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印刷电路板(PCB)的EMI抑制知识
日常生活中,我们常常可以看到这样的现象,当把手机放置在音箱旁,接电话的时候,音箱里面会发出吱吱的声音,或者当我们在测试一块电路板上的波形时,忽然接到同事的电话,会发现接电话瞬间我们示波器上的波形出现变形,这些都是电磁干扰的特征。电磁干扰不但会影响系统的正常工作,还可能给电子电器造成损坏,甚至对人体也有害处,因此尽可能降低电磁干扰已经成为大家关注的一个焦点,诸如FCC、CISPR、VCCI等电磁兼容标准的出台开始给电子产品的设计提出了更高的要求。虽然人们对电磁兼容性的研究要远远早于信号完整性理论的提出,但作为高速设计一部分,我们习惯地将EMI问题也列入信号完整性分析的一部分。本章将全面分析电磁干扰和电磁兼容的概念、产生及抑制,重点针对高速PCB的设计。
4.1 EMI/EMC的基本概念
电磁干扰即EMI(EleCTRomagnetIC Interference),指系统通过传导或者辐射,发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为所有的电子产品都会不可避免地产生一定的电磁干扰,为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力,人们提出了电磁兼容这个概念。美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992都提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。对于电磁兼容性,必须满足三个要素:
1. 电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如,大的,一个房间甚至宇宙;小的,可以是一块集成电路板。 2. 电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体。 3. 必须存在一定的媒体(耦合途径)将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间,也可以是公共电网或者公共阻抗。 对于EMI,可以按照电磁干扰的途径(详细的分类参见附录一)来分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果骚扰源不是处在一个全封闭的金属外壳内,它就可以通过空间向外辐射电磁波,其辐射场强取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效阻抗,以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳带有缝隙与孔洞,则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时,则可形成干扰子辐射源向四周辐射,辐射场中金属物还可以形成二次辐射;传导干扰,顾名思义,骚扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射,也可以通过公共阻抗耦合,或接地回路耦合,将干扰带入其他电路,传导干扰是电磁干扰的一种重要形式;感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径,当骚扰源的频率较低时,骚扰电源的辐射能力有限。同时骚扰又不直接与其他导体连接,此时电磁骚扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合,将电磁能转移到其他导体上去,在邻近导体内感应出骚扰电流或者电压。感应耦合可以通过导体间的电容耦合的形式出现,也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。
4.2 EMI的产生
我们来分析一下EMI的产生,忽略自然干扰的影响,在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。
4.2.1 电压瞬变
对于电磁干扰的分析,可以从电磁能量外泄方面来考虑,如果器件向外泄露的能量越少,我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说,产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道,数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的,而是融合了很多高次谐波分量,这些谐波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定,信号上升和下降速率越快,即开关频率越高,则产生的能量越多。所以,如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变,将会产生严重的电磁辐射,这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常,高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算:
F=1/πTr
F为开关电路产生的最高EMI频率,单位为GHz,Tr为信号的上升时间或者下降时间,单位为ns。比如,对于上升时间为1ns左右的器件,那么它所产生的最高EMI频率将为350MHz,而如果上升时间降为为500ps,那么它的最高EMI发射频率将为700MHz,远远高于系统正常的工作频率,这将会在一定程度上影响周围其他系统的正常工作。显然,如果能减缓信号的上升沿,将会在很大程度上减少EMI,但是随着电子设计和芯片制造水平的发展,器件总是朝着高速方向发展,单一的降低信号开关速率显然是不现实的。但我们却可以通过降低信号电压来达到同样的目的,因为在相同的时间内,低电压器件需要跨越的逻辑门电压幅度较小,就同样减缓器件的上升沿速率,所以低电压器件也是高速电路发展的趋势。
4.2.2信号的回流
任何信号的传输都存在一个闭环的回路,当电流从驱动端流入接收端的时候,必然会有一个回流电流通过与之相邻的导体从接收端回流至驱动端,构成一个闭合的环路,而环路的大小却和EMI的产生有着很大的关系,我们都知道,每一个环路都可以等效为一个天线,环路数量或者面积越大,引起的EMI也越强。我们知道,交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端,但实际情况中,信号不可能始终保持如图1-4-1所示的理想路径,特别是在高密度布线的PCB板上,过孔,缝隙等都可能降低参考平面理想的特性,而是表现为更复杂的回流形式 |
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