電路設(shè)計(jì)中的EMI問(wèn)題分析及控制

馮國(guó)斌

（廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院，廣東 廣州 510000）

1 EMI基本內(nèi)容

電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾2種。傳導(dǎo)干擾指通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)將1個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另1個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾指干擾源通過(guò)空間將信號(hào)耦合(干擾)到另1個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在高速印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）及系統(tǒng)中，高頻信號(hào)線以及集成電路的引腳和各類插件都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能源發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他系統(tǒng)的正常工作[1]。

2 EMI問(wèn)題產(chǎn)生原因分析

EMI是由于電磁干擾源通過(guò)耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的。它主要包括經(jīng)由導(dǎo)線或者公共地線的傳導(dǎo)、通過(guò)空間輻射、通過(guò)進(jìn)場(chǎng)耦合3種基本形式[2]。EMI的危害表現(xiàn)為能夠降低傳輸信號(hào)質(zhì)量，導(dǎo)致電流或設(shè)備被干擾甚至破壞，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

EMI可以來(lái)自于某個(gè)不定向發(fā)射源以及某個(gè)無(wú)意形成的天線。傳導(dǎo)性EMI可能是某個(gè)輻射EMI干擾源或某個(gè)電路板組件引起的。當(dāng)電路板接收到傳導(dǎo)性干擾后，就會(huì)注入到電路PCB線路中。在正常運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)式電源電路會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)性EMI，電源中的“開(kāi)”“關(guān)”可以切換操作，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的非連續(xù)性電流。這些非連續(xù)性電流會(huì)存在于降壓轉(zhuǎn)化器的輸入端、升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端以及反激和降升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入端與輸出端。開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)引起非連續(xù)性電流產(chǎn)生電壓紋波，其通過(guò)PCB線跡傳播至系統(tǒng)的其他部分。開(kāi)關(guān)式電源引起的輸入或者輸出電壓紋波會(huì)對(duì)負(fù)載電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。

傳導(dǎo)性EMI干擾是開(kāi)關(guān)電流中正常工作于寄生電容和電感共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，如數(shù)字信號(hào)線跡等，這些干擾源的耦合方式均是通過(guò)線跡之間的寄生電容，這些信號(hào)會(huì)將電流尖脈沖帶入鄰近的PCB線跡[3]。此外，干擾源也可能來(lái)自于PCB某個(gè)天線，干擾源的耦合方式也均是線跡之間的寄生電感，該信號(hào)將電壓擾動(dòng)帶入鄰居PCB線跡，每3個(gè)EMI源來(lái)自線纜內(nèi)相鄰的導(dǎo)線，通過(guò)這些導(dǎo)線傳播的信號(hào)則會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的串?dāng)_效應(yīng)。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)式電源（Switching Mode Power Supply，SMPS）電路為傳導(dǎo)性EMI的形成帶來(lái)機(jī)會(huì)，這些電源內(nèi)的“開(kāi)”“關(guān)”可以切換操作，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的非連續(xù)性電流。該非連續(xù)性電流存在于降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端、升壓轉(zhuǎn)化器的輸出端以及反激和降升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入與輸出端。開(kāi)關(guān)動(dòng)作則會(huì)導(dǎo)致非連續(xù)性電流產(chǎn)生電壓紋波，SMPS就會(huì)引起輸入或者輸出電壓紋波，進(jìn)而出現(xiàn)干擾源。

除此之外，EMI共有2類傳導(dǎo)性干擾，即差模輻射干擾和共輻射干擾。差模輻射干擾信號(hào)出現(xiàn)在電路輸入端之間，如信號(hào)于接地之間，電流流經(jīng)同相的2個(gè)輸入端，就會(huì)形成隨電流強(qiáng)弱變化的電壓。

3 電子電路設(shè)計(jì)原則

3.1 整體性原則

在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)中，首先要遵循整體性原則，以整體角度出發(fā)，從整體到局部對(duì)電子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體而言，在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)要充分考慮電子電路各個(gè)部件之間存在的關(guān)聯(lián)性，并對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行分析，從而判斷其整體性質(zhì)[4]。

3.2 功能性原則

雖然電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，但是無(wú)論電子電路多么復(fù)雜都可以利用劃分部件的方式將電子電路劃分為不同層次的小電路。因此，在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)可以根據(jù)各個(gè)部件的功能進(jìn)行劃分，再結(jié)合實(shí)際電路情況，融合各個(gè)部件。

3.3 最優(yōu)化原則

最優(yōu)化原則指對(duì)1個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)的電子電路而言，都會(huì)由不同的小組件組成。具體而言，電子電路中，無(wú)論是哪個(gè)小部件質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)導(dǎo)致電子電路整體質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，為此在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)必須確保每1個(gè)部件都符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 穩(wěn)定性原則

對(duì)電子電路影響的因素諸多，且部分問(wèn)題并非人為可以控制的。具體而言，設(shè)計(jì)電子電路時(shí)大多因素都是不可控制的，因此要確保電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程的穩(wěn)定性。

3.5 性價(jià)比原則

現(xiàn)如今，電子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，無(wú)論是任何電子產(chǎn)品都需有效控制其生產(chǎn)成本和周期，只有通過(guò)出色的使用性能與性價(jià)比才能提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，為此設(shè)計(jì)電子電路時(shí)要重視性價(jià)比原則。

4 EMI解決方案及控制措施

4.1 器件選型

在電路設(shè)計(jì)EMI時(shí)首先重點(diǎn)考慮選用器件的速率，任何電路若要將上升時(shí)間為5 ns的器件轉(zhuǎn)換成上升時(shí)間為2.5 ns的器件，EMI會(huì)提高大約4倍。EMI的輻射強(qiáng)度和頻率的平方會(huì)成正比，最高EMI頻率也稱為EMI發(fā)射帶寬，它是信號(hào)上升時(shí)間而不是信號(hào)頻率的函數(shù)[5]。這種輻射型EMI的頻率范圍為30 MHz～50 GHz，在此頻段上波長(zhǎng)會(huì)很短，電路板上雖然短也可能會(huì)成為發(fā)射天線。而EMI較高時(shí)電路就會(huì)喪失正常功能，為此在器件選型后，要以確保電路性能要求為前提，選擇使用低速芯片。此外，器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在電路設(shè)計(jì)中器件形式對(duì)信號(hào)的影響也是不容忽視的，它也是產(chǎn)生EMI輻射的主要因素。

4.2 連接器的選擇與信號(hào)端子定義

連接器是高速信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)生EMI輻射的主要因素[6]。在連接器的端子設(shè)計(jì)中可以多次安排地針，減少信號(hào)與地面的距離以及連接器產(chǎn)生的EMI輻射信號(hào)環(huán)路面積，提供低阻抗回流通路，必要情況下可以將關(guān)鍵信號(hào)用地針隔離。

4.3 疊層設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)成本允許的情況下適當(dāng)增加地線層數(shù)量，信號(hào)層與地面層緊鄰即可減少EMI輻射。對(duì)于高速PCB電源層和地線層緊鄰耦合即可降低電源阻抗，從而達(dá)到降低EMI輻射的目的。

4.4 布 局

結(jié)合信號(hào)電流流向，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行合理布局，從而減小信號(hào)間干擾[7]。合理布局是有效控制EMI的關(guān)鍵，布局需遵循以下原則：（1）模擬電路要與數(shù)字電路隔開(kāi)；（2）時(shí)鐘線是主要的干擾和輻射源，要遠(yuǎn)離敏感電路，促使時(shí)鐘走向最短；（3）要確保布局對(duì)電源分割的可行性，多電源其要基于電源分割區(qū)域的邊界布放，降低平面分割對(duì)EMI的影響。

4.5 布 線

（1）阻抗控制，高速信號(hào)線會(huì)以傳輸線的特性呈現(xiàn)，需要對(duì)其進(jìn)行阻抗控制，避免信號(hào)出現(xiàn)反沖、過(guò)沖或振鈴，以此降低EMI輻射干擾[8]。（2）分類信號(hào)，根據(jù)不同時(shí)鐘信號(hào)以及總線等的EMI輻射強(qiáng)度及敏感程度，使干擾源和敏感系統(tǒng)盡量分離，降低耦合。（3）信號(hào)環(huán)路，信號(hào)流出至信號(hào)流入形成的回路，是電路設(shè)計(jì)中EMI控制的關(guān)鍵，在布線過(guò)程中必須要加強(qiáng)控制，對(duì)每一關(guān)鍵信號(hào)流向都要了解，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)靠近回流路時(shí)則要確保環(huán)路面積最小[9,10]。

5 結(jié) 論

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中控制EMI問(wèn)題是1項(xiàng)系統(tǒng)、長(zhǎng)期且復(fù)雜的工程，一方面要充分考慮設(shè)備條件及環(huán)境，明確電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)際電子產(chǎn)品需求，另一方面還需要對(duì)信號(hào)干擾源嚴(yán)格控制，確保電子信號(hào)輸入、輸出穩(wěn)定，并以全局角度去看待問(wèn)題，規(guī)避不同信號(hào)干擾源所產(chǎn)生的影響。此外，需要合理布線，對(duì)地線及電源線妥善處理，減少EMI輻射干擾，從而實(shí)現(xiàn)電路兼容性需求。