Zigbee傳輸電路的抗電磁干擾設計

隨著(zhù)世界上第一個(gè)電磁兼容性規范1944年在德國誕生，電磁兼容設計在現代電子設計中變得越來(lái)越重要。普通的10 kV/630 kW箱式變壓器低頻噪音輻射處的電場(chǎng)輻射一般可達800 V/m,電磁輻射可達30 B/μT,對工作在此環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對無(wú)線(xiàn)傳輸模塊進(jìn)行抗電磁干擾設計。

1 PCB的抗干擾設計

1.1 硬件方面的抗電磁干擾設計

1）選擇集成度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。

2）良好的接地設計。對于工作在2 MHz一下低頻應采取共地，即一點(diǎn)接地；對于工作在10 MHz以上的高頻應采用分地，即多點(diǎn)接地。同時(shí)，數字地和模擬地分開(kāi)，中間用磁珠連接。對傳感器信號地線(xiàn)采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機IO端口，應該接地而不是接電源。

3）濾波處理。每個(gè)IC的電源端并聯(lián)一個(gè)高頻電容，減少I(mǎi)C對電源的影響。

4）PCB的設計：①布線(xiàn)時(shí)遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線(xiàn)路間的中心距離應該大于或者等于3倍的線(xiàn)寬。隨著(zhù)線(xiàn)間距離的增大，同時(shí)也能減少線(xiàn)間的耦合串擾。②按照功能布局，不同模塊接對應的電源。③電源和地線(xiàn)盡量的粗，電流方向和信號線(xiàn)方向相同。④晶振盡量靠近單片機。⑤線(xiàn)路盡量使用45°折線(xiàn)而不是90°折線(xiàn)。⑥多層板設計，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地，抑制共模干擾，有利于抗電磁干擾。

1.2 軟件方面的抗電磁干擾設計

1）使用看門(mén)狗，MSP430中已經(jīng)集成，遂不贅述。

2）數據冗余技術(shù)，在噪聲幅度較大的環(huán)境巾傳輸數據，給數據增加一定的冗余位用于校驗，能增加檢錯和糾錯的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。
2 電磁干擾仿真軟件介紹

電磁干擾的數值仿真過(guò)程也就是電磁場(chǎng)問(wèn)題的數值計算過(guò)程，電磁數值計算的任務(wù)是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實(shí)際問(wèn)題的連續型數學(xué)模型，然后采用相應的數值計算方法，經(jīng)離散化處理，解出模型的數值解，再經(jīng)處理得出場(chǎng)域中任意點(diǎn)處的場(chǎng)強，能量，損耗分布，及其他參數。常見(jiàn)的計算法方法有時(shí)域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的積分方程，計算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。

Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統分析的無(wú)縫連接環(huán)境，為了獲得S參數和電流密度J,采用了混合電位積分方程（MPIE Mixed Potential Integral Equation）法和矩量法（MoM Method of Moments）分別計算之，這樣就能通過(guò)電流密度求得S參數和輻射場(chǎng)。

在A(yíng)nsoft中，只要三維物體表面網(wǎng)格形成，則可利用混合點(diǎn)位積分方程（MPIE）進(jìn)行分析：

式中：n為垂直于網(wǎng)格平面的單位矢量；j為虛部單位；ω為角頻率（等于2f）；A表示矢量磁位；φ為標量電位；Zs為單個(gè)網(wǎng)格表面的電阻；J為網(wǎng)格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法（MoM）求解網(wǎng)格上的電流密度J,得到網(wǎng)格邊界線(xiàn)上法向方向的電流，在存儲網(wǎng)格邊界線(xiàn)方向電流分量后，網(wǎng)格內部每個(gè)點(diǎn)的電流值可通過(guò)網(wǎng)格邊界線(xiàn)法向電流分量差值得到。
3 PCB電磁兼容仿真步驟

3.1 PCB的設計、布線(xiàn)及輸出

PCB的設計在Prote199SE中進(jìn)行，先在Protel中繪制原理圖，再經(jīng)過(guò)錯誤檢查后，生成網(wǎng)絡(luò )圖，然后再進(jìn)行布線(xiàn)。此PCB板設計為4層，底層和頂層都走信號線(xiàn)，中間兩層分別是地線(xiàn)和電源，底層和頂層所有有接地和接電源的引腳都以最短的具體接地和接到電源，保證了信號完整性及抗電磁干擾性。布線(xiàn)后的電路板如圖1所示。

圖1 布線(xiàn)圖

設計好PCB板后，通過(guò)輸出功能輸出DXF文件。

3.2 導入Ansoft Designer并生成模型

導入時(shí)，先在Designer中新建一個(gè)PlanarEM項目，這里采用的是系統內置的雙面板的模板，為了生成相關(guān)印制板的實(shí)體模型，可以通過(guò)Ansoft Designer的Layout菜單中所列的ImPort file選項，將Protel導出的DXF文件導入到Planar EM項目中來(lái)，生成印制板的實(shí)體模型的各層，導入過(guò)程中，Protel和Ansoft Designer中設定的缺省單位要一致，先導入所有的層，再根據實(shí)際情況修改和調整PCB上各層的走線(xiàn)。PCB采用的介質(zhì)材料是FR-4,完成上述工作后，整個(gè)印制板的仿真實(shí)體模型可在A(yíng)nsoft Designer中建立。如圖2所示。

圖2 導入Ansoft后的模型

3.3 設定解析條件

1）首先設定激勵（Excitations） 用選擇工具選擇需要添加激勵的邊緣，然后右鍵單擊選擇Add Port.根據電路的實(shí)際情況，這里設定Port1,Port2,Port3,Port4共4個(gè)激勵源，電流幅度分別為0.1 A、0.2 A、0.1 A、0.3 A.

2）然后設定分析條件（Analysis） 右鍵單擊添加解析方案設置（Adding Solution Setup），選定初始化網(wǎng)格為頻率等于60 Hz時(shí)的固定網(wǎng)格（Fixed Mesh），并且在網(wǎng)格精煉標簽（Mesh Refinement）中將精煉參數（Refinement Parameters）設置為缺省值。在增加的Setup1上右鍵單擊，選中Mesh Overlay和Dynamic Mesh Update,再添加頻率掃描（Adding SweepFrequency），類(lèi)型選擇離散（Discrete），復選中生成表面電流（Generate Surface Current），開(kāi)始頻率為40 Hz,終止頻率為60 Hz,步長(cháng)2 Hz,一共10個(gè)頻率點(diǎn)。設定上面所有的條件后，還需要對設置進(jìn)行初步校驗，校驗完成后即可開(kāi)始對PCB實(shí)體模型進(jìn)行解析。

4 仿真結果分析

4.1 原始結果分析

通過(guò)在A(yíng)nsoft Designer中過(guò)對以上10個(gè)頻點(diǎn)的掃描，即可得到了PCB的電流圖和近場(chǎng)分布圖，這里以50 Hz點(diǎn)為例，分析得到的電流圖，E、H近場(chǎng)分布圖進(jìn)行分析，如圖3、4、5可見(jiàn)，電路中出現4塊場(chǎng)強較強的區域，分布在2個(gè)晶振及射頻發(fā)射電路區域，其中晶振區域存在著(zhù)敏感元件，而這部分正好輻射強度較大，這對于PCB的電磁兼容來(lái)說(shuō)是不合適的。

圖3 50hz電路圖

圖4 50 HzE近揚圖

圖5 50 HzH近場(chǎng)圖

針對上述問(wèn)題，我們對PCB進(jìn)行了重新布線(xiàn)，調整以上兩塊敏感區域中元件的位置，縮短晶振到單片機的距離，使信號盡可能快的進(jìn)入芯片，平滑彎角，盡量使電感和電容垂直放置，以減少不必要的干擾。

4.2 改進(jìn)后分析

改進(jìn)后，再次導入到ansoft Designer中進(jìn)行分析，得到圖6、7、8,此時(shí)可以發(fā)現，以前輻射區域較大區域變小或變形，受影響較大的晶振區域強度有所下降，對周?chē)挠绊懸蚕鄳獪p弱，系統的抗電磁干擾能力得到提高。

圖6 改進(jìn)后50 Hz電路圖

圖7 改進(jìn)后50 Hz E近場(chǎng)圖

圖8 改進(jìn)后50 Hz H近場(chǎng)圖

5 結論

通過(guò)Ansoft Designer軟件對PCB板進(jìn)行的電磁兼容分析，根據其得出的PCB的電流圖及近場(chǎng)分布圖，分析PCB的電磁兼容性，針對結果中的電磁輻射過(guò)高區域進(jìn)行了重新設計，經(jīng)Ansoft Designer驗證，重新設計后的PCB各項電磁兼容指數有所下降，電磁兼容性得到提高。