PCB設計中的電磁兼容性考慮

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(chēng)EMI）是破壞性電磁能從一個(gè)電子設備通過(guò)輻射或傳導傳到另一個(gè)電子設備的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，EMI特指射頻信號（RF），但電磁干擾可以在所有的頻率范圍內發(fā)生。

電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）是指電氣和電子系統、設備和裝置在設定的電磁環(huán)境中，在規定的安全界限內以設計的等級或性能運行，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)所的所有電磁現象的總和。這表明電磁兼容性一方面指電子產(chǎn)品應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)生的電磁干擾應低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設備的正常工作。

現今的電子產(chǎn)品已經(jīng)由模擬設計轉為數字設計。隨著(zhù)數字邏輯設備的發(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)，并得到設計者和使用者很大的關(guān)注。美國通信委員會(huì )（FCC）在20世紀70年代中后期公布了個(gè)人電腦和類(lèi)似設備的輻射標準，歐共體在其89/336/EEC電磁兼容指導性文件中提出輻射和抗干擾的強制性要求。我國也陸續制定了有關(guān)電磁兼容的國家標準和國家軍用標準，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(xiàn)電干擾和抗擾度測量設備規范”（GB/T6113-1995），“電動(dòng)工具、家用電器和類(lèi)似器具無(wú)線(xiàn)電干擾特性的測量方法和允許值”（GB4343-84）。這些電磁兼容性規范大大推動(dòng)了電子設計技術(shù)并提高了電子產(chǎn)品的可靠性和適用性。

2．EMC在PCB設計中的重要性

隨著(zhù)電子設備的靈敏度越來(lái)越高，并且接受微弱信號的能力越來(lái)越強，電子產(chǎn)品頻帶也越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，并且要求電子設備抗干擾能力越來(lái)越強。一些電器、電子設備工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁波，容易對周?chē)钠渌姎?、電子設備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號的傳輸。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)系統中各種用電設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備的損壞，人們就稱(chēng)這個(gè)系統中的用電設備是相互兼容的。但是隨著(zhù)設備功能的多樣化、結構的復雜化、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。為了使系統達到電磁兼容，必須以系統的電磁環(huán)境為依據，要求每個(gè)用電設備不產(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。只有對每一個(gè)設備都作出這兩個(gè)方面的約束和改進(jìn)，才能保證系統達到完全兼容。

通常認為電磁干擾的傳輸有兩種方式：一種是傳導方式；另一種是輻射方式。在實(shí)際工程中，兩個(gè)設備之間發(fā)生干擾通常包含著(zhù)許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時(shí)存在，反復交叉，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。由于現有的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機的激增，射頻干擾給電子系統造成了很大的威脅。蜂窩電話(huà)、手持無(wú)線(xiàn)電、無(wú)線(xiàn)電遙控單元、尋呼機和其他類(lèi)似設備現在非常普遍。造成有害的干擾并不需要很大的發(fā)生功率。典型的故障出現在射頻場(chǎng)強為1～10V/m的范圍內。在歐洲、北美和很多亞洲國家，避免射頻干擾損壞其他設備已經(jīng)成為對所有產(chǎn)品在法律上的強制性規定。

（2）靜電放電（ESD）?，F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、數以百萬(wàn)計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備永久性的損壞。輻射引起的靜電放電可能引起設備紊亂，工作不正常。

（3）電力干擾。隨著(zhù)越來(lái)越多的電子設備接入電力主干網(wǎng)，系統會(huì )出現一些潛在地干擾。這些干擾包括電力線(xiàn)干擾、電快速瞬變、電涌、電壓變化、閃電瞬變和電力線(xiàn)諧波等。對于高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，這些干擾變得很顯著(zhù)。

（4）自兼容性。一個(gè)系統的數字部分或電路可能干擾模擬設備，在導線(xiàn)之間產(chǎn)生串繞（Crosstalk），或者一個(gè)電機可以引起數字電路的紊亂。

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規范的電子產(chǎn)品不是合格的電子設計。設計產(chǎn)品除了滿(mǎn)足市場(chǎng)功能性要求外，還必須采用適當的設計技術(shù)來(lái)預防或解除EMI的影響。

3．PCB設計的EMC考慮

對于高速PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）設計中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形式，特別是屏蔽系統使得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）內的開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的，這些電流是數字元件產(chǎn)生的副產(chǎn)品。在一個(gè)電源分配系統中每一個(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

不適當的做法通常會(huì )在PCB上引起超出規范的EMI。結合高頻信號的特性，與PCB級的EMI相關(guān)的主要包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）封裝措施使用不適當。如應該用金屬封裝的器件卻用塑料封裝。
　?。?）PCB設計不佳，完成質(zhì)量不高，電纜與接頭的接地不良。
　?。?）不適當甚至錯誤的PCB布局。