印刷电路板_PCB_的电磁干扰(EMI)抑制知识.pdf

印刷电路板(PCB)的EMI抑制知识日常生活中我们常常可以看到这样的现象当把手机放置在音箱旁接电话的时候音箱里面会发出吱吱的声音或者当我们在测试一块电路板上的波形时忽然接到同事的电话会发现接电话瞬间我们示波器上的波形出现变形这些都是电磁干扰的特征。电磁干扰不但会影响系统的正常工作还可能给电子电器造成损坏甚至对人体也有害处因此尽可能降低电磁干扰已经成为大家关注的一个焦点诸如FCC、CISPR、VCCI等电磁兼容标准的出台开始给电子产品的设计提出了更高的要求。虽然人们对电磁兼容性的研究要远远早于信号完整性理论的提出但作为高速设计一部分我们习惯地将EMI问题也列入信号完整性分析的一部分。本章将全面分析电磁干扰和电磁兼容的概念、产生及抑制重点针对高速PCB的设计。4.1EMI/EMC的基本概念电磁干扰即EMI(ElectromagneticInterference)指系统通过传导或者辐射发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为所有的电子产品都会不可避免地产生一定的电磁干扰为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力人们提出了电磁兼容这个概念。美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992都提出了对商业数码产品的有关规章这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(ElectromagneticCompatibility)。对于电磁兼容性必须满足三个要素：•1.电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如大的一个房间甚至宇宙；小的可以是一块集成电路板。•2.电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体。•3.必须存在一定的媒体(耦合途径)将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间也可以是公共电网或者公共阻抗。对于EMI可以按照电磁干扰的途径(详细的分类参见附录一)来分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果骚扰源不是处在一个全封闭的金属外壳内它就可以通过空间向外辐射电磁波其辐射场强取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效阻抗以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳带有缝隙与孔洞则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时则可形成干扰子辐射源向四周辐射辐射场中金属物还可以形成二次辐射；传导干扰顾名思义骚扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射也可以通过公共阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路传导干扰是电磁干扰的一种重要形式；感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径当骚扰源的频率较低时骚扰电源的辐射能力有限。同时骚扰又不直接与其他导体连接此时电磁骚扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合将电磁能转移到其他导体上去在邻近导体内感应出骚扰电流或者电压。感应耦合可以通过导体间的电容耦合的形式出现也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。4.2EMI的产生我们来分析一下EMI的产生忽略自然干扰的影响在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。4.2.1电压瞬变对于电磁干扰的分析可以从电磁能量外泄方面来考虑如果器件向外泄露的能量越少我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的而是融合了很多高次谐波分量这些谐波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定信号上升和下降速率越快即开关频率越高则产生的能量越多。所以如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变将会产生严重的电磁辐射这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算:F=1/πTrF为开关电路产生的最高EMI频率单位为GHzTr为信号的上升时间或者下降时间单位为ns。比如对于上升时间为1ns左右的器件那么它所产生的最高EMI频率将为350MHz而如果上升时间降为为500ps那么它的最高EMI发射频率将为700MHz远远高于系统正常的工作频率这将会在一定程度上影响周围其他系统的正常工作。显然如果能减缓信号的上升沿将会在很大程度上减少