如何通過板級(jí)接地設(shè)計(jì)解決電磁兼容問題

彭正紅， 楊春宇

（綿陽市維博電子有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著電子線路和電子設(shè)備的日益復(fù)雜化， 以及電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)施， 電磁兼容技術(shù)已成為電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)人員必須掌握的基本技術(shù)之一[1]。接地是電磁兼容EMC 設(shè)計(jì)最常用的一種重要手段。EMC 領(lǐng)域所講的接地有別于保護(hù)性接地（如防電擊接地、防雷接地、防靜電接地等），是一種功能性接地。人們通常所說的EMC 良好接地就是要求產(chǎn)品接地點(diǎn)與大地（或EMC 測試中的參考接地板） 在EMC 所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)做到等電位連接，也就是地線上不存在明顯的壓降[2]。如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初對(duì)接地進(jìn)行重視， 那么就會(huì)大大減少產(chǎn)品出現(xiàn)對(duì)外電磁騷擾EMI 和抗電磁干擾EMS 問題的概率。 系統(tǒng)的接地方式有浮地、直接接地和電容接地三種方式[3]。 正確的理解和掌握接地本質(zhì)和靈活運(yùn)用各種不同類型或形式的接地是成功解決電子電氣產(chǎn)品電磁兼容問題的關(guān)鍵。

1 接地的定義和目的

“地”在不同的場合可能特指不同的對(duì)象：如產(chǎn)品金屬外殼、安全保護(hù)地、屏蔽地、功率地、模擬地、數(shù)字地等。隨著電子產(chǎn)品信號(hào)速率不斷提高，設(shè)備信號(hào)回流也被列入“地”的概念當(dāng)中。

對(duì)于EMC 來說，接地是電流返回其源的低阻抗通道這一定義被越來越多的人所認(rèn)可：我是誰？ （是電流），我從哪里來？ （來自內(nèi)部信號(hào)源或外部干擾源），我要到哪里去？ （通過低阻抗路徑返回到內(nèi)部信號(hào)源或外部干擾源）。接地的目的是為有用信號(hào)提供零電位基準(zhǔn)。

2 地對(duì)EMC 的影響

2.1 地電位差—共模干擾電壓

所有地都具有一定阻抗，電流流經(jīng)地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓降。流經(jīng)單板工作地中電流主要來自兩個(gè)方面： 一是信號(hào)回流，另一個(gè)是電源電流需要沿工作地返回。 圖1 表示典型電源電路PCB 上共模電壓的產(chǎn)生。 其中0V 是參考接地板或大地，Vnoise 是電流流經(jīng)工作地時(shí)產(chǎn)生的共模噪聲電壓。

圖1 中共模電壓是以直流來計(jì)算， 產(chǎn)品內(nèi)部大部分是高頻干擾，故應(yīng)按照U= L×di/dt 來計(jì)算，電感與地走線粗細(xì)、長度、面積、形狀有關(guān)。 di 為電流大小變化，dt 為電流變化時(shí)間。運(yùn)行頻率越高，電流變化越快，時(shí)間越短，相應(yīng)產(chǎn)生地線電壓越高。 該共模電壓疊加在差模信號(hào)電壓之中，會(huì)引起有用信號(hào)畸變，造成抗電磁干擾EMS 或?qū)ν廨椛銭MI 問題。

圖1 電源電流傳遞過程中由地電位差產(chǎn)生的共模噪聲電壓

2.2 地串?dāng)_問題

兩根不同信號(hào)線存在公共地阻抗， 是產(chǎn)生串?dāng)_的重要因素之一，其原理及問題解決方式分別見圖2（a）、（b）。單板中主要干擾源包括以容性串?dāng)_為主的高dv/dt 信號(hào)線數(shù)字電路和兼有容性串?dāng)_、 感性串?dāng)_高di/dt 信號(hào)線的高電壓大功率電路。圖2（b）表明解決地阻抗引起串?dāng)_的方式是干擾信號(hào)地回流信號(hào)不流經(jīng)被干擾信號(hào)回流信號(hào)地。

圖2 地串?dāng)_問題成因及解決方式

2.3 輻射發(fā)射—PCB 中的等效天線

信號(hào)在PCB 內(nèi)部傳遞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種輻射機(jī)理，差模輻射和共模輻射，分別對(duì)應(yīng)于電磁場理論中的環(huán)天線（磁偶極子）和棒天線（電偶極子）兩種天線模型。 單板中芯片電源與地、信號(hào)與地間形成的電流回路即環(huán)天線，如圖3所示。差模輻射場強(qiáng)計(jì)算公式為：E=2.63×10-16×（f2×A×IS）×（1/r）（V/m）。 其中IS為差模電流強(qiáng)度（mA）；A 為差模電流環(huán)路面積（cm2）；f 為差模電流頻率（MHz）；r 為測試點(diǎn)距離差模環(huán)路距離（m）。 PCB 中信號(hào)/電源環(huán)路等效為跟磁場相關(guān)的環(huán)天線，由該場強(qiáng)公式可知，環(huán)路面積越大，對(duì)外差模輻射越強(qiáng)。 差模輻射通?？梢試?yán)格控制PCB 環(huán)路來解決， 實(shí)踐中較容易處理。 單板中較大高頻阻抗的地（或信號(hào)線回流）通過PCB 較長走線和產(chǎn)品I/O 線纜形成等效棒天線，向外共模輻射，如圖4 所示。 共模輻射場強(qiáng)計(jì)算公式為：E=1.26×10-6×IS×L×f /r（V/m）。 其中IS為共模電流 強(qiáng) 度（mA）；L為共模電流路徑長度（m）；f 為共模電流頻率（MHz）；r為測試點(diǎn)距離共模路 徑 距 離（m）。上述天線輻射模型雖是從EMI 角度分析，但從EMS 角度分析其與EMI 性能趨勢是一致的。

圖3 PCB 中環(huán)天線

圖4 PCB 中棒天線

3 接地設(shè)計(jì)關(guān)鍵

3.1 降低地阻抗

接地平面一般采用低阻抗材料（如銅、鋁等），且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所關(guān)注EMC 頻段范圍內(nèi)，其對(duì)邊之間都是低阻抗。 金屬外殼產(chǎn)品PCB 與金屬外殼之間通過金屬螺釘、 接地彈片等物理方式進(jìn)行多點(diǎn)連接，以降低單板信號(hào)地阻抗。塑膠外殼產(chǎn)品采用內(nèi)部增加金屬板與單板地相 連、PCB 單 獨(dú) 設(shè)計(jì)定義一層完整地平面（多層板）、PCB表層地相互交錯(cuò)并用密集地過孔連接等方式（如圖5 所示）降低地阻抗。

圖5 PCB 表層地相互交錯(cuò)并用密集過孔連接以降低地阻抗

3.2 減少環(huán)路面積

3.2.1 傳統(tǒng)電路理論

邊沿較緩梯形波（普通低速數(shù)字信號(hào)）、低頻模擬信號(hào)，因帶寬小，用集總式、理想模型，按傳統(tǒng)電路理論分析信號(hào)及其回流：源正極→信號(hào)進(jìn)線→負(fù)載→信號(hào)回線（信號(hào)地）→源負(fù)極， 如圖6電源走線所示。此方法即可分析出其環(huán)路面積大小。

圖6 低速信號(hào)與參考地所圍面積

3.2.2 傳輸線理論

圖7 傳輸線模型

圖8 高速信號(hào)在走線上的傳輸方式

邊沿陡峭梯形波（高速信號(hào)），因帶寬大，應(yīng)按分布式、非理想模型，按傳輸線理論分析信號(hào)及其回流，其模型及信號(hào)傳輸方式分別見圖7 和圖8。 傳輸線模型中，激勵(lì)信號(hào)（邊沿陡峭梯形波）激起電場和磁場，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場又產(chǎn)生電場，電磁鉸鏈向前傳播，建立電磁場的位置隨著時(shí)間向前推移。能量傳播中電流環(huán)路方向和電流傳播方向相互獨(dú)立。 為讓信號(hào)能量完整正確傳遞，須使其邊沿在任意一小段走線感受到與鄰近平面分布式電容和信號(hào)路徑及返回路徑間回路電感保持不變。 此環(huán)路面積為信號(hào)走線與鄰近參考平面間所圍矩形， 其大小決定了抗電磁干擾性能：面積大，越容易受干擾，反之則越不易受影響。

3.3 不同地之間的處理

PCB 中分地是為控制各區(qū)域功能電路回流沒有經(jīng)過敏感電路（如低電平模擬電路和射頻電路等區(qū)域），以解決不同電路間可能出現(xiàn)的自兼容問題。 分地應(yīng)注意不同地之間耦合和跨分割兩個(gè)問題。

3.3.1 地耦合

單板中電氣隔離器件（如光耦、變壓器等）或物理隔離器件共模電感均應(yīng)注意隔離前后不同地間高頻耦合問題， 防止不同地間因分布參數(shù)過大使得外部電磁干擾更易進(jìn)入內(nèi)部電路或內(nèi)部電磁騷擾更易對(duì)外輻射。 圖9 給出了避免地耦合問題措施實(shí)例： 接口地敷銅不能延伸到內(nèi)部數(shù)字地區(qū)域。

圖9 避免地耦合措施實(shí)例

3.3.2 數(shù)字地模擬地設(shè)計(jì)

數(shù)字電路地與模擬電路地采用 “分區(qū)但不完全分割地”形式， 即保證兩者間信號(hào)回流暢通， 在被分割地間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個(gè)地間的連接橋，然后通過該連接橋布線，數(shù)字電路域模擬電路地之間通過多點(diǎn)電容連接。

分地設(shè)計(jì)為獲得滿意的串?dāng)_抑制期望，應(yīng)按圖10 所示正確方式布局連線，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤方式。①信號(hào)及電源回流，不能跨分割，即從模擬/數(shù)字電路區(qū)域通過兩個(gè)地之間的連接橋進(jìn)出數(shù)字/模擬電路區(qū)域的信號(hào)前，不能先跨越到對(duì)方區(qū)域后折返回本區(qū)域再進(jìn)入連接橋； ②不同地間不能加高阻器件，特別是磁珠（因在高頻呈現(xiàn)高阻）；③不同地間投影面積不能重合，須有一定間距區(qū)隔，否則會(huì)出現(xiàn)地耦合問題；④相同屬性元器件、布線、電源、地應(yīng)在同一投影面內(nèi)； ⑤對(duì)通過連接橋上的電源和關(guān)鍵信號(hào)所用濾波磁珠位于地分割帶連接橋上正中央位置， 磁珠兩邊均分別增加對(duì)地濾波/去耦電容。 該方法也適用其他分地情形，如射頻地與數(shù)字地、功率地與模擬地等。

圖10 分地設(shè)計(jì)布局

4 接地設(shè)計(jì)實(shí)例

某金屬外殼通信產(chǎn)品，內(nèi)部背板和插板采用插針。在進(jìn)行ESD 接觸放電±6kV 時(shí)，出現(xiàn)復(fù)位和LED 閃爍異常，不符合GB/T 17626.2 靜電放電抗擾度測試性能判據(jù)A要求。 同時(shí)輻射發(fā)射測試也不能通過GB 4824 B 類限值要求，其輻射測試結(jié)果如圖11 所示。

圖11 輻射發(fā)射測試結(jié)果

對(duì)PCB 檢查發(fā)現(xiàn)如下接地問題：插板模擬地、數(shù)字地分地后， 包含復(fù)位信號(hào)在內(nèi)的多根數(shù)字信號(hào)走線跨分割， 且路徑過長， 部分沒有伴地設(shè)計(jì)； 插板與背板相連GND 插針因串聯(lián)等效電感ESL 造成地阻抗高，有棒天線模型輻射發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)，具體如圖12 所示。 整改措施：大幅縮短上述關(guān)鍵信號(hào)走線長度， 并保證其始終位于數(shù)字地區(qū)域內(nèi)。數(shù)模互聯(lián)信號(hào)在地分割帶合位置橋接，并嚴(yán)格按圖10 正確方式進(jìn)行濾波布局。 采用螺釘或金屬卡子實(shí)現(xiàn)插板與背板穩(wěn)固連接，顯著降低互聯(lián)地阻抗。產(chǎn)品整改后重新進(jìn)行ESD 測試，不再出現(xiàn)復(fù)位和LED 閃爍異常。RE 測試也順利通過，其測試結(jié)果如圖13 所示。

圖12 互聯(lián)地插針阻抗引起輻射

圖13 整改后輻射發(fā)射測試結(jié)果

5 結(jié)束語

接地是EMC 設(shè)計(jì)的重要手段，接地阻抗和環(huán)路面積控制是其關(guān)鍵。正確理解EMC 接地方法和實(shí)質(zhì)有利于我們?cè)诎寮?jí)設(shè)計(jì)中以更低成本獲得更好的EMC 性能。