電路設(shè)計(jì)EMI問(wèn)題分析
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摘要：電子產(chǎn)品存在時(shí)域、空域以及頻域復(fù)雜的電磁能，電磁干擾問(wèn)題在一定程度上影響著產(chǎn)品性能的發(fā)揮，在某種程度上制約了電子科學(xué)信息與技術(shù)的發(fā)展。為盡量減少電子線路干擾現(xiàn)象，詳細(xì)分析了電磁干擾產(chǎn)生的原因。為了切實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)電子電路設(shè)計(jì)的抗干擾，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行全局設(shè)計(jì)和安排，最大程度上規(guī)避不同類型信號(hào)相互之間產(chǎn)生的干擾影響。布線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)妥善處理公共電源線和接地線，降低各類干擾噪聲，最大程度上實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備在同一環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足電路設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性以及有效性。
關(guān)鍵詞：電子電路；PCB設(shè)計(jì)；emi；抗干擾措施
引言
經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代，各類電子產(chǎn)品越來(lái)越智能先進(jìn)，給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步發(fā)展，微型高集成電路和智能電子電路等廣泛應(yīng)用，極大地提升了人們的生活品質(zhì)。但是，任何電子產(chǎn)品都是在有限空間內(nèi)，存在時(shí)域、空域以及頻域復(fù)雜的電磁能，再由于設(shè)計(jì)的缺陷、電子元器件性能衰減或老化以及人為空間環(huán)境的變化等因素，使得電磁干擾問(wèn)題無(wú)法從根本上消除，也在一定程度上影響著產(chǎn)品性能的發(fā)揮，制約了電子科學(xué)信息與技術(shù)的發(fā)展。為了盡可能地提升電子產(chǎn)品的性能，維持電子產(chǎn)品工作的穩(wěn)定狀態(tài)，很多研究及技術(shù)人員從電路電子元器件的材料選擇、電路布局與設(shè)計(jì)、電路可靠接地、軟硬件EMI輔助設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面進(jìn)行了充分的研究，極大程度上降低了電磁干擾等問(wèn)題[1]。
1電磁干擾產(chǎn)生原因分析
電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）起源于電磁輻射源，由于各類電子元器件及敏感元器件或者設(shè)備相互之間的電信號(hào)作用形成了一定的干擾噪聲，再通過(guò)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾等多種耦合以及元器件發(fā)熱效應(yīng)，疊加了干擾電磁效能。電磁干擾主要耦合途徑為傳導(dǎo)干擾，通過(guò)電路中各種導(dǎo)線、公共電源線以及接地線等對(duì)干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行疊加放大。傳導(dǎo)干擾噪聲頻率范圍一般在10kHz～30MHz，輻射干擾主要是電子設(shè)備內(nèi)部或外部干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合方式進(jìn)行傳播[2]。由于電子電路之間存在一定的工作電壓和電流，各類電子產(chǎn)品的PCB板通常存在差模和共模噪聲干擾信號(hào)。差模噪聲主要是由于電子元器件之間快速的時(shí)變電流（di/dt）作用在工作回路中產(chǎn)生的一種干擾，共模噪聲多為容性電路中快速的電壓變化率(du/dt)作用在地寄生分布電容上產(chǎn)生的一種干擾。在電子設(shè)備EMI測(cè)試時(shí)，差模噪聲|Ep|和共模噪聲|Ec|分別為：式中，|Ip|表示時(shí)差模電路中的電流強(qiáng)度；|Ic|表示共模電路中產(chǎn)生的電流強(qiáng)度；f表示電流工作的頻率；LS表示環(huán)路面積；L表示電纜線路的長(zhǎng)度；d表示EMI測(cè)試時(shí)測(cè)量天線到線路的距離。綜上分析，電磁干擾主要來(lái)自于電子電路中不斷快速變化的工作電流，由于電路工作電流中存在一定的高頻諧波分量，這種時(shí)變電流通過(guò)一定的耦合路徑形成了一種共模電流[3]。EMI測(cè)量差模與共模噪聲計(jì)算模型如圖1所示。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者通過(guò)對(duì)PCB電磁輻射機(jī)理和輻射計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究和探索。一般認(rèn)為在多層PCB布線時(shí)，電源-地平面形成了一種諧振腔結(jié)構(gòu)，電路板電源和地分配網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率上容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電磁輻射，這種高頻輻射通過(guò)電路板邊緣向外輻射，稱為邊緣輻射。PCB電源和地平面的輻射原理通常按照微帶天線輻射機(jī)理進(jìn)行分析和研究，由于電路板長(zhǎng)寬均比電路板厚度大的多，PCB過(guò)孔激勵(lì)兩平行板產(chǎn)生輻射場(chǎng)，并通過(guò)電路板邊緣向外輻射[4]。PCB板邊緣輻射原理如圖2所示。因此，在電路抗干擾設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算盡量降低工作電流中的高頻諧波分量，同時(shí)對(duì)PCB板布線進(jìn)行合理布局。PCB布線中將電源平面和地平面盡量靠在一個(gè)平面維度，有利于產(chǎn)生高平板電容和低阻抗，從而降低高頻噪聲和邊緣輻射能量[5]。再者，盡量降低電路時(shí)鐘頻率，選擇合適的、符合性能要求的以及元器件特性匹配較好的元器件進(jìn)行電路性能優(yōu)化。一般認(rèn)為，當(dāng)電子電路時(shí)鐘信號(hào)遠(yuǎn)小于10MHz時(shí)，信號(hào)布線路徑為微波傳輸線，電路電流耦合路徑產(chǎn)生的差模噪聲干擾較小。PCB設(shè)計(jì)效果直接關(guān)系到電子產(chǎn)品性能的好壞，所以在PCB設(shè)計(jì)時(shí)一方面要最大程度上滿足合理性需求，另一方面應(yīng)充分考慮EMI抗干擾設(shè)計(jì)要求，從而進(jìn)一步提升電產(chǎn)品使用性能并延長(zhǎng)其使用壽命[6]。
2EMI解決方案及措施
目前電子產(chǎn)品中大量采用高時(shí)鐘頻率、多輸入、輸出端口以及高度集成微型電路（IntegratedCircuit，IC），信號(hào)傳輸通常需要高度集合數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)以及光信號(hào)等混合信號(hào)，且電路要求具有高性能、低成本、高可靠以及高穩(wěn)定等特性。PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度越來(lái)越高，PCB板中元器件及多層板間存在的變量按照幾何指數(shù)增加。同時(shí)，還需要保持電路信號(hào)工作的完整性和電磁兼容性，因此有效的EMI解決方案成為設(shè)計(jì)較為困難的問(wèn)題[7]。
2.1PCB板抗干擾方案
PCB板抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用EMIStream等EMI設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件進(jìn)行電子電路的EMI測(cè)試和性能分析，從而提升PCB板的抗干擾能力，確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。為了保證布局的合理性和精準(zhǔn)性，應(yīng)嚴(yán)格控制PCB板子尺寸，進(jìn)一步降低板子阻抗和生產(chǎn)成本。PCB板尺寸如果設(shè)置偏小，那么將不利于電路板散熱，易造成臨近電路干擾。精準(zhǔn)定位出PCB電路板上每一個(gè)電子元器件的位置，按照功能模塊單元完成全部元器件的布局，布局期間需減少高頻元器件連線長(zhǎng)度，避免抗干擾性能差異較大的元器件相近布置，合理布局電子元器件引腳，從而減少元器件的分布參數(shù)。確保走線位置，適當(dāng)保持與對(duì)干擾敏感設(shè)備或元器件的距離，設(shè)計(jì)精確的低電阻串聯(lián)回路，降低電源的平面諧振和電路回流路徑阻抗。正確放置旁路和去耦電容，最大程度優(yōu)化地線圈圍時(shí)鐘區(qū)，盡量減少多余的時(shí)鐘線，合理設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率，滿足需求即可，同時(shí)保證驅(qū)動(dòng)電路貼近電源電路設(shè)計(jì)，布線配合合理，實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)間相互獨(dú)立，進(jìn)一步強(qiáng)化信號(hào)接收效果，降低干擾，維持設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性[8]。
2.2電源線及地線抗干擾布置措施
PCB板電路中，多數(shù)干擾因素來(lái)自于電源線或地線，為有效避免反饋耦合效應(yīng)，電路輸入端和輸出端口之間導(dǎo)線可合理設(shè)置線間地線，且布線是盡量避免鄰行布置。合理計(jì)算流經(jīng)導(dǎo)線（電源線、地線）電流值和導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度，確定好導(dǎo)線的有效寬度。精準(zhǔn)計(jì)算出導(dǎo)線擊穿電壓和絕緣電阻值，確定導(dǎo)線間的最小布置距離。在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮線性電路和邏輯電路布置的合理性，盡量將兩種電路分開(kāi)[9]。布線時(shí)盡量選擇較小面積的銅箔，減少熱效應(yīng)的影響，如確實(shí)需要使用大面積銅箔材料，則應(yīng)采用柵格狀銅箔，以利于散熱和通風(fēng)。設(shè)置接地線應(yīng)形成一個(gè)完全閉合的環(huán)路，低頻電路的接地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地方式，高頻電路則盡量使用多點(diǎn)串聯(lián)接地方式，接地線長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)，且要加粗處理。在設(shè)置電容引線的時(shí)候，引線長(zhǎng)度盡量短，且高頻旁路電容不需要設(shè)置引線，電源線和地線走向與數(shù)據(jù)傳遞方向應(yīng)盡量保持一致。此外，部分電路產(chǎn)品中需要合理布置一定的安全接地線、避雷接地線以及屏蔽接地線，防止靜電、雷電及其他電子干擾的影響[10]。
3結(jié)論
解決電子產(chǎn)品EMI干擾問(wèn)題是一項(xiàng)較為復(fù)雜、系統(tǒng)且精準(zhǔn)的工作，不僅需要充分考慮設(shè)備工作的條件和環(huán)境，考慮元器件的材料選擇和性能匹配，明確產(chǎn)品使用要求和標(biāo)準(zhǔn)，還需要在此基礎(chǔ)上嚴(yán)格高效地控制信號(hào)，保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)穆窂?，同時(shí)要進(jìn)行全局設(shè)計(jì)和安排，最大程度上規(guī)避避不同類型信號(hào)相互之間產(chǎn)生的干擾影響。進(jìn)行合理布線，妥善處理公共電源線和接地線，滿足電路設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性以及有效性，降低各類干擾噪聲，最大程度上實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備在同一環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)備兼容性需求。
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作者：蘇江帆 單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司