合格的工程师都要弄清楚PCB电路设计的电磁兼容性问题

li5236 2023-12-11 793

PCB设计

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描述

　　1.电磁兼容的一般概念

　　考虑的根本原因在于电磁干扰的存在。电磁干扰（Electromagnetic Interference，简称EMI）是破坏性电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子设备的过程。一般来说，EMI特指射频信号（RF），但电磁干扰可以在所有的频率范围内发生。

　　电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是指电气和电子系统、设备和装置在设定的电磁环境中，在规定的安全界限内以设计的等级或性能运行，而不会由于电磁干扰引起损坏或不可接受到性能恶化的能力。这里所说的电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。这表明电磁兼容性一方面指电子产品应具有抑制外部电磁干扰的能力;另一方面，该电子产品所产生的电磁干扰应低于限度，不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。

　　现今的电子产品已经由模拟设计转为数字设计。随着数字逻辑设备的发展，与EMI和EMC相关的问题开始成为产品的焦点，并得到设计者和使用者很大的关注。美国通信委员会（FCC）在20世纪70年代中后期公布了个人电脑和类似设备的辐射标准，欧共体在其89/336/EEC电磁兼容指导性文件中提出辐射和抗干扰的强制性要求。我国也陆续制定了有关电磁兼容的国家标准和国家军用标准，例如“电磁兼容术语”（GB/T4365-1995），“电磁干扰和电磁兼容性术语”（GJB72-85），“无线电干扰和抗扰度测量设备规范”（GB/T6113-1995），“电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值”（GB4343-84）。这些电磁兼容性规范大大推动了电子设计技术并提高了电子产品的可靠性和适用性。

　　2.EMC在设计中的重要性

　　随着电子设备的灵敏度越来越高，并且接受微弱信号的能力越来越强，电子产品频带也越来越宽，尺寸越来越小，并且要求电子设备抗干扰能力越来越强。一些电器、电子设备工作时所产生的电磁波，容易对周围的其他电气、电子设备形成电磁干扰，引发故障或者影响信号的传输。另外，过度的电磁干扰会形成电磁污染，危害人们的身体健康，破坏生态环境。

　　如果在一个系统中各种用电设备能够正常工作而不致相互发生电磁干扰造成性能改变和设备的损坏，人们就称这个系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着设备功能的多样化、结构的复杂化、功率的加大和频率的提高，同时它们的灵敏度也越来越高，这种相互兼容的状态越来越难获得。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统的电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它本身要具备一定的抗干扰能力。只有对每一个设备都作出这两个方面的约束和改进，才能保证系统达到完全兼容。

　　通常认为电磁干扰的传输有两种方式：一种是传导方式;另一种是辐射方式。在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉，共同产生干扰，才使得电磁干扰变得难以控制。

　　常见的电磁干扰主要有以下几种：

　　（1）射频干扰。由于现有的无线电发射机的激增，射频干扰给电子系统造成了很大的威胁。蜂窝电话、手持无线电、无线电遥控单元、寻呼机和其他类似设备现在非常普遍。造成有害的干扰并不需要很大的发生功率。典型的故障出现在射频场强为1～10V/m的范围内。在欧洲、北美和很多亚洲国家，避免射频干扰损坏其他设备已经成为对所有产品在法律上的强制性规定。

　　（2）静电放电（ESD）。现代芯片工艺已经有了很大的进步，在很小的几何尺寸（0.18um）上元件已经变得非常密集。这些高速的、数以百万计的晶体管微处理器的灵敏性很高，很容易受到外界静电放电影响而损坏。放电可以是直接或辐射的方式引起。直接接触放电一般引起设备性的损坏。辐射引起的静电放电可能引起设备紊乱，工作不正常。

　　（3）电力干扰。随着越来越多的电子设备接入电力主干网，系统会出现一些潜在地干扰。这些干扰包括电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压变化、闪电瞬变和电力线谐波等。对于高频开关电源来说，这些干扰变得很显著。

　　（4）自兼容性。一个系统的数字部分或电路可能干扰模拟设备，在导线之间产生串绕（Crosstalk），或者一个电机可以引起数字电路的紊乱。

　　另外，一个在低频可以正常工作的电子产品，当频率升高时会遇到一些低频所没有的问题。比如反射、串绕、地弹、高频噪声等。

　　一个不符合EMC规范的电子产品不是合格的电子设计。设计产品除了满足市场功能性要求外，还必须采用适当的设计技术来预防或解除EMI的影响。

　　3.设计的EMC考虑

　　对于高速（Printed Circuit Board，印制电路板）设计中EMI问题，通常有两种方法解决：一种是抑制EMI的影响，另一种是屏蔽EMI的影响。这两种方式有很多不同的表现形式，特别是屏蔽系统使得EMI影响电子产品的可能性降到了。

　　射频（RF）能量是由印制电路板（PCB）内的开关电流产生的，这些电流是数字元件产生的副产品。在一个电源分配系统中每一个逻辑状态的改变都会产生一个瞬间的电涌，大多数情况下，这些逻辑状态的改变不会产生足够的接地噪声电压造成任何功能性的影响，但当一个元件的边沿速率（上升时间和下降时间）变得相当快的时候便会产生足够的射频能量影响其他的电子元件的正常工作。

　　3.1 PCB上电磁干扰产生的原因

　　不适当的做法通常会在PCB上引起超出规范的EMI。结合高频信号的特性，与PCB级的EMI相关的主要包括以下几个方面：

　　（1）封装措施使用不适当。如应该用金属封装的器件却用塑料封装。

　　（2）PCB设计不佳，完成质量不高，电缆与接头的接地不良。

　　（3）不适当甚至错误的PCB布局。

　　包括时钟和周期信号走线设定不当;PCB的分层排列及信号布线层设置不当;对于带有高频RF能量分布成分的选择不当;共模与差模滤波考虑不足;接地环路引起RF和地弹;旁路和去耦不足等等。

　　要实现系统级的EMI抑制，通常需要一些适当的方法：这主要包括屏蔽、衬垫、接地、滤波、去耦、适当布线、电路阻抗控制等。

　　3.2 电磁兼容的屏蔽设计

　　现今的电子产业界已愈来愈注意到SE/EMC（Shielding Effectiveness，SE，隔离室屏蔽效益）的需求，而随着更多电子组件的使用，电磁兼容性亦更受到关切。电磁屏蔽就是以金属隔离的原理来控制电磁干扰由一个区域向另一个区域感应和辐射传播电方法。通常包括两种：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。

　　EMI屏蔽可使产品简单且有效的符合EMC的规范，当频率在10MHz以下时电磁波大多为传导的形式，而较高频率的电磁波则多为辐射的形式。设计时可以采用单层实心屏蔽材料、多层实心屏蔽材料、双重屏蔽或者双重以上屏蔽等新型材料进行EMI屏蔽。对于低频的电磁干扰需要用厚的屏蔽层，合适的是使用磁导率高的材料或磁性材料，如镍铜合金等，以获得的电磁吸收损耗，而对于高频电磁波可使用金属屏蔽材料。

　　在实际的EMI屏蔽中，电磁屏蔽效能很大程度上取决于机箱的物理结构，即导电的连续性。机箱上的接缝以及开口都是电磁波的泄漏源。而且，穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降到主要原因。机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离相关。通过适当地设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够改善屏蔽效能。通常解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有：导电橡胶（在橡胶中掺入导电颗粒，使这种复合材料既具有橡胶的弹性，又具有金属的导电性。）、双重导电橡胶（它不是在橡胶所有部分掺入导电颗粒，这样获得的好处是既限度地保持了橡胶的弹性，又保证了导电性）、金属编织网套（以橡胶为芯的金属编织网套）、螺旋管衬垫（用不锈钢、铍铜或镀锡铍铜卷成的螺旋管）等。另外，当对通风量要求比较高时，必须使用截至波导通风板，这种板相当于一个高通滤波器，对高于某一频率的电磁波不衰减通过，但对于低于这一频率的电磁波则进行很大的衰减，合理应用截至波导的这种特性可以很好的屏蔽EMI的干扰。

　　3.3 电磁兼容的合理PCB设计

　　随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计，总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ，有的甚至超过100MHZ。当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计知识，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术，才能实现设计过程的可控性。

　　通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3），就称为高速电路。实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。要实现符合EMC标准的高频PCB设计，通常需要采用以下技术：包括旁路与去耦、接地控制、传输线控制、走线终端匹配等。

　　（1）旁路与去耦

　　去耦是指去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量，而旁路则是从元件或电缆中转移不想要的共模RF能量。

　　所有的电容器都是由LCR电路组成，其中L是电感，它与导线长度有关，R是导线中的电阻，C是指电容。在某一频率上，该LC串联组合将产生谐振。在谐振状态下，LCR电路将有非常小的阻抗和有效的RF旁路。当频率高于电容的自谐振时，电容器渐变为感性阻抗，同时旁路或去藕效果下降。因此，电容器实现旁路与去耦的效果受引线长度，以及电容器与器件间的走线、介质填料等的影响。理想的去耦电容器还可以提供逻辑装置状态切换时所需的所有电流，实际上是电源和接地层间的阻抗决定电容器能够提供的电流的多少。

　　当选择旁路和去耦电容时，可通过逻辑系列和所使用的时钟速度来计算所需电容器的自谐振频率，根据频率以及电路中的容抗来选择电容值。在选择封装尺度是尽量选择更低引线电感的电容，这通常表现为SMT（Surface Mount Technology）电容器，而不选择通孔式电容器（如DIP封装的电容器）。另外在产品设计中，也常常采用并联去耦电容来提供更大的工作频带，减少接地不平衡。在并联电容系统中，当高于自谐振频率时，大电容表现感性阻抗并随频率增大而增加;而小电容则表现为容性阻抗并随频率增加而减少，而且此时整个电容电路的阻抗比单独一个电容时的阻抗要小。

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