻射更勝于在機(jī)殼或金屬涂裝于塑料殼上下功夫。

表1顯示的是電路板層數(shù)與信號(hào)、電源、地的通用分配方式。這些分配方式并非一成不變的，可依功能要求及所須繞線層數(shù)(Rounting Layers)要求適當(dāng)修改。須把握的重點(diǎn)是每一個(gè)繞線層必定要相鄰一個(gè)完整平面。

1.2電源及接地

高速PCB板設(shè)計(jì)最重要的考慮就是把電源電壓向各部分電路供電，將噪聲降為最低，它就如同開發(fā)一個(gè)無干擾電源。一個(gè)好的接地其阻抗應(yīng)該為零，因此可以提供一個(gè)好的參考電壓給所有的電路，同時(shí)也不會(huì)有EMI的產(chǎn)生。實(shí)際上，真實(shí)的電源網(wǎng)絡(luò)中，由于有非零值傳遞延遲的電流存在，所以于其中應(yīng)該是具有一些有限的阻抗，如電阻、電感、或是電容，它們是分散于整個(gè)電路板之中。

在高速PCB板中，另外一個(gè)問題是交流信號(hào)所產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)，電流流通于一個(gè)由導(dǎo)線所圍成的閉回路，它們會(huì)使得電路的串音，以及輻射更加的嚴(yán)重。分散電源的效能是受到板子上電路的不同電位所決定，設(shè)計(jì)的目的是盡可能降低電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗。通常采用有兩種方法解決，分別為利用電源總線以及電源平面。

一般設(shè)計(jì)者傾向于使用電源總線，是因?yàn)樗哂泻侠淼某杀?，故為首選，但是電源總線是與信號(hào)線分享整個(gè)布局層，以及有許多的電源供應(yīng)到所有的裝置。通常總線為既長(zhǎng)又窄，所以它的阻抗比較大，這就是為什么電流受限制于總線所定義的路徑。由器件所產(chǎn)生的EMI，都是與電源總線上的器件有關(guān)聯(lián)。

至于電源平面因其充滿了整個(gè)布局層，并且電源平面的阻抗是為電源總線一小部分。在電源平面上，因?yàn)殡娏髀窂經(jīng)]有受到限制，所以噪聲電流是分散的。所沿行的路徑阻抗也較低，所以電源平面較電源總線安靜。電源平面的另外一個(gè)功能，是于系統(tǒng)中對(duì)于所有的信號(hào)提供均有一條返回路徑，可以用來限制許多高速噪聲的問題。

在低速時(shí)，電流流向最低電阻的路徑，在高速時(shí)，在所既給的返回電流路徑的電感是遠(yuǎn)低于有效的電阻，高速返回電流是走最低電感的路徑，但此一路徑并非是最低電阻的路徑。此一最低電感返回路徑是被直接的放在一個(gè)信號(hào)導(dǎo)通器之下，并于返回電流路徑之間有一最小的總回路。電源平面提供給系統(tǒng)中所有的信號(hào)一個(gè)返回路徑，則電流就可以經(jīng)由VCC或是接地返回。

1.3終端

路線越短其傳輸延遲也越短，若是導(dǎo)線的長(zhǎng)度超過電子上升邊緣長(zhǎng)度的1／6，則信號(hào)延遲就大于傳輸時(shí)間的有效部份，所以信號(hào)路線必須被視為是一個(gè)傳輸線，一個(gè)不適當(dāng)?shù)慕K端傳輸線容易造成反射，進(jìn)而破壞到信號(hào)。太短的終端線，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的反射以減慢轉(zhuǎn)換時(shí)間，使數(shù)據(jù)流變慢；而太長(zhǎng)的終端線，又會(huì)產(chǎn)生正反射其可被解釋為一個(gè)多任務(wù)信號(hào)，由于于此頻率下，具有高阻抗以及傳輸率，故可以與相鄰的路徑線路作有效的耦合。

在線路負(fù)載端的信號(hào)可以被組合形成環(huán)型，以降低系統(tǒng)的速度，它也可能會(huì)造成錯(cuò)誤的時(shí)序，甚至于破壞系統(tǒng)的功能。故應(yīng)該將終端線的終端電阻降低，或是限制于無反射之下，使其電阻值匹配于傳輸線的特性阻抗時(shí)才能有效抑制反射。

在平行終端之間并入一個(gè)具有負(fù)載特性的電阻器可以降低負(fù)載阻抗，但是它卻有一個(gè)缺點(diǎn)，就是于正電壓態(tài)輸出時(shí)，有較高的電流，此電流可以通過電源以及接地兩端電阻的使用，予以合理的降低，此兩電阻即是所謂的Thevenin等效應(yīng)；雖然此一方法是很好，但是因?yàn)殡娮枋墙橛陔娫磁c接地之間，所以需要較大的電源供應(yīng)電流。

另外一個(gè)技巧是并入電阻及電容，電容可使交流短路與直流開路，此一電路可以被參考且視為交流終端。負(fù)載終端技術(shù)的設(shè)計(jì)可以限制第一次反射。

另外的一個(gè)選擇方法是增加Zs使其等于Zo，并將Zs與電源相串聯(lián)，當(dāng)加入Zs之后，會(huì)使電源產(chǎn)生一個(gè)新的阻抗Zo。我們也可以考慮同時(shí)在電源以及負(fù)載端使用終端器，使接收到的一半信號(hào)，并降低巨大的反射。在數(shù)字電路中，此一技術(shù)僅是被使用于連接有接收組件的線路。

手持式裝置會(huì)格外注重在印刷電路板上的EMI設(shè)計(jì)，在大多數(shù)情況下電路板的表面安裝組件產(chǎn)生的發(fā)射比電路板銅箔線產(chǎn)生的大。流過銅箔線的相同電流必須同樣流過IC，保證銅箔線及其最近的參考基準(zhǔn)面之間的面積小于從芯片接腳到電路板并返回器件的電源和接地引腳的電流回路面積，可使芯片發(fā)出較銅箔線輻射更大的能量，此外，假如兩條銅箔線等長(zhǎng)并載有相同的信號(hào)，在物理上位處高于最近實(shí)心基準(zhǔn)面的銅箔線的輻射會(huì)較大。簡(jiǎn)單地說，距離基準(zhǔn)面越高，輻射越高。

2 屏蔽措施的采用

對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，采用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法。如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)。無論是金屬還是涂有導(dǎo)電層的塑料，一旦設(shè)計(jì)人員確定作為外殼材料之后，就可著手開始選擇襯墊。

2.1金屬屏蔽效率

只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達(dá)到較高屏蔽效率。這些材料的導(dǎo)磁率會(huì)隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場(chǎng)較強(qiáng)也會(huì)使導(dǎo)磁率降低，還有就是采用機(jī)械方法將屏蔽罩作成規(guī)定形狀同樣會(huì)降低導(dǎo)磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，通常要向EMI屏蔽材料供貨商以及有關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)尋求解決方案。

在高頻電場(chǎng)下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達(dá)到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙。然而在實(shí)際中要制造一個(gè)無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個(gè)部分進(jìn)行制作，因此就會(huì)有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的聯(lián)機(jī)。 設(shè)計(jì)屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生孔隙，而且設(shè)備運(yùn)行過程中還會(huì)需要用到這些孔隙。制造、面板聯(lián)機(jī)、通風(fēng)口、外部監(jiān)測(cè)窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設(shè)計(jì)中對(duì)與電路工作頻率波長(zhǎng)有關(guān)的溝槽長(zhǎng)度作仔細(xì)考慮是很有好處的。 2.2屏蔽設(shè)計(jì)關(guān)鍵

設(shè)備一般都需要進(jìn)行屏蔽，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過一些基本原則確定，但是理論與現(xiàn)實(shí)之間還是有差別。例如在計(jì)算某個(gè)頻率下襯墊的大小和間距時(shí)還必須考慮信號(hào)的強(qiáng)度，如同在一個(gè)設(shè)備中使用了多個(gè)處理器時(shí)的情形，表面處理及墊片設(shè)計(jì)是保持長(zhǎng)期屏蔽以實(shí)現(xiàn)EMC性能的關(guān)鍵因素。

由于接縫會(huì)導(dǎo)致屏蔽罩導(dǎo)通率下降，因此屏蔽效率也會(huì)降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長(zhǎng)度直徑比，例如長(zhǎng)度直徑比為3時(shí)可獲得100 dB的衰減。在需要穿孔時(shí)，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導(dǎo)特性；另一種實(shí)現(xiàn)較高長(zhǎng)度直徑比的方法是附加一個(gè)小型金屬屏蔽物，如一個(gè)大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構(gòu)成多孔屏蔽罩設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等等，當(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要仔細(xì)考慮，接縫和接點(diǎn)：電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進(jìn)行永久性固定的常用方式，接合部位金屬表面必須清理干凈，以使接合處能完全用導(dǎo)電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進(jìn)行固定，因?yàn)榫o固件之間接合處的低阻接觸狀態(tài)不容易長(zhǎng)久保持。

導(dǎo)電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙，使RF輻射不會(huì)散發(fā)出去。EMI襯墊是一種導(dǎo)電介質(zhì)，用于填補(bǔ)屏蔽罩內(nèi)的空隙并提供連續(xù)低阻抗接點(diǎn)。通常EMI襯墊可在兩個(gè)導(dǎo)體之間提供一種靈活的連接，使一個(gè)導(dǎo)體上的電流傳至另一導(dǎo)體。

封孔EMI襯墊的選用必須考慮一些變量，包括：特定頻率范圍的屏蔽效率、安裝方法和密封強(qiáng)度、與外罩電流兼容性以及對(duì)外部環(huán)境的抗腐蝕能力、工作溫度范圍、成本，多數(shù)商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設(shè)備滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵是在屏蔽罩內(nèi)正確地對(duì)墊片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3屏蔽材料的選擇

目前可用的屏蔽和襯墊產(chǎn)品非常多，包括鈹一銅接頭、金屬網(wǎng)線、嵌入橡膠中的金屬網(wǎng)和定向線、導(dǎo)電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數(shù)屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達(dá)到的SE估計(jì)值，但要記住SE是個(gè)相對(duì)數(shù)值，還取決于孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀，可用于各種特定應(yīng)用，包括有磨損、滑動(dòng)以及帶鉸鏈的場(chǎng)合。目前許多襯墊帶有粘膠或在襯墊上面就有固定裝置，如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。

各類襯墊中，涂層泡沫襯墊是最新也是市面上用途最廣的產(chǎn)品之一。這類襯墊可做成多種形狀，厚度大于0.5 mm，也可減少厚度以滿足UL燃燒及環(huán)境密封標(biāo)準(zhǔn)。還有另一種新型襯墊即環(huán)境／EMI混合襯墊，有了它就可以無需再使用單獨(dú)的密封材料，從而降低屏蔽罩成本和復(fù)雜程度。這些襯墊的外部覆層對(duì)紫外線穩(wěn)定，可防潮、防風(fēng)、防清洗溶劑，內(nèi)部涂層則進(jìn)行金屬化處理并具有較高導(dǎo)電性。最近的另外一項(xiàng)革新是在EMI襯墊上裝了一個(gè)塑料夾，同傳統(tǒng)壓制型金屬襯墊相比，它的重量較輕，裝配時(shí)間短，而且成本更低，因此更具市場(chǎng)吸引力。

3信號(hào)通路的考慮

產(chǎn)生EMI需要許多變量的配合，因?yàn)镋MI是被動(dòng)組件正常狀態(tài)以外所衍生的結(jié)果。這些被動(dòng)組件在高頻的一些行為特性一般稱之為"隱藏之電路"。硬件工程師一般假設(shè)這些組件有單一的頻率響應(yīng)。結(jié)果，其根據(jù)時(shí)域之功能特性來選擇組件，而不管在頻域里的實(shí)際表現(xiàn)，很多時(shí)候，當(dāng)設(shè)計(jì)者彎曲或打破規(guī)則時(shí)，很多EMI情況就產(chǎn)生了。

一旦了解到這些隱藏行為就很容易可以設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠符合要求的產(chǎn)品了。同時(shí)也要考慮到主動(dòng)組件之切換速度所帶來之隱藏行為，其中隱藏著有電感、電容、電阻組件。

當(dāng)信號(hào)傳輸于電路板中的線路時(shí)，介于電線之間的串?dāng)_是明顯的，在高速設(shè)計(jì)中只有接地線是不被所有信號(hào)所推薦，為確認(rèn)每一信號(hào)都擁有自己的返回路徑以降低串?dāng)_源。返回信號(hào)電流是依據(jù)個(gè)別路徑的電感，而流動(dòng)于所有接地路徑之間。于低電感線路中，會(huì)有更多的返回電流，而這些低電感線路被放于靠近信號(hào)線之處，但于外部路徑則較少。 與傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸線相比較，傳統(tǒng)信號(hào)傳輸線僅有一條信號(hào)線，以及電流返回的地線，至于差分信號(hào)傳輸方式，則需有兩條信號(hào)線以及一條電流返回地線。信號(hào)差動(dòng)所衍生的信號(hào)返回電流問題，不僅對(duì)于單一信號(hào)提供有低阻抗的路徑、并也會(huì)限制阻抗。

差分信號(hào)的理論相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單，當(dāng)傳輸兩個(gè)信號(hào)時(shí)，將要傳送的信號(hào)加入于第二個(gè)信號(hào)之后，并使其等于第一個(gè)信號(hào)的負(fù)值，而來自于第一個(gè)信號(hào)是為正的；來自于第二個(gè)信號(hào)的返回電流卻是為負(fù)的。在接收端比較兩個(gè)信號(hào)以決定邏輯的極性，比較的過程中，需要一個(gè)不屬于本地的參考電壓，接地電壓的移位是介于傳送端與接收端之間，以使每一條線有效的等于不同的兩條線所形成的影響。若接地電壓移位于傳送器與接收器之間，可以使差動(dòng)接收無效。 當(dāng)有一差分信號(hào)經(jīng)由連接器傳送時(shí)，應(yīng)保持相鄰腳位的連接，在此方法中，返回信號(hào)電流路徑將會(huì)被覆蓋及取消，也可以將線路緊密結(jié)合并移到印刷電路板之上，串音是來自于不同金屬路線，而它們會(huì)有著干擾的產(chǎn)生，并進(jìn)而產(chǎn)生EMI，這些均是產(chǎn)生于任何兩個(gè)不平衡的傳輸信號(hào)之間，我們稱此不平衡為共模干擾。

若是以雙絞線的電纜來連接差分信號(hào)時(shí)，可以將傳輸效能改進(jìn)，在差分信號(hào)中包含所有于正、負(fù)信號(hào)間形成的閉回路的實(shí)際返回電流，在絞線對(duì)中有一個(gè)信號(hào)線，以及最接近于返回路徑所緊密絞合，當(dāng)有一信號(hào)傳遞延遲沿著絞線對(duì)時(shí)，則有一磁場(chǎng)會(huì)來自于這不同極性對(duì)，來自兩條線的磁場(chǎng)有不同的極性，對(duì)于相同距離的磁場(chǎng)極性則決定于最近的線，當(dāng)這些線互相滾繞，則其磁場(chǎng)極性會(huì)反向，所產(chǎn)生的結(jié)果，為介于相鄰絞線對(duì)的串音是為零，并可確保絞線的電線有相同的方向。

使用絞線對(duì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不同的傳輸時(shí)可以降低電磁場(chǎng)的發(fā)射，對(duì)于個(gè)別信號(hào)流中的大多數(shù)返回電流是在接地線，此是為取消輻射場(chǎng)圖像的方法之一。

在差分方式中，低電壓差分方式信號(hào)發(fā)送(LVDS)因不依賴電源電壓，在信號(hào)產(chǎn)生時(shí)可更快更穩(wěn)定，因此具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。

低振幅的差分信號(hào)還可以改善高速狀態(tài)下的信號(hào)完整性，由于通信界對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量的需求增大，更高的頻率和更大的位寬會(huì)引起傳輸線路的反射和串?dāng)_問題。隨系統(tǒng)負(fù)載增加，系統(tǒng)的阻抗特性會(huì)改變并引起阻抗不匹配，從而造成傳輸線發(fā)送反射信號(hào)，這些反射會(huì)造成位錯(cuò)誤或延長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間，令速度增加時(shí)的時(shí)間分配更為困難。如LVDS等差分方式發(fā)送信號(hào)的技術(shù)能通過接受差分線路的共模噪聲而解決這個(gè)問題，此外，較低振幅的差分技術(shù)可減少反射，因?yàn)榈碗妷赫穹軌蛳拗乒?yīng)給傳輸線路的能量。

4電源需要采取的措施

電源設(shè)計(jì)選擇有助于降低EMI，尤其是濾波器、扼流線圈及控制器頻率的調(diào)變組件，都是降低攜帶型設(shè)備有害輻射的方法。

電源降低EMI的重要設(shè)計(jì)問題是切換器的頻率調(diào)制。頻率調(diào)制可通過在更寬的頻率范圍分散能量而將EMI減至最小。與EMI降低量直接相關(guān)的是調(diào)制電平和調(diào)制速度。頻率調(diào)制可以使用經(jīng)濟(jì)的電感器而不是AC輸入扼流線圈，以滿足EMI極限和規(guī)范要求。

至于在濾波器方面，可以選擇單節(jié)或多節(jié)，單節(jié)濾波器較小型且便宜，但可能出現(xiàn)電路寄生和組件寄生現(xiàn)象，此外，扼流器也是電源領(lǐng)域的重要考慮因素，電源包含橋式整流輸入濾波器，可吸收寬度相當(dāng)窄且峰值相對(duì)較高的電源頻率電流。差勁模式扼流器的最基本形式可以傳輸電源頻率同時(shí)過濾/阻隔高頻傳導(dǎo)發(fā)射的一系列電感器。通常，差動(dòng)模式扼流線圈纏繞在由鐵粉或鐵磁材料制成的螺線管蕊上。共模扼流線圈是設(shè)計(jì)用于共模EMI濾波器的簡(jiǎn)單電感器。這種扼流線圈由兩個(gè)繞制相同的繞組構(gòu)成，以消除差模電流引起的電磁場(chǎng)，環(huán)形扼流線圈是減弱輻射最好的扼流線圈之一。圓環(huán)是一些環(huán)狀成型鐵蕊，帶有穿過環(huán)狀中心的線圈。磁場(chǎng)環(huán)繞鐵蕊的中央運(yùn)動(dòng)，將磁場(chǎng)限制在鐵蕊的內(nèi)部。

當(dāng)一個(gè)EMI問題發(fā)生時(shí)，工程師應(yīng)在邏輯性之分析來探討問題。描述EMI之模式須有三個(gè)元素：能量之源頭、被能量干擾之接受者、在源頭與接受者間之耦合路徑。