基于S3C2440嵌入式系统主板的电磁兼容性设计（1） 电磁辐射, 电子产品, 稳定性, 电子设备, 电磁干扰

我是MT

作者：许凯华，董淑云，刘玉华，胡立祥 华中师范大学

随着电子设备的频率越来越高，世界各国对电子产品电磁辐射标准的执行变得越来越严格，如何保证能在有限时间很好地在设计阶段发现并解决 EMI/EMC问题非常重要，而PCB往往是一个电子系统的核心构成部分，一个经仔细电磁干扰设计的PCB板，能大幅度降低阻抗不匹配、传输线问题、信号互相耦合等现象引发的信号反射、延迟等线路不稳定因素，同时也可达到降低电磁辐射发射干扰，大大提高系统的稳定性和可靠性。本文将以嵌入式系统主板为平台，运用 EMIStream仿真软件，并采用源端串联端接阻抗的方法分析了解决嵌入式高速主板存在的电磁干扰问题。

1 电磁兼容性

1.1 电磁兼容和电磁干扰

电磁兼容(electro magnetic compatibility，EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰(EMI)不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度(EMS)，即电磁敏感性。

电磁干扰(EMI)是指由于电磁骚扰而引起设备、系统或传播通道的性能下降。电磁干扰形成需要3个要素：

(1)电磁干扰源：产生电磁干扰的任何电子设备或自然现象。

(2)耦合途径：将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介。

(3)被干扰的敏感设备：受到电磁干扰的设备。

电磁干扰的耦合途径可分为传导耦合和辐射耦合两种。传导耦合主要是指沿电源线或信号线传输的电磁耦合。电子系统内各设备之间或电子设备内各单元电路之间存在各个连线，如电源线、传递信号的导线，以及公用地线等，这样就可能使一个设备或单元电路的电磁能量沿着这类导线传输到其他设备和单元电路，从而造成干扰;辐射耦合是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。干扰源的电源电路、输入/输出信号电路和控制电路等导线在一定条件下都可以构成辐射天线。若干扰源的外壳流过高频电流时，则该外壳本身也成为辐射天线。在PCB电路板中，电磁能通常存在两种形式，差模EMI和共模EMI。

1.2 电磁干扰的危害

(1)对电子系统、设备的危害。电磁干扰有可能使系统或设备的性能发生有限度的降级，甚至可能使系统或设备失灵，干扰严重时会使系统或设备发生故障或损坏。

(2)对武器装备的危害。现代的无线电发射机和雷达能产生很强的电磁辐射场。这种辐射场能引起装在武器装备系统中的灵敏电子引爆装置失控而过早启动;对制导导弹会导致偏离飞行弹道和增大距离误差;对飞机会引起操作系统失稳，航向不准，高度显示出错，雷达天线跟踪位置偏移等。

(3)电磁能对人体的危害。电磁辐射能一旦进入人体细胞组织就要引起生物效应，即局部热效应和非热效应。电磁辐射引起人体病变症状有：头晕、乏力、记忆力减退、心悸、多汗、脱发和睡眠障碍等。

因此，电磁辐射已成为必须予以控制的环境污染内容之一，许多国家都已制订了《电磁波照射卫生标准》。

1.3 EMC的标准和规范

(1)国际级，例如IEC标准;

(2)分会议级，例如CISPR出版物;

(3)CE级，例如欧洲协调标准EN;

(4)国家级，例如国家GB，FCC等;

(5)军用标准，例如国家军标GJB，美军标MIL。

2 嵌入式系统主板电磁兼容性设计

2.1 嵌入式系统主板

2.1.1 主板框图

该设计研究的嵌入式系统是基于Samgsung S3C2440处理器的10层主板，系统主频高达400 MHz，硬件配置有2颗64 MB的SDRAM，128 MB NAND FLASH，与CPU通信时，数据传输频率高达133 MHz，同时还配置有LCD触摸屏、Sensor图像采集模块、GPS模块、GPRS无线通信模块，以满足系统功能上的需求，主板框图如图1所示。



2.1.2 主板存在的电磁干扰

在系统中，S3C2440的片内工作频率FCLK可高达400 MHz，因此在PCB设计过程中，应该遵循高频电路设计的基本原则。首先应注意电源的抗干扰设计，其次要注意信号线的布线技术，尤其是关注时钟信号线、数据线和地址线。

2.2 电源的抗干扰设计

电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线、中断线，以及其他一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，不仅电池供电系统有高频噪声，电池本身也有高频噪声，而且模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。

嵌入式芯片S3C2440的内核所需的直流电源电压为1.3 V，I/O模块及SDRAM的电源电压为3.3 V。在电路设计时，一定要考虑电源的抗干扰技术。一般应在电源进入PCB的位置和靠近各器件的电源引脚处加上几十微法到几百微法的电容器，以滤除电源噪声。还要注意在器件的电源与地之间加上0.1μF左右的电容器，以使能够有效地抑制在电源线上传导的高频干扰，克服干扰信号对系统工作的影响。

2.3 共模差模EMI产生机理

2.3.1 共模EMI产生机理

共模干扰通常指两根信号线上产生的幅度相等、相位相同的噪声。共模干扰的特点是干扰的大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地或中线对大地间。共模干扰也称为纵模干扰、不对称干扰或接地干扰辐射。是载流体与大地之间的干扰。

共模计算公式为：



式中：Ic表示电流强度;f表示共模电流的频率;L表示电缆线长度;d表示测量天线到电缆的距离。

共模辐射是EMI中最主要的一种辐射干扰，通俗地说，是由于电路板地的“不平整”导致，或者连接线连接两处的电位的高低差而导致连接线变成了辐射天线。然而电路板常常是由于地阻抗而引起电位的高低不平，从而能量由高到底有了辐射出来的条件。所以在电路设计与PCB排版时要特别注意PCB的地阻抗问题，从而更多地减小其产生的干扰。