一款485通訊隔離產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)與改善

張同興，錢(qián)劍敏，王 安

（1.東華大學(xué) 上海 201619；2.上海航銳電源科技有限公司 上海 201101）

為了便于PC機(jī)采集產(chǎn)品（具有RS-485接口）數(shù)據(jù)，需要在上位機(jī)添加一個(gè)COM口，從而實(shí)現(xiàn)PC與產(chǎn)品信息的互通。產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，并未充分考慮到EMC要求，導(dǎo)致認(rèn)證失敗，項(xiàng)目進(jìn)度拖延。為了降低產(chǎn)品EMI，后續(xù)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出并實(shí)施了多項(xiàng)改進(jìn)措施，使產(chǎn)品順利通過(guò)FCC Class B認(rèn)證。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及EM I分析

該產(chǎn)品使用USB供電，當(dāng)連接至電腦后，在電腦上虛擬出一個(gè)COM口。通過(guò)該COM端口，PC機(jī)則可以與外部RS-485設(shè)備進(jìn)行通訊。考慮到通訊的穩(wěn)定及可靠性，系統(tǒng)選用了Analog Device具有信號(hào)及電源隔離功能的RS-485轉(zhuǎn)換芯片ADM2587。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，即改板前，PCB采用普通的兩層板，地層填充在信號(hào)/電源層上，以ADM2587芯片為基準(zhǔn)，隔離距離為6 mm。FCC Class B認(rèn)證輻射測(cè)試結(jié)果如圖1（a）所示。

由結(jié)果可知，在400 MHz和810 MHz頻率點(diǎn)上，輻射超標(biāo)分別為11 dB和6 dB。因?yàn)镽S485電平轉(zhuǎn)換芯片ADM2587使用了isoPower技術(shù)，應(yīng)用高頻率開(kāi)關(guān)元件通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，該功能類(lèi)似開(kāi)關(guān)電源，但其工作頻率比標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器高3個(gè)數(shù)量級(jí)，使轉(zhuǎn)換器工作所產(chǎn)生的噪聲落在30 MHz至1 GHz范圍內(nèi)，因而產(chǎn)生輻射問(wèn)題[3]。

2 原理改進(jìn)

為了達(dá)到認(rèn)證要求，必須綜合運(yùn)用多項(xiàng)抗電磁輻射技術(shù)。

鐵氧體磁珠廣泛應(yīng)用于印制電路板，專(zhuān)用于抑制信號(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。它等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化。它比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。選擇磁珠應(yīng)考慮兩方面：一是電路中噪聲干擾的情況，二是需要通過(guò)的電流大小。要大概了解噪聲的頻率、強(qiáng)度，不同的磁珠的頻率阻抗曲線(xiàn)是不同的。一般也沒(méi)有很明確的計(jì)算和選擇的標(biāo)準(zhǔn)，主要看實(shí)際使用的效果。

共模電感又名共模扼流線(xiàn)圈，顧名思義共模電感的主要功用即是抑制共模干擾。共模電感是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線(xiàn)圈對(duì)稱(chēng)地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。

圖1 FCC輻射測(cè)試結(jié)果Fig.1 FCC Radiation emission result

一般在選用共模電感的時(shí)候重點(diǎn)注意以下幾個(gè)參數(shù)：1）最大的阻抗值，一般在應(yīng)用共模電感的時(shí)候，都是以此值作為重點(diǎn)參考；2）額定電流。電路工作電流一定要小于器件額定電流，不然容易燒毀器件。

圖2為USB端EMI防護(hù)設(shè)計(jì)圖。電源線(xiàn)采用磁珠濾除高頻干擾，這里要選用大電流磁珠。信號(hào)線(xiàn)上采用共模電感抑制共模干擾，選用時(shí)要避開(kāi)USB信號(hào)的差模頻率。電阻R1，R2為限流電阻，根據(jù)實(shí)際情況選擇；C1，C3不要超過(guò) 5 pF。PGND和GND之間用磁珠連接，避免地間產(chǎn)生串?dāng)_[2]。

3 PCB設(shè)計(jì)

3.1 PCB堆疊及布線(xiàn)設(shè)計(jì)

電路板的堆疊結(jié)構(gòu)是PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)加工的基礎(chǔ)，好的堆疊結(jié)構(gòu)能夠有效減少EMI問(wèn)題。傳統(tǒng)單、雙層板在控制EMI輻射方面主要從布線(xiàn)和布局考慮，受限于所用元器件的密度及特性、信號(hào)頻率及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面原因，電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越突出，所以要考慮多層板設(shè)計(jì)。并且應(yīng)盡量做到每個(gè)信號(hào)層都有一個(gè)電源層或地層與之相鄰并緊密耦合；臨近的電源層或地層要保持最小間距，以提供較大的耦合電容。

圖2 USB端EMI防護(hù)Fig.2 USB EMI protection

所以本產(chǎn)品的 PCB設(shè)計(jì)考慮四層堆疊，如圖3（a）所示。4mil的層間距能夠提供較大的耦合電容。它有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）縮短高頻噪聲在接地層-電源層的擴(kuò)散距離；2）通過(guò)提供旁路電容，降低進(jìn)入電源接地層中的噪聲。輻射和傳導(dǎo)噪聲的降低均與電源和接地噪聲的降低成比例。

布線(xiàn)時(shí)，要考慮信號(hào)的參考層，使其有最小的傳輸路徑，參考層不能存在間隙；引線(xiàn)在層間交替越少越好，使用的過(guò)孔盡可能大，從而降低其電感及電容效應(yīng)；相鄰層間走線(xiàn)盡量垂直，減少串?dāng)_；高速信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡量短，空間允許時(shí)應(yīng)增大布線(xiàn)間距，或在相鄰信號(hào)線(xiàn)間插入地線(xiàn)或地平面，且不能靠近PCB邊緣[5]。

3.2 邊緣輻射的防護(hù)

因電源旁路不充分，層間存在感性過(guò)孔等原因[6]，當(dāng)各種來(lái)源產(chǎn)生的差分噪聲在電路板邊緣匯合并從層間泄露出來(lái)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生邊緣輻射。成本較低且效果不錯(cuò)的方案是采用“過(guò)孔護(hù)欄”結(jié)構(gòu)處理電路板邊緣，如圖3所示。采用該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃肼暦瓷浠貎?nèi)層空間中，雖然這會(huì)增加內(nèi)側(cè)的電壓噪聲，但邊緣輻射能夠得到顯著降低[3]。

圖3 過(guò)孔護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Via fence structure

過(guò)孔的間隙需要設(shè)計(jì)為信號(hào)波長(zhǎng)的1/20。在FR4帶狀線(xiàn)中，1 GHz正弦波的波長(zhǎng)約為14 mm，這里設(shè)置過(guò)孔間隙為2 mm，此間隔非常小，足以衰減輻射信號(hào)。

3.3 偶極子輻射的防護(hù)

當(dāng)高頻電流通過(guò)接地層或電源層之間的間隙時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生偶極子輻射。本例為達(dá)到較好的隔離效果，要求芯片的隔離距離不小于6 mm。根據(jù)這一特性，隔離器需要驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)接地層之間的間隙，但高頻鏡像電荷無(wú)法跨越邊界返回，導(dǎo)致間隙上出現(xiàn)差分信號(hào)，從而形成偶極子天線(xiàn)。解決辦法就是為鏡像電荷提供跟隨通路[1]。

為了兼顧爬電距離、電氣間隙及耐受電壓的要求，可以利用安規(guī)電容，如Y電容提供這一路徑。但Y電容不是理想電容，存在電感效應(yīng)，高頻率下很難起到作用，反而有可能增加噪聲。因此，只能利用PCB本身的電容，即在間隙處利用銅皮構(gòu)建“拼接電容”。

如圖4所示，在電源層利用浮動(dòng)銅皮連接原邊和副邊的電源層。這種結(jié)構(gòu)形成了兩個(gè)容性區(qū)域，如陰影部分所示。

圖4 拼接電容示意圖Fig.4 Stitching capacitor structure

其中電容大小可以通過(guò)平行板電容的基本關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：

C為拼接電容的大小，A為交疊面積，ε0為自由空間的介電常數(shù)：8.854×10-12F/m，εr為 PCB絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)R4約為4.5，d為層間距。

此處的銅皮應(yīng)盡可能大且保持完整，并且需要對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，避免因回流路徑的不同而影響效果。需要注意的是，銅皮與電源層的距離，會(huì)影響電路板隔離。不同的隔離標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多層PCB板的表層和里層的電氣間隙有不同的要求，所以在設(shè)計(jì)之初就要充分考慮這一情況。這里選擇16 mil的絕緣間隙。上文提到的Ground層與Power層的層間距為4 mil，除了有助于提高耦合電容外，也有助于增大此處的拼接電容[3]。

4 PCB布局參考

圖5為產(chǎn)品的PCB布局，列出關(guān)鍵的第一層（Ground）及第二層（Power）信息，僅供參考。FCC輻射測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參見(jiàn)圖1（b）。

圖5 PCB布局Fig.5 PCB layout

5 結(jié) 論

對(duì)于如何抑制EMI，上面提到的方法，對(duì)PCB設(shè)計(jì)具有很大的參考意義。在原理和PCB制板方面，還有很多其它路徑可循，都可以一同加以利用。除此之外，結(jié)構(gòu)及屏蔽設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的EMC性能也有很大影響，如輻射可能從電源或信號(hào)接口處泄露，可以考慮添加磁環(huán)，改用屏蔽線(xiàn)及使用金屬機(jī)殼等方法來(lái)解決，效果往往比PCB改板更加簡(jiǎn)單易行。

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[3]CantrellM.Recommendations forControlofRadiated Emissions with isoPower Devices[EB/OL].（2009-06-20）[2011-09-01].http://www.analog.com/an-0971.pdf.

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