硬件電路設(shè)計(jì)的EMC簡(jiǎn)單考慮

EMC問題三要素

開關(guān)電源及數(shù)字設(shè)備由于脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波，因此會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射。電磁干擾包括輻射型(高頻) EMI、傳導(dǎo)型(低頻)EMI，即產(chǎn)生EMC問題主要通過兩個(gè)途徑:一個(gè)是空間電磁波干擾的形式;另一個(gè)是通過傳導(dǎo)的形式，換句話說，產(chǎn)生EMC問題的三個(gè)要素是：電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。輻射干擾主要通過殼體和連接線以電磁波形式污染空間電磁環(huán)境;傳導(dǎo)干擾是通過電源線騷擾公共電網(wǎng)或通過其他端子(如：射頻端子，輸入端子)影響相連接的設(shè)備。

傳導(dǎo)、輻射

騷擾源-----------------------------(途徑)------------------------------ 敏感受體

近場(chǎng)耦合

IT、AV設(shè)備可能的騷擾源

A) FM接收機(jī)、TV接收機(jī)本機(jī)振蕩，基波及諧波由高頻頭、本機(jī)振蕩電路產(chǎn)生;

B) 開關(guān)電源的開關(guān)脈沖及高次諧波，同步信號(hào)方波及高頻諧波，行掃描顯像電路產(chǎn)生的行、場(chǎng)信號(hào)及高頻諧波;

C) 數(shù)字電路工作需要的各種時(shí)鐘信號(hào)及高頻諧波、以及它們的組合，各種時(shí)鐘如CPU芯片工作時(shí)鐘、MPEG解碼器工作時(shí)鐘、視頻同步時(shí)鐘(27MHz，16.9344MHz ，40.5MHz)等;

D) 數(shù)字信號(hào)方波及高頻諧波，晶振產(chǎn)生的高次諧波，非線性電路現(xiàn)象(非線性失真、互調(diào)、飽和失真、截止失真)等引起的無用信號(hào)、雜散信號(hào);

E) 非正弦波波形，波形毛剌、過沖、振鈴，電路設(shè)計(jì)存在的寄生頻率點(diǎn)。

F) 對(duì)于敏感受體通過耦合途徑接受的外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化和各種電磁場(chǎng)。

電磁騷擾的特性

① 單位脈沖的頻譜最寬;

② 頻譜中低頻含量取決于脈沖的面積，高頻分量取決于脈沖前后沿的陡度;

③ 晶體振蕩電平必須滿足一定幅度, 數(shù)字電路才能按一定的時(shí)序工作，使晶振產(chǎn)生的騷擾呈現(xiàn)覆蓋帶

寬、騷擾電平高的特點(diǎn);

④ 收發(fā)天線極化、方向特性相同時(shí)，EMI輻射和接受最嚴(yán)重;收發(fā)天線面積越大, EMI危害逾大;

⑤ 騷擾途徑：輻射，傳導(dǎo)，耦合和輻射、傳導(dǎo)、耦合的組合。

⑥ 電源線傳導(dǎo)騷擾主要由共模電流產(chǎn)生;

⑦ 輻射騷擾主要由差模電流形成的環(huán)路產(chǎn)生。

一般來說，EMC設(shè)計(jì)可分五個(gè)層次。以下為五個(gè)層次EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1)的方案選擇、主要部件、集成電路的選型、電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

對(duì)于產(chǎn)品的成功與否，第一層次設(shè)計(jì)是最基本、最重要的，任何錯(cuò)誤都意味著該產(chǎn)品項(xiàng)目徹底失敗。這一層主要EMC考慮體現(xiàn)在：

a) 方案選擇、主要部件、集成電路的選型主要考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力，盡量選用本身發(fā)射小的芯片，如翻轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、工作速率低的器件，多地線腳的芯片(芯片實(shí)質(zhì)就是集成度較高的電路模塊，封裝時(shí)多裝地線腳，可以減小高速差模電流環(huán)面積S，相應(yīng)地減小芯片的發(fā)射);避免使用大功率、高損耗器件，它們往往是大的輻射源;

b) 保證所選器件不工作在非線性區(qū)，以免產(chǎn)生諧波分量成為干擾源。

c) 電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除考慮減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力外，主要考慮電源電路防外部騷擾包括浪涌、快速脈沖群、靜電、電壓跌落、電壓變化等;

d) 電路設(shè)計(jì)或方案應(yīng)不使數(shù)字信號(hào)波形產(chǎn)生過沖，應(yīng)使無用的諧波振蕩幅度最小，使無用的高次諧波成分最少，避免引發(fā)強(qiáng)烈的電磁騷擾;

e) 對(duì)集總參數(shù)電路，增加阻尼、 減小Q值，防止振蕩;

2)PCB的EMC設(shè)計(jì);

對(duì)于產(chǎn)品的成功與否， PCB的EMC設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。PCB設(shè)計(jì)不合理，會(huì)產(chǎn)生無法補(bǔ)救的后果;

PCB良好的EMC設(shè)計(jì)，有事半功倍的效果。PCB的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下內(nèi)容：

a) 盡量減小所有的高速信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)線構(gòu)成的環(huán)路面積，連接線要盡可能短，并使信號(hào)線緊鄰地回路;

b) 使用小型化器件和多層線路板，多層印制板可緊縮布線空間，高頻特性好，容易實(shí)現(xiàn)EMC;

c) 印制板層數(shù)選擇考慮關(guān)鍵信號(hào)的屏蔽和隔離要求，先確定所需信號(hào)層數(shù)，然后考慮成本的前提下，增加地平面和電源層是PCB EMC設(shè)計(jì)最好的措施之一;

d) 印制板分層原理與布置印刷電路、布置排線的原理一樣，元件面下面為地平面，關(guān)鍵電源平面與其對(duì)應(yīng)的地平面相鄰，相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不跨區(qū)，所有的信號(hào)層特別是高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)與地平面相鄰，盡量避免兩信號(hào)層相鄰;

e) 個(gè)別電源層、地層不能作為一個(gè)連續(xù)的平面時(shí)，采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng)，有效減小電流環(huán)路面積，減小公共阻抗R，加大信號(hào)與地層分布電容;

f) 線路板布線設(shè)計(jì)時(shí)順序考慮：電源和地/時(shí)鐘線/信號(hào)線，布線應(yīng)該短、直、粗、勻，不要直角和突變，不應(yīng)有“之”字形，用圓角代替尖銳走線，盡可能加寬電源和地的布線，電源和地層的分割，盡量符合微帶線和帶狀線要求;

g) 走線盡可能遠(yuǎn)離騷擾源，布線考慮鐵氧體材料的使用，預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減;

3)電與接地、高速信號(hào)線路及內(nèi)部線纜的EMC設(shè)計(jì);

PCB的EMC設(shè)計(jì)中也提到供電與接地、高速信號(hào)線路的EMC設(shè)計(jì)，此外，還應(yīng)遵循以下內(nèi)容：

a)芯片間使用低阻抗地連接(地平面)，不同芯片供電腳間阻抗盡量小，芯片供電腳(意思是離芯片供電腳很近的供電線上)與地間接高頻旁路電容，供電布線預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減;

b) 布線、I/O排線的核心原則就是減小電流環(huán)面積S,布置排線的原理與印制板分層原理一樣，關(guān)鍵電源線與其對(duì)應(yīng)的地線相鄰，所有的信號(hào)層特別是高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)線與地線相鄰，盡量避免兩信號(hào)線相鄰;

c) 為避免接地線長(zhǎng)度過長(zhǎng)(接近λ/4)，可采用多點(diǎn)就近接地，接地線高頻阻抗要小;

d) 減小電纜的天線效應(yīng)及減小偶極子天線效應(yīng)，跨線、I/O排線采用屏蔽性能好的線纜，內(nèi)導(dǎo)線采用多股雙絞線，使空間場(chǎng)互抵，屏蔽層可作為回線;

e) 機(jī)內(nèi)采用屏蔽線防止感應(yīng)噪聲;

f) 濾波器的輸入輸出線應(yīng)拉開距離，忌并行走線，以免影響濾波效果;

h) I/O接口注意高速電路阻抗匹配，減小、消除反射;

4) 屏蔽設(shè)計(jì);

屏蔽好的要求有三：完整的電連續(xù)體;濾波措施;良好的接地。

對(duì)于信息技術(shù)IT類設(shè)備,當(dāng)主板及配置選定的情況下,提高整機(jī)的屏蔽效果和各個(gè)部分的隔離效果非常重要，尤其個(gè)人計(jì)算機(jī)和液晶顯示器。這里只說屏蔽設(shè)計(jì):

a)計(jì)算機(jī)機(jī)殼內(nèi)騷擾場(chǎng)強(qiáng)較大，機(jī)殼塑料部分未涂導(dǎo)電材料或所涂導(dǎo)電材料不佳，機(jī)箱有孔洞、縫隙，不

是一個(gè)完整電連續(xù)體，進(jìn)出線濾波不好，最終都可導(dǎo)致輻射騷擾超出限值。機(jī)箱為了更好屏蔽電磁輻射，既能照顧到機(jī)箱的散熱需求，又能有效地防止電磁波的衍射，開孔尺寸一般不超過4mm;

b) 根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，端口、通風(fēng)孔、孔洞、連接縫隙的屏蔽性都是值得考

慮的因素;

c) 液晶顯示器為了更好屏蔽電磁輻射可以采用噴涂導(dǎo)電材料的外殼(接縫處要噴涂導(dǎo)電材料);

d) 為了將輻射減到最小，盡量使用通過了CQC (EMC方面)自愿認(rèn)證的機(jī)箱;

e) 為保證機(jī)箱的密封性，要使用精密模具沖壓成型，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膹楛c(diǎn)和卷邊;

f) 變壓器加靜電屏蔽及接地等

5)輸入/輸出的濾波設(shè)計(jì)

電源線濾波和信號(hào)線濾波的重要性并不亞于機(jī)箱屏蔽，濾波關(guān)鍵是針對(duì)EMC要求，兼顧達(dá)標(biāo)和經(jīng)濟(jì)的原則。在I/O接口部位，一般采用高頻濾波效果好、安裝簡(jiǎn)單的濾波連接器。在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸波作用。設(shè)計(jì)或使用信號(hào)線濾波器時(shí)，濾波器的截止頻率須高于電纜上要傳輸?shù)男盘?hào)頻率。

a)傳導(dǎo)騷擾問題處理的方法主要是低通濾波。在1MHz以上時(shí)，傳導(dǎo)發(fā)射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的，須綜合運(yùn)用抑制傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施，如屏蔽、去耦和濾波;

右圖是一個(gè)高性能電源濾波電路，有二級(jí)共模和一級(jí)差模濾波，共模和差模騷擾抑制能力較強(qiáng)，適用于要求抑制較強(qiáng)騷擾發(fā)射的場(chǎng)合。

b)濾波電路的衰減性能與源和負(fù)載的阻抗關(guān)系很大，失配越大，濾波器衰減電磁騷擾的效果越好。大多數(shù)情況下，電源線表現(xiàn)為低阻抗，則濾波器的輸入端應(yīng)為高阻抗。另一方面，設(shè)備既可能為高阻抗，也可能為低阻抗。對(duì)于線性電源高阻抗，為獲得阻抗失配，負(fù)載端應(yīng)設(shè)計(jì)為低阻抗。對(duì)于開關(guān)電源和同步電機(jī)這樣的低阻抗設(shè)備，負(fù)載端設(shè)計(jì)為高阻抗。

c) 減共模和差模電容，加減共模和差模線圈，調(diào)整電容參數(shù)和線圈匝數(shù)，共模和差模插入損耗對(duì)頻率的曲線都可改變。濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流。它主要取決于連接在相線與地和中線與地間的共模電容。

共模電容的容量越大，共模阻抗越小，共模騷擾抑制效果越好，但安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定泄漏電流不能過大。

d) 電源濾波器安裝位置應(yīng)靠近電源線入口處，如能做成與接口一體化更好。對(duì)于金屬屏蔽機(jī)箱，選用獨(dú)立電源屏蔽濾波器，安裝在電源線入口處，并確保濾波器外殼與設(shè)備機(jī)箱(地)良好電接觸，這樣的效果是最好的。濾波器接地通常固定在電纜出口處的公共地金屬構(gòu)件上。