PCB設計中的EMC/EMI控制技術(shù)

引言

隨著(zhù)IC 器件集成度的提高、設備的逐步小型化和器件的速度愈來(lái)愈高，電子產(chǎn)品中的EMI問(wèn)題也更加嚴重。從系統設備EMC /EMI設計的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，在設備的PCB設計階段處理好EMC/EMI問(wèn)題，是使系統設備達到電磁兼容標準最有效、成本最低的手段。本文介紹數字電路PCB設計中的EMI控制技術(shù)。

1 EMI的產(chǎn)生及抑制原理

EMI的產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的。它包括經(jīng)由導線(xiàn)或公共地線(xiàn)的傳導、通過(guò)空間輻射或通過(guò)近場(chǎng)耦合三種基本形式。EMI的危害表現為降低傳輸信號質(zhì)量，對電路或設備造成干擾甚至破壞，使設備不能滿(mǎn)足電磁兼容標準所規定的技術(shù)指標要求。

為抑制EMI，數字電路的EMI設計應按下列原則進(jìn)行：

●根據相關(guān)EMC/EMI技術(shù)規范，將指標分解到單板電路，分級控制。

●從EMI的三要素即干擾源、能量耦合途徑和敏感系統這三個(gè)方面來(lái)控制，使電路有平坦的頻響，保證電路正常、穩定工作。

●從設備前端設計入手，關(guān)注EMC/EMI設計，降低設計成本。

2 數字電路PCB的 EMI控制技術(shù)

在處理各種形式的EMI時(shí)，必須具體問(wèn)題具體分析。在數字電路的PCB設計中，可以從下列幾個(gè)方面進(jìn)行EMI控制。

2.1 器件選型

在進(jìn)行EMI設計時(shí)，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時(shí)間為5ns的器件換成上升時(shí)間為2.5ns的器件，EMI會(huì )提高約4倍。EMI的輻射強度與頻率的平方成正比，最高EMI頻率(fknee)也稱(chēng)為EMI發(fā)射帶寬，它是信號上升時(shí)間而不是信號頻率的函數：fknee =0.35/Tr (其中Tr為器件的信號上升時(shí)間)

這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz，在這個(gè)頻段上，波長(cháng)很短，電路板上即使非常短的布線(xiàn)也可能成為發(fā)射天線(xiàn)。當EMI較高時(shí)，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應盡量使用低速芯片，采用合適的驅動(dòng)/接收電路。另外，由于器件的引線(xiàn)管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設計中，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產(chǎn)生EMI輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數小于QFP 封裝。

2.2 連接器的選擇與信號端子定義

連接器是高速信號傳輸的關(guān)鍵環(huán)節，也是易產(chǎn)生EMI的薄弱環(huán)節。在連接器的端子設計上可多安排地針，減小信號與地的間距，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號環(huán)路面積，提供低阻抗 回流通路。必要時(shí)，要考慮將一些關(guān)鍵信號用地針隔離。

2.3 疊層設計

在成本許可的前提下，增加地線(xiàn)層數量，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射。對于高速PCB，電源層和地線(xiàn)層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。

2.4 布局

根據信號電流流向，進(jìn)行合理的布局，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵。布局的基本原則是：

●模擬信號易受數字信號的干擾，模擬電路應與數字電路隔開(kāi);

●時(shí)鐘線(xiàn)是主要的干擾和輻射源，要遠離敏感電路，并使時(shí)鐘走線(xiàn)最短;

●大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區域，同時(shí)應考慮散熱和輻射的影響;

●連接器盡量安排在板的一邊，并遠離高頻電路;

●輸入/輸出電路靠近相應連接器，去耦電容靠近相應電源管腳;

●充分考慮布局對電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區域邊界布放，以有效降低平面分割對EMI的影響;

●回流平面(路徑)不分割。

2.5 布線(xiàn)

●阻抗控制：高速信號線(xiàn)會(huì )呈現傳輸線(xiàn)的特性，需要進(jìn)行阻抗控制，以避免信號的反射、過(guò)沖和振鈴，降低EMI輻射。

●將信號進(jìn)行分類(lèi)，按照不同信號(模擬信號、時(shí)鐘信號、I/O信號、總線(xiàn)、電源等)的EMI輻射強度及敏感程度，使干擾源與敏感系統盡可能分離，減小耦合。

●嚴格控制時(shí)鐘信號(特別是高速時(shí)鐘信號)的走線(xiàn)長(cháng)度、過(guò)孔數、跨分割區、端接、布線(xiàn)層、回流路徑等。

●信號環(huán)路，即信號流出至信號流入形成的回路，是PCB設計中EMI控制的關(guān)鍵，在布線(xiàn)時(shí)必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號的流向，對于關(guān)鍵信號要靠近回流路徑布線(xiàn)，確保其環(huán)路面積最小。

對低頻信號，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對高頻信號，要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑，而非電阻最小的路徑(見(jiàn)圖1)。對于差模輻射，EMI輻射強度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。(其中I是電流、A是環(huán)路面積、f是頻率、r是到環(huán)路中心的距離，k為常數。)