高速電路的電磁兼容設計

0 引言
電磁兼容性是指電氣和電子系統及設備在特定的電磁環(huán)境中，在規定的安全界限內以設定的等級運行時(shí)，不會(huì )由于外界的電磁干擾而引起損壞或導致性能惡化到不可挽救的程度，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其他電子設備或系統的正常運行，以達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。

1 電磁兼容產(chǎn)生的因素
(1)電阻的頻率特性。在數字電路中，電阻的主要作用在于限流和確定固定電平，在高頻電路中，存在于電阻兩端的高頻寄生電容會(huì )對正常的電路特性造成破壞。同樣電阻的引腳電感對電路的EMC影響很大。
(2)電容的頻率特性。電容器一般應用在電源總線(xiàn)，它提供去耦合、旁路和維持固定的直流電壓和電流的作用。但是在高頻電路中，當電路的工作頻率超過(guò)了電容的自諧振頻率時(shí)，其寄生電感將使電容表現為電感特性，從而失去原有的功能并影響電路的工作性能。
(3)電感的頻率特性。電感器是用來(lái)控制PCB內的EMI。當電路的工作頻率增加時(shí)，電感的等效阻抗會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而增大，當電路的工作頻率超過(guò)電感的工作頻率上限時(shí)，電感將會(huì )影響電路的正常工作。
(4)導線(xiàn)的頻率特性。PCB上的走線(xiàn)和元器件的引腳導線(xiàn)都有寄生電感和電容，這些寄生電感和電容會(huì )影響到導線(xiàn)的頻率特性，從而有可能在元器件和導線(xiàn)之間產(chǎn)生諧振，致使導線(xiàn)成為電磁干擾的重要發(fā)射天線(xiàn)。通常，導線(xiàn)在低頻段表現為電阻特性，在高頻段則表現為電感特性，因此在PCB上，導線(xiàn)的長(cháng)度一般要求小于工作頻率波長(cháng)的二十分之一，以避免導線(xiàn)成為電磁干擾的發(fā)射源。
(5)靜電。靜電放電問(wèn)題已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的一大公害，可能給產(chǎn)品帶來(lái)永久性的損壞，因此在產(chǎn)品設計中，必須采取相應的靜電防護措施。常用的防靜電措施包括選擇具有防靜電材料，采用電氣隔離措施，提高產(chǎn)品的絕緣強度以及設置良好的靜電屏蔽層和泄放通道等。
(6)電源。隨著(zhù)高頻開(kāi)關(guān)電源的廣泛應用和電力系統負荷的不斷增加，電源對產(chǎn)品的干擾問(wèn)題逐漸成為影響產(chǎn)品EMC特性的一個(gè)重要因素。因此，一些易受干擾的敏感設備已經(jīng)不直接采用交流供電而改用直流供電，這樣雖然增加了系統的復雜性和成本，但是有效提高了系統工作的穩定性。
(7)雷電。雷電實(shí)質(zhì)上是一種正負電荷中和的強靜電放電過(guò)程，由此產(chǎn)生的強電磁脈沖導致各種電子設備受損的主要原因。雷電對電子設備的影響包括直擊雷和感應雷兩種，現在各種室內使用的電子設備，一般不容易遭受直擊雷的影響，但是依然容易受到感應雷的損害。為了確保電子設備的安全運行，必須對電子設備進(jìn)行防雷擊保護。常用的防雷措施包括設置避雷針、安裝避雷器和避雷線(xiàn)等。

2 電磁兼容產(chǎn)生的要素
理論和實(shí)踐的研究證明，不管復雜系統還是簡(jiǎn)單裝置，任何一個(gè)電磁干擾的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件：存在一定的干擾源、有干擾的完整耦合通道、有被干擾對象的響應。
2．1 電磁干擾源
電磁干擾源指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統或自然現象。高頻電路對電磁干擾尤為敏感，因而需要采取多種措施來(lái)抑制電磁干擾。經(jīng)過(guò)理論與實(shí)驗分析得知：高頻電路中，電磁干擾主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：
(1)器件工作的噪聲干擾
(a)數字電路工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾。
(b)信號電壓、電流變化產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾。
(2)高頻信號噪聲干擾
(a)串擾：是指一個(gè)信號在傳輸通道上傳輸時(shí)，因電磁耦合而對相鄰的傳輸線(xiàn)產(chǎn)生不期望的影響，在被干擾信號表現為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過(guò)大的串擾可能引起電路的誤觸發(fā)、時(shí)序延時(shí)，導致系統無(wú)法正常工作。
(b)回波損耗：當高頻信號在電纜及通信設備中傳輸時(shí)，遇到波阻抗不均勻點(diǎn)時(shí)，就會(huì )對信號形成反射，這種反射不但導致信號的傳輸損耗增大，并且會(huì )使傳輸信號畸變，對傳輸性能影響很大。
(3)電源噪聲干擾
PCB中的電源噪聲主要由電源自身產(chǎn)生或受擾感應的噪聲組成，主要表現為：①電源本身所固有的阻抗所導致的分布噪聲；②共模場(chǎng)干擾；③差模場(chǎng)干擾；④線(xiàn)間干擾；⑤電源線(xiàn)耦合。
(4)地線(xiàn)噪聲干擾
由于地線(xiàn)上存在電阻、阻抗，當電流通過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生壓降，當電流足夠大或工作頻率足夠高時(shí)，這個(gè)壓降會(huì )大到足以對電路造成干擾。地線(xiàn)導致的噪聲干擾主要包括地線(xiàn)環(huán)路干擾和公共阻抗耦合干擾。
(a)地線(xiàn)環(huán)路干擾：當多個(gè)功能單元連接在地線(xiàn)上時(shí)，如果地線(xiàn)中的電流足夠大，則會(huì )在設備間的連接電纜上產(chǎn)生壓降。由于各個(gè)電路間的電氣特性不平衡，每根導線(xiàn)上的電流會(huì )不同，因此產(chǎn)生差模電壓，從而對電路造成影響。此外外部電磁場(chǎng)也有可能在地線(xiàn)環(huán)路中感應出電流，從而導致干擾。
(b)公共阻抗耦合干擾；當多個(gè)功能單元公用同一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)阻抗的存在，各個(gè)單元的地電位之間會(huì )發(fā)生相互調制，從而導致各個(gè)單元信號間相互耦合產(chǎn)生干擾，在高頻電路中，電路處于高頻工作狀態(tài)，地線(xiàn)阻抗往往較大，此時(shí)的公共阻抗耦合干擾尤其明顯。
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是減小公共地線(xiàn)部分的阻抗，這樣公共地線(xiàn)上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線(xiàn)，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。如前所述，減小地線(xiàn)阻抗的核心問(wèn)題是減小地線(xiàn)的電感。這包括使用扁平導體做地線(xiàn)，用多條相距較遠的并聯(lián)導體作接地線(xiàn)。對于印刷線(xiàn)路板，在雙層板上布地線(xiàn)網(wǎng)格能夠有效地減小地線(xiàn)阻抗，在多層板中專(zhuān)門(mén)用一層做地線(xiàn)雖然具有很小的阻抗，但這會(huì )增加線(xiàn)路板的成本。通過(guò)適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導線(xiàn)過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

2．2 抑制耦合通道
高速電路中電磁干擾的主要耦合通道包括輻射耦合、傳導耦合、電容耦合、電感耦合、電源耦合以及地線(xiàn)耦合等。
對于輻射耦合來(lái)說(shuō)，其主要抑制方法是采取電磁屏蔽，將干擾源與敏感對象有效隔離。
對于傳導耦合來(lái)說(shuō)，其主要的方法是在信號布線(xiàn)的時(shí)候，合理安排高速信號線(xiàn)的走向。輸入輸出端用的導線(xiàn)應盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生信號反饋或串擾，可在兩條平行線(xiàn)間增設一條地線(xiàn)加以隔離。對于外連信號線(xiàn)來(lái)說(shuō)，應盡量縮短輸入引線(xiàn)，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入線(xiàn)最好加以屏蔽，當板上信號導線(xiàn)阻抗不匹配時(shí)，會(huì )導致信號反射，當印制導線(xiàn)較長(cháng)時(shí)，線(xiàn)路電感會(huì )導致減幅振蕩。通過(guò)串入阻尼電阻(阻值通常取22～2 200 hm，典型值為470 hm)，可有效抑制振蕩，增強抗干擾能力，改善波形。