合格的工程師都要弄清楚PCB電路設(shè)計(jì)的電磁兼容性問(wèn)題

 1.電磁兼容的一般概念

考慮電磁兼容的根本原因在于電磁干擾的存在。電磁干擾(Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱EMI)是破壞性電磁能從一個(gè)電子設(shè)備通過(guò)輻射或傳導(dǎo)傳到另一個(gè)電子設(shè)備的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，EMI特指射頻信號(hào)(RF)，但電磁干擾可以在所有的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC)是指電氣和電子系統(tǒng)、設(shè)備和裝置在設(shè)定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設(shè)計(jì)的等級(jí)或性能運(yùn)行，而不會(huì)由于電磁干擾引起損壞或不可接受到性能惡化的能力。這里所說(shuō)的電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。這表明電磁兼容性一方面指電子產(chǎn)品應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力;另一方面，該電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設(shè)備的正常工作。

現(xiàn)今的電子產(chǎn)品已經(jīng)由模擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為數(shù)字設(shè)計(jì)。隨著數(shù)字邏輯設(shè)備的發(fā)展，與EMI和EMC相關(guān)的問(wèn)題開(kāi)始成為產(chǎn)品的焦點(diǎn)，并得到設(shè)計(jì)者和使用者很大的關(guān)注。美國(guó)通信委員會(huì)(FCC)在20世紀(jì)70年代中后期公布了個(gè)人電腦和類似設(shè)備的輻射標(biāo)準(zhǔn)，歐共體在其89/336/EEC電磁兼容指導(dǎo)性文件中提出輻射和抗干擾的強(qiáng)制性要求。我國(guó)也陸續(xù)制定了有關(guān)電磁兼容的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，例如“電磁兼容術(shù)語(yǔ)”(GB/T4365-1995)，“電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)”(GJB72-85)，“無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范”(GB/T6113-1995)，“電動(dòng)工具、家用電器和類似器具無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法和允許值”(GB4343-84)。這些電磁兼容性規(guī)范大大推動(dòng)了電子設(shè)計(jì)技術(shù)并提高了電子產(chǎn)品的可靠性和適用性。

2.EMC在PCB設(shè)計(jì)中的重要性

隨著電子設(shè)備的靈敏度越來(lái)越高，并且接受微弱信號(hào)的能力越來(lái)越強(qiáng)，電子產(chǎn)品頻帶也越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，并且要求電子設(shè)備抗干擾能力越來(lái)越強(qiáng)。一些電器、電子設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁波，容易對(duì)周?chē)钠渌姎?、電子設(shè)備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號(hào)的傳輸。另外，過(guò)度的電磁干擾會(huì)形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。

如果在一個(gè)系統(tǒng)中各種用電設(shè)備能夠正常工作而不致相互發(fā)生電磁干擾造成性能改變和設(shè)備的損壞，人們就稱這個(gè)系統(tǒng)中的用電設(shè)備是相互兼容的。但是隨著設(shè)備功能的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、功率的加大和頻率的提高，同時(shí)它們的靈敏度也越來(lái)越高，這種相互兼容的狀態(tài)越來(lái)越難獲得。為了使系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容，必須以系統(tǒng)的電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個(gè)用電設(shè)備不產(chǎn)生超過(guò)一定限度的電磁發(fā)射，同時(shí)又要求它本身要具備一定的抗干擾能力。只有對(duì)每一個(gè)設(shè)備都作出這兩個(gè)方面的約束和改進(jìn)，才能保證系統(tǒng)達(dá)到完全兼容。

通常認(rèn)為電磁干擾的傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)方式;另一種是輻射方式。在實(shí)際工程中，兩個(gè)設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因?yàn)槎喾N途徑的耦合同時(shí)存在，反復(fù)交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電磁干擾變得難以控制。

常見(jiàn)的電磁干擾主要有以下幾種：

(1)射頻干擾。由于現(xiàn)有的無(wú)線電發(fā)射機(jī)的激增，射頻干擾給電子系統(tǒng)造成了很大的威脅。蜂窩電話、手持無(wú)線電、無(wú)線電遙控單元、尋呼機(jī)和其他類似設(shè)備現(xiàn)在非常普遍。造成有害的干擾并不需要很大的發(fā)生功率。典型的故障出現(xiàn)在射頻場(chǎng)強(qiáng)為1～10V/m的范圍內(nèi)。在歐洲、北美和很多亞洲國(guó)家，避免射頻干擾損壞其他設(shè)備已經(jīng)成為對(duì)所有產(chǎn)品在法律上的強(qiáng)制性規(guī)定。

(2)靜電放電(ESD)。現(xiàn)代芯片工藝已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，在很小的幾何尺寸(0.18um)上元件已經(jīng)變得非常密集。這些高速的、數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管微處理器的靈敏性很高，很容易受到外界靜電放電影響而損壞。放電可以是直接或輻射的方式引起。直接接觸放電一般引起設(shè)備永久性的損壞。輻射引起的靜電放電可能引起設(shè)備紊亂，工作不正常。

(3)電力干擾。隨著越來(lái)越多的電子設(shè)備接入電力主干網(wǎng)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一些潛在地干擾。這些干擾包括電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓變化、閃電瞬變和電力線諧波等。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，這些干擾變得很顯著。

(4)自兼容性。一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字部分或電路可能干擾模擬設(shè)備，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生串繞(Crosstalk)，或者一個(gè)電機(jī)可以引起數(shù)字電路的紊亂。

另外，一個(gè)在低頻可以正常工作的電子產(chǎn)品，當(dāng)頻率升高時(shí)會(huì)遇到一些低頻所沒(méi)有的問(wèn)題。比如反射、串繞、地彈、高頻噪聲等。

一個(gè)不符合EMC規(guī)范的電子產(chǎn)品不是合格的電子設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)產(chǎn)品除了滿足市場(chǎng)功能性要求外，還必須采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)預(yù)防或解除EMI的影響。

3.PCB設(shè)計(jì)的EMC考慮

對(duì)于高速PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)設(shè)計(jì)中EMI問(wèn)題，通常有兩種方法解決：一種是抑制EMI的影響，另一種是屏蔽EMI的影響。這兩種方式有很多不同的表現(xiàn)形式，特別是屏蔽系統(tǒng)使得EMI影響電子產(chǎn)品的可能性降到了最低。

射頻(RF)能量是由印制電路板(PCB)內(nèi)的開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的，這些電流是數(shù)字元件產(chǎn)生的副產(chǎn)品。在一個(gè)電源分配系統(tǒng)中每一個(gè)邏輯狀態(tài)的改變都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的電涌，大多數(shù)情況下，這些邏輯狀態(tài)的改變不會(huì)產(chǎn)生足夠的接地噪聲電壓造成任何功能性的影響，但當(dāng)一個(gè)元件的邊沿速率(上升時(shí)間和下降時(shí)間)變得相當(dāng)快的時(shí)候便會(huì)產(chǎn)生足夠的射頻能量影響其他的電子元件的正常工作。

3.1 PCB上電磁干擾產(chǎn)生的原因

不適當(dāng)?shù)淖龇ㄍǔ?huì)在PCB上引起超出規(guī)范的EMI。結(jié)合高頻信號(hào)的特性，與PCB級(jí)的EMI相關(guān)的主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)封裝措施使用不適當(dāng)。如應(yīng)該用金屬封裝的器件卻用塑料封裝。

(2)PCB設(shè)計(jì)不佳，完成質(zhì)量不高，電纜與接頭的接地不良。

(3)不適當(dāng)甚至錯(cuò)誤的PCB布局。

包括時(shí)鐘和周期信號(hào)走線設(shè)定不當(dāng);PCB的分層排列及信號(hào)布線層設(shè)置不當(dāng);對(duì)于帶有高頻RF能量分布成分的選擇不當(dāng);共模與差模濾波考慮不足;接地環(huán)路引起RF和地彈;旁路和去耦不足等等。

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的EMI抑制，通常需要一些適當(dāng)?shù)姆椒ǎ哼@主要包括屏蔽、襯墊、接地、濾波、去耦、適當(dāng)布線、電路阻抗控制等。

3.2 電磁兼容的屏蔽設(shè)計(jì)

現(xiàn)今的電子產(chǎn)業(yè)界已愈來(lái)愈注意到SE/EMC(Shielding Effectiveness，SE，隔離室屏蔽效益)的需求，而隨著更多電子組件的使用，電磁兼容性亦更受到關(guān)切。電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來(lái)控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播電方法。通常包括兩種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。

EMI屏蔽可使產(chǎn)品簡(jiǎn)單且有效的符合EMC的規(guī)范，當(dāng)頻率在10MHz以下時(shí)電磁波大多為傳導(dǎo)的形式，而較高頻率的電磁波則多為輻射的形式。設(shè)計(jì)時(shí)可以采用單層實(shí)心屏蔽材料、多層實(shí)心屏蔽材料、雙重屏蔽或者雙重以上屏蔽等新型材料進(jìn)行EMI屏蔽。對(duì)于低頻的電磁干擾需要用厚的屏蔽層，最合適的是使用磁導(dǎo)率高的材料或磁性材料，如鎳銅合金等，以獲得最大的電磁吸收損耗，而對(duì)于高頻電磁波可使用金屬屏蔽材料。

在實(shí)際的EMI屏蔽中，電磁屏蔽效能很大程度上取決于機(jī)箱的物理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱上的接縫以及開(kāi)口都是電磁波的泄漏源。而且，穿過(guò)機(jī)箱的電纜也是造成屏蔽效能下降到主要原因。機(jī)箱上開(kāi)口的電磁泄漏與開(kāi)口的形狀、輻射源的特性和輻射源到開(kāi)口處的距離相關(guān)。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)開(kāi)口尺寸和輻射源到開(kāi)口的距離能夠改善屏蔽效能。通常解決機(jī)箱縫隙電磁泄漏的方式是在縫隙處用電磁密封襯墊。電磁密封襯墊是一種導(dǎo)電的彈性材料，它能夠保持縫隙處的導(dǎo)電連續(xù)性。常見(jiàn)的電磁密封襯墊有：導(dǎo)電橡膠(在橡膠中摻入導(dǎo)電顆粒，使這種復(fù)合材料既具有橡膠的彈性，又具有金屬的導(dǎo)電性。)、雙重導(dǎo)電橡膠(它不是在橡膠所有部分摻入導(dǎo)電顆粒，這樣獲得的好處是既最大限度地保持了橡膠的彈性，又保證了導(dǎo)電性)、金屬編織網(wǎng)套(以橡膠為芯的金屬編織網(wǎng)套)、螺旋管襯墊(用不銹鋼、鈹銅或鍍錫鈹銅卷成的螺旋管)等。另外，當(dāng)對(duì)通風(fēng)量要求比較高時(shí)，必須使用截至波導(dǎo)通風(fēng)板，這種板相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，對(duì)高于某一頻率的電磁波不衰減通過(guò)，但對(duì)于低于這一頻率的電磁波則進(jìn)行很大的衰減，合理應(yīng)用截至波導(dǎo)的這種特性可以很好的屏蔽EMI的干擾。

3.3 電磁兼容的合理PCB設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們正在從事100MHZ以上的電路設(shè)計(jì)，總線的工作頻率也已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)50MHZ，有的甚至超過(guò)100MHZ。當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)的完整性問(wèn)題;而當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到120MHz時(shí)，除非使用高速電路設(shè)計(jì)知識(shí)，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無(wú)法工作。因此，高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采取的設(shè)計(jì)手段。只有通過(guò)使用高速電路設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的可控性。

通常認(rèn)為如果數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或者超過(guò)45MHZ~50MHZ，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)電子系統(tǒng)一定的份量(比如說(shuō)1/3)，就稱為高速電路。實(shí)際上，信號(hào)邊沿的諧波頻率比信號(hào)本身的頻率高，是信號(hào)快速變化的上升沿與下降沿(或稱信號(hào)的跳變)引發(fā)了信號(hào)傳輸?shù)姆穷A(yù)期結(jié)果。要實(shí)現(xiàn)符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的高頻PCB設(shè)計(jì)，通常需要采用以下技術(shù)：包括旁路與去耦、接地控制、傳輸線控制、走線終端匹配等。

(1)旁路與去耦

去耦是指去除在器件切換時(shí)從高頻器件進(jìn)入到配電網(wǎng)絡(luò)中的RF能量，而旁路則是從元件或電纜中轉(zhuǎn)移不想要的共模RF能量。

所有的電容器都是由LCR電路組成，其中L是電感，它與導(dǎo)線長(zhǎng)度有關(guān)，R是導(dǎo)線中的電阻，C是指電容。在某一頻率上，該LC串聯(lián)組合將產(chǎn)生諧振。在諧振狀態(tài)下，LCR電路將有非常小的阻抗和有效的RF旁路。當(dāng)頻率高于電容的自諧振時(shí)，電容器漸變?yōu)楦行宰杩?，同時(shí)旁路或去藕效果下降。因此，電容器實(shí)現(xiàn)旁路與去耦的效果受引線長(zhǎng)度，以及電容器與器件間的走線、介質(zhì)填料等的影響。理想的去耦電容器還可以提供邏輯裝置狀態(tài)切換時(shí)所需的所有電流，實(shí)際上是電源和接地層間的阻抗決定電容器能夠提供的電流的多少。

當(dāng)選擇旁路和去耦電容時(shí)，可通過(guò)邏輯系列和所使用的時(shí)鐘速度來(lái)計(jì)算所需電容器的自諧振頻率，根據(jù)頻率以及電路中的容抗來(lái)選擇電容值。在選擇封裝尺度是盡量選擇更低引線電感的電容，這通常表現(xiàn)為SMT(Surface Mount Technology)電容器，而不選擇通孔式電容器(如DIP封裝的電容器)。另外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，也常常采用并聯(lián)去耦電容來(lái)提供更大的工作頻帶，減少接地不平衡。在并聯(lián)電容系統(tǒng)中，當(dāng)高于自諧振頻率時(shí)，大電容表現(xiàn)感性阻抗并隨頻率增大而增加;而小電容則表現(xiàn)為容性阻抗并隨頻率增加而減少，而且此時(shí)整個(gè)電容電路的阻抗比單獨(dú)一個(gè)電容時(shí)的阻抗要小。