控制共模輻射電磁干擾的基本方法

電磁干擾(EMI)指電路板發(fā)出的雜散能量或外部進(jìn)入電路板的雜散能量，它包括：傳導型(低頻)EMI、輻射型(高頻)EMI、ESD(靜電放電)或雷電引起的EMI。傳導型和輻射型EMI具有差模和共模表現形式。在處理各種形式的EMI時(shí)，必須具體問(wèn)題具體分析。對于ESD和雷電引起的EMI，必須利用EMI抑制器件在ESD和雷電進(jìn)入系統之前予以消除，防止由此導致的系統工作異?；驌p壞。對傳導型或低頻EMI，不論是接收還是發(fā)送，都要在電源線(xiàn)上和電路板輸入/輸出口的傳輸線(xiàn)路上采取濾波措施。輻射型EMI的抑制有3種基本形式：電子濾波、機械屏蔽和干擾源抑制。

在所有EMI形式中，輻射型EMI最難控制，因為輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz，在這個(gè)頻率段上，能量的波長(cháng)很短，電路板上即使非常短的布線(xiàn)都能成為發(fā)射天線(xiàn)。此外，在這個(gè)頻段電路的電感增大，可能導致噪聲增加。EMI較高時(shí),電路容易喪失正常的功能。

盡管輻射型EMI的控制和屏蔽可以通過(guò)機械屏蔽技術(shù)、電子濾波或干擾源抑制，且電子濾波和機械屏蔽技術(shù)對EMI抑制很有效，在實(shí)踐中也很常用，但這兩種方法通常是控制輻射型EMI的第二道防線(xiàn)。由于需要附加器件和增加安裝時(shí)間，電子濾波技術(shù)成本較高。另外，用戶(hù)常常打開(kāi)設備的屏蔽門(mén)，或取下背板以方便內部器件或PC板的維護，所以，機械屏蔽技術(shù)常常形同虛設。

因此，控制EMI的主要途徑是減少輻射源的能量并且控制電路板上電壓電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的大小。大部分電路都安裝在電路板范圍內，因此通過(guò)對電路板級的精心設計可以控制電感、電容、瞬態(tài)電壓和電流路徑，從而控制電磁場(chǎng)的大小。由于電感、電容、瞬態(tài)電壓和電流路徑等因素對EMI的影響不同，本文將集中討論板級設計中控制共模輻射EMI的主要步驟。為了更好的理解本文提出的方法，首先要說(shuō)明一些關(guān)于EMI和電路功能的重要概念。

發(fā)射頻率帶寬

在EMI頻率范圍內，人們關(guān)心的不僅是信號的時(shí)鐘頻率，還包括信號的高階諧波。高階諧波頻率的振幅由器件輸出信號的上升時(shí)間和下降時(shí)間決定。信號的上升沿和下降沿變化得越快，信號頻率越高，EMI就越大。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。如果不考慮時(shí)鐘頻率，若電路信號的上升或下降時(shí)間窄到11ns，則將產(chǎn)生0到30MHz范圍內的各種諧波，因而產(chǎn)生很強的EMI輻射。PCB寄生參數

PCB上的每一條布線(xiàn)及其返回路徑可以用三個(gè)基本模型來(lái)描述，即電阻、電容和電感。在EMI和阻抗控制中，電容和電感的作用很大。當兩個(gè)不同電壓的導電層由絕緣材料分隔時(shí)，兩個(gè)導電層之間就會(huì )產(chǎn)生電容。在電路板上，一條布線(xiàn)及其所有相鄰的布線(xiàn)或導電層之間，通過(guò)它們之間的絕緣區域形成電容。絕緣區由導體周?chē)目諝夂透綦x導體的FR4材料組成。

導線(xiàn)及其回路(地線(xiàn)或接地層)之間形成的電容數值最大。記住，Vcc電源層(如5V)，對于交流信號來(lái)說(shuō)與接地層等效。通常為了抑制信號電場(chǎng)的輻射，有必要保證布線(xiàn)及其回路之間電容的數值較高，當布線(xiàn)加寬或與回路之間的距離變近時(shí)，電容數值就會(huì )升高。電感是電路板導體儲存周?chē)拍艿脑?。磁?chǎng)是由流過(guò)導體的電流產(chǎn)生或感生，磁能阻礙電流的變化。通過(guò)電感的信號頻率越高，電感的阻抗就越大，因此，當輸出信號的上升和下降沿諧波頻率落在EMI輻射頻帶范圍之內時(shí)(上升時(shí)間為11ns或更快)，降低PCB上導體的電感值就很重要。

電感的數值表示它儲存導體周?chē)艌?chǎng)的能力，如果磁場(chǎng)減弱，感抗就會(huì )減小。磁場(chǎng)的大小部分取決于導體的截面積(厚度和長(cháng)度)。當導體變寬、變厚或變短時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì )減弱，電感就會(huì )降低。

更重要的是，磁場(chǎng)的大小是由導線(xiàn)及其電流回路構成的閉環(huán)面積的函數。如果把導線(xiàn)與其回路靠近，兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì )相互抵消，這是因為二者磁場(chǎng)大小大致相等，極性相反。在很狹窄的空間內，信號路徑及其回路周?chē)拇艌?chǎng)大部分對消掉了，因而電感很低。

圖1說(shuō)明如何通過(guò)控制閉環(huán)區域來(lái)改變電感，其中第一片IC與第二片IC之間連線(xiàn)代表PCB上的導線(xiàn)，雖然導線(xiàn)A比導線(xiàn)B長(cháng)，但閉環(huán)區域A遠小于B，其電感也比區域B小得多。

阻抗

導線(xiàn)和回路之間的阻抗以及一對電源回路之間的阻抗，是導線(xiàn)及其回路或電源回路之間電感和電容的函數，阻抗Zo等于L/C的平方根。

從EMI控制的角度來(lái)說(shuō)，希望電路的阻抗較低。當電容較大，電感較小時(shí)，只要使導線(xiàn)和其回路間保持緊密耦合(緊密布局)，就能滿(mǎn)足要求；當電容減小時(shí)，阻抗增大，電場(chǎng)屏蔽能力減弱，EMI增大；當電感增加時(shí)，阻抗增大，磁場(chǎng)屏蔽能力減弱，EMI也會(huì )增大。

電流路徑

每個(gè)電路都存在一個(gè)閉環(huán)回路，當電流從一個(gè)器件流入另一個(gè)器件，在導線(xiàn)上就會(huì )產(chǎn)生大小相同的回流，從而構成閉合回路。在PCB上，當信號流過(guò)導線(xiàn)，如果信號頻率低(最多幾百Hz)，回路電流就會(huì )沿著(zhù)阻抗最小的路徑，通常是最短且/或最寬的路徑，流回到發(fā)送信號的器件。一旦信號頻率超過(guò)幾百kHz(但還在低頻范圍內)，回流信號就會(huì )與信號源發(fā)送的信號產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合作用。

這就要求回路應會(huì )盡可能靠近始發(fā)信號路徑。在頻率較高時(shí)，當一條導線(xiàn)直接在接地層上布置時(shí)，即使存在更短的回路，回路電流也要直接從始發(fā)信號路徑下的布線(xiàn)層流回信號源。在高頻情況下，回路電流要沿著(zhù)具有最小阻抗的路徑返回信號源，即電感最小和電容最大的路徑。這種靠大電容耦合抑制電場(chǎng)，靠小電感耦合抑制磁場(chǎng)來(lái)維持低電抗的方法稱(chēng)為自屏蔽。根據每條導線(xiàn)的回路布線(xiàn)，就能實(shí)現自屏蔽。

兩種形式的EMI在電路中，電磁能通常存在兩種形式，差模EMI和共模EMI，區別二者有助于更好地理解控制EMI的方法。

電路中器件輸出的電流流入一個(gè)負載時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生差模EMI。電流流向負載時(shí)，會(huì )產(chǎn)生等值的回流。這兩個(gè)方向相反的電流，形成標準差模信號，注意不能與差動(dòng)信號相混淆。差動(dòng)信號的另一組信號不是參照回路層(如電源層或地層)，兩個(gè)信號相位差為180度。無(wú)論是差模還是差動(dòng)工作模式，電路板只能近似達到一個(gè)理想的自屏蔽環(huán)境，完全抵消信號通路及其回路之間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是不現實(shí)的，殘留的電磁場(chǎng)就形成了差模EMI。

電流流經(jīng)多個(gè)導電層，如PCB上的導線(xiàn)組或電纜，就會(huì )產(chǎn)生共模輻射。典型的共模輻射回路電流流經(jīng)高阻抗路徑時(shí)產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)以共模電流的形式將其能量耦合到導線(xiàn)組、電線(xiàn)或電纜之中，共模特性表現為這些導線(xiàn)組中的感生電流方向全部相同，由于這些導線(xiàn)沒(méi)有形成回路，所以不能產(chǎn)生相反方向的電磁場(chǎng)，向外輻射能量的大天線(xiàn)就是這樣形成的。更糟糕的是，流入和流出電路板及其外殼的導線(xiàn)、電線(xiàn)或電纜的屏蔽罩中也能產(chǎn)生共模電流。電路板的高阻抗通常有三種情況：

1.差模電流的回路被切斷。布線(xiàn)被不同的層隔斷，就迫使回路繞過(guò)這些隔斷層，從而導致電感環(huán)路開(kāi)路并使電容耦合減小，進(jìn)而增大電場(chǎng)和磁場(chǎng)。2.電源線(xiàn)的不恰當布局，使流向電源引腳的導線(xiàn)變長(cháng)，也會(huì )造成阻抗增大。3.電源層相對接地層而言，位置不恰當，從而使PCB的結構造成高阻抗。不恰當的電源分布結構會(huì )引起嚴重的共模EMI問(wèn)題。

控制共模EMI的關(guān)鍵，是正確處理電源電流的旁路和去耦，并通過(guò)控制電源層的位置和電流來(lái)控制電源的走線(xiàn)和回路電流。數字器件信號的快速上升沿會(huì )產(chǎn)生諧波，進(jìn)而發(fā)出大量射頻能量，具備高驅動(dòng)能力的輸出信號和高速周期信號尤其如此(如時(shí)鐘、地址、數據、使能信號)，共模EMI干擾源的抑制主要針對于此。抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號輸出端串入小阻值的電阻，如圖2所示，通常采用22到33歐姆的電阻，稍大一些的也沒(méi)有問(wèn)題。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時(shí)間并能平滑過(guò)沖及下沖信號，從而減小輸出波形的高頻諧波的振幅，進(jìn)而達到有效地抑制EMI的目的。電阻的位置應盡量靠近IC輸出引腳。

評估上升沿和下降沿時(shí)間對整個(gè)電路時(shí)序的影響是非常重要的，如果由于電路工作時(shí)鐘頻率很高而使得必須計入器件上升/下降沿時(shí)間對電路時(shí)序的影響，則此解決方案可能不太適合于此類(lèi)應用。當高速器件應用在工作時(shí)鐘頻率較低的電路時(shí)，該方案的效果才最佳。由于目前市場(chǎng)上供應的IC的上升沿和下降沿都很陡，因此許多工作頻率較低的應用電路都采用高速器件，此時(shí)采用一系列阻尼電阻效果就非常理想。

電源布線(xiàn)系統中，有兩個(gè)因素對控制共模EMI起到重要的作用：電源路徑的阻抗和旁路/去耦電容的位置。

整個(gè)電源路徑保持低阻抗至關(guān)重要。一種方法是，在電源輸入電路板處的連接器內，將電源線(xiàn)和地線(xiàn)分組。不要在連接器的一端接電源，而在另一端接地，這會(huì )使電感回路開(kāi)路，而使EMI惡化。電源和地應交替排列，先地層，然后電源層，再地層，再電源層，依此類(lèi)推。

當多個(gè)元件的輸出同時(shí)發(fā)生高低電平變化時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電壓，因而流過(guò)電源層電感的電流就很大。共模EMI的另一個(gè)主要原因就是，這些很大的瞬態(tài)電壓將電流耦合到多條銅導線(xiàn)之中。瞬態(tài)電壓的振幅是電流開(kāi)關(guān)速度和電源層阻抗的函數，電源層阻抗越小，瞬態(tài)電壓越小，EMI也越弱。電源和地層之間的絕緣材料越薄，阻抗就越小。

當設計過(guò)程中采用獨立的驅動(dòng)電壓(Vcc)時(shí)，要將電路板的電源層和地線(xiàn)層安排在相鄰位置。如果要兩個(gè)相同電壓的布線(xiàn)層驅動(dòng)大電源電流，則在電路板上要設計兩組電源層/接地層。在這種情況下，每一組電源層和接地層都要用絕緣材料分開(kāi)。如果同一組電源層和接地層之間還插入了其他信號層，則電源層阻抗就會(huì )增加，從而導致EMI增加。

在只有雙面板的布線(xiàn)中，電源和地層要合理地布成電源網(wǎng)格和接地網(wǎng)格。最佳的布線(xiàn)方法是將電源線(xiàn)和地線(xiàn)相鄰緊密布置。如果在板的上層為水平布線(xiàn)，則在下層要垂直布線(xiàn)。電源和地線(xiàn)緊密相鄰能實(shí)現良好的電容耦合，還可以更好地控制電感。對電源線(xiàn)電感的控制有一定要求。印制板上的線(xiàn)徑至少為0.050英寸寬，在允許情況下，要盡可能寬。對于上升時(shí)間大于5ns的高速器件，保持電源層的低阻抗十分重要，這時(shí)網(wǎng)格技術(shù)可能就不能解決問(wèn)題。當上升時(shí)間超過(guò)5ns時(shí)，就要用電源層和接地層來(lái)控制EMI。

旁路和去耦電容由于導線(xiàn)電感及其它寄生參數的影響，電源及其供電導線(xiàn)響應速度慢，從而使電路中驅動(dòng)器件輸出所需要的電流不足。合理地放置旁路或去耦電容，能在電源響應之前，利用電感和電容的儲能作用為器件提供電流。旁路或去耦電容的數值介于小和中等之間。中等數值的電容通常在4.7uF到25uF之間，其位置在電源線(xiàn)和地線(xiàn)進(jìn)入PCB處為佳。在電路板上耗電較多的器件，如處理器、微控制器等，周?chē)矐敺胖弥械葦抵档碾娙荨?/P>

數值小的電容能為IC提供高頻電流，有時(shí)將其稱(chēng)為“瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電容”。在器件輸出端高低電平跳變時(shí)，它能為器件輸出高速充電，與電源層的分布電容一起為器件提供充電電流。充電電流的頻率通常很高。

要獲得最佳的EMI控制效果，應在每組電源和地引腳上都安裝一個(gè)電容。如果器件的電源和地引腳相距很遠(如TTL的74系列的地和電源引腳分布在對角線(xiàn)上)，就沒(méi)有合適的位置放置電容，因而難以將電源層的電感降低到維持低瞬時(shí)開(kāi)關(guān)電壓的水平?？赡艿脑?huà)，要盡量選用具有成對電源和接地引腳的IC。集成電路制造業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始對引腳電感問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，盡管很多IC廠(chǎng)商都忽視這個(gè)問(wèn)題。

旁路/去耦電容的數值及物理尺寸對于確定旁路/去耦電容的工作頻率十分重要，這些參數的計算超出了本文討論的范圍，但設計工程師應當深入地了解這個(gè)問(wèn)題。例如，現在對大部分電路來(lái)說(shuō)，采用0.1mF的電容已不能達到足夠高的開(kāi)關(guān)頻率。

器件位置、布局和布線(xiàn)

器件布局一直按照功能和器件類(lèi)型來(lái)對元器件進(jìn)行分組，例如，對既存在模擬電路，又存在數字器件的電路板，還可將器件按工作電壓、頻率進(jìn)行分組布局；對給定的產(chǎn)品系列或電源電壓時(shí)，可按功能對器件進(jìn)行分組。

器件分組布局完畢后，必須根據元器件組電源電壓的差別，將電源層布置在各器件組的下方。如果有多層地，那么就必須把數字地層緊貼數字電源層，模擬地緊貼模擬電源層，模擬地和數字地要有一個(gè)共地點(diǎn)。通常，電路中存在A(yíng)/D或D/A器件，這些轉換器件同時(shí)由模擬和數字電源供電，因此要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。

如果數字地和模擬地是分開(kāi)的，它們將在轉換器匯合。當電路板按照器件系列和電源電壓分組時(shí)，組內信號的傳送不能跨越另外的器件組，如果信號跨過(guò)界限，就不能與其回流路徑緊密耦合，這樣會(huì )增大電路的環(huán)路面積，從而使電感增加，電容減小，進(jìn)而導致共模和差模EMI的增加。電路板設計過(guò)程中要避免出現各種隔離帶。雖然相距很近的一排通孔并不違反設計規則，但是，在電源層和地層上過(guò)多的通孔有時(shí)相當于開(kāi)出一條隔離帶，要避免在該區域內布線(xiàn)，例如，當一個(gè)3ns的信號回路如果偏離其信號源路徑0.40英寸，則過(guò)沖/欠沖和感生串擾會(huì )大增，足以使電路工作出現異常，并同時(shí)增加差模和共模EMI。

控制共模輻射電磁干擾的基本方法結論

本文介紹的技術(shù)對抑制EMI輻射很重要，它們是電磁兼容設計的基礎。除了上述技術(shù)，要真正掌握抑制EMI的方法，還必須全面了解電子濾波、機械屏蔽以及其它PCB設計技術(shù)。

作者RickHartley是AppliedInnovation公司資深PCB硬件工程師，他從事印制電路板設計和開(kāi)發(fā)達25年之久。最近10年，Hartley負責高速數字和射頻電路設計，重點(diǎn)為EMI控制