【導讀】EMI 的產(chǎn)生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造成的。它包括經(jīng)由導線(xiàn)或公共地線(xiàn)的傳導、通過(guò)空間輻射或通過(guò)近場(chǎng)耦合三種基本形式。EMI 的危害表現為降低傳輸信號質(zhì)量，對電路或設備造成干擾甚至破壞，使設備不能滿(mǎn)足電磁兼容標準所規定的技術(shù)指標要求。
為抑制EMI，數字電路的EMI 設計應按下列原則進(jìn)行：
根據相關(guān)EMC/EMI 技術(shù)規范，將指標分解到單板電路，分級控制。
從EMI 的三要素即干擾源、能量耦合途徑和敏感系統這三個(gè)方面來(lái)控制，使電路有平坦的頻響，保證電路正常、穩定工作。
從設備前端設計入手，關(guān)注EMC/EMI 設計，降低設計成本。
2 數字電路PCB 的EMI 控制技術(shù)
在處理各種形式的EMI 時(shí)，必須具體問(wèn)題具體分析。在數字電路的PCB 設計中，可以從下列幾個(gè)方面進(jìn)行EMI 控制。
2.1 器件選型
在進(jìn)行EMI 設計時(shí)，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時(shí)間為5ns 的器件換成上升時(shí)間為2.5ns 的器件，EMI 會(huì )提高約4倍。EMI 的輻射強度與頻率的平方成正比，最高EMI 頻率(fknee)也稱(chēng)為EMI 發(fā)射帶寬，它是信號上升時(shí)間而不是信號頻率的函數：
fknee =0.35/Tr (其中Tr 為器件的信號上升時(shí)間)
這種輻射型EMI 的頻率范圍為30MHz 到幾個(gè)GHz，在這個(gè)頻段上，波長(cháng)很短，電路板上即使非常短的布線(xiàn)也可能成為發(fā)射天線(xiàn)。當EMI 較高時(shí)，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應盡量使用低速芯片，采用合適的驅動(dòng)/接收電路。另外，由于器件的引線(xiàn)管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設計中，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產(chǎn)生EMI 輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數小于QFP 封裝。
2.2 連接器的選擇與信號端子定義
連接器是高速信號傳輸的關(guān)鍵環(huán)節，也是易產(chǎn)生EMI 的薄弱環(huán)節。在連接器的端子設計上可多安排地針，減小信號與地的間距，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號環(huán)路面積，提供低阻抗回流通路。必要時(shí)，要考慮將一些關(guān)鍵信號用地針隔離。
2.3 疊層設計
在成本許可的前提下，增加地線(xiàn)層數量，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI 輻射。對于高速PCB，電源層和地線(xiàn)層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。
2.4 布局
根據信號電流流向，進(jìn)行合理的布局，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI 的關(guān)鍵。布局的基本原則是：
模擬信號易受數字信號的干擾，模擬電路應與數字電路隔開(kāi);
時(shí)鐘線(xiàn)是主要的干擾和輻射源，要遠離敏感電路，并使時(shí)鐘走線(xiàn)最短;
大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區域，同時(shí)應考慮散熱和輻射的影響;
連接器盡量安排在板的一邊，并遠離高頻電路;
輸入/輸出電路靠近相應連接器，去耦電容靠近相應電源管腳;
充分考慮布局對電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區域邊界布放，以有效降低平面分割對EMI 的影響;
回流平面(路徑)不分割。
2.5 布線(xiàn)
阻抗控制：高速信號線(xiàn)會(huì )呈現傳輸線(xiàn)的特性，需要進(jìn)行阻抗控制，以避免信號的反射、過(guò)沖和振鈴，降低EMI 輻射。
將信號進(jìn)行分類(lèi)，按照不同信號(模擬信號、時(shí)鐘信號、I/O 信號、總線(xiàn)、電源等)的EMI 輻射強度及敏感程度，使干擾源與敏感系統盡可能分離，減小耦合。
嚴格控制時(shí)鐘信號(特別是高速時(shí)鐘信號)的走線(xiàn)長(cháng)度、過(guò)孔數、跨分割區、端接、布線(xiàn)層、回流路徑等。
信號環(huán)路，即信號流出至信號流入形成的回路，是PCB 設計中EMI 控制的關(guān)鍵，在布線(xiàn)時(shí)必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號的流向，對于關(guān)鍵信號要靠近回流路徑布線(xiàn)，確保其環(huán)路面積最小。
對低頻信號，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對高頻信號，要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑，而非電阻最小的路徑(見(jiàn)圖1)。對于差模輻射，EMI 輻射強度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。(其中I 是電流、A 是環(huán)路面積、f 是頻率、r 是到環(huán)路中心的距離，k 為常數。)
因此當最小電感回流路徑恰好在信號導線(xiàn)下面時(shí)，可以減小電流環(huán)路面積，從而減少EMI輻射能量。
關(guān)鍵信號不得跨越分割區域。
高速差分信號走線(xiàn)盡可能采用緊耦合方式。
確保帶狀線(xiàn)、微帶線(xiàn)及其參考平面符合要求。
去耦電容的引出線(xiàn)應短而寬。
所有信號走線(xiàn)應盡量遠離板邊緣。
對于多點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò )，選擇合適的拓撲結構，以減小信號反射，降低EMI 輻射。
2.6 電源平面的分割處理
電源層的分割
在一個(gè)主電源平面上有一個(gè)或多個(gè)子電源時(shí)，要保證各電源區域的連貫性及足夠的銅箔寬度。分割線(xiàn)不必太寬，一般為20～50mil 線(xiàn)寬即可，以減少縫隙輻射。
地線(xiàn)層的分割
地平面層應保持完整性，避免分割。若必須分割，要區分數字地、模擬地和噪聲地，并在出口處通過(guò)一個(gè)公共接地點(diǎn)與外部地相連。
為了減小電源的邊緣輻射，電源/地平面應遵循20H 設計原則，即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H(見(jiàn)圖2)，這樣邊緣場(chǎng)輻射強度可下降70% 。
3 EMI 的其它控制手段
3.1 電源系統設計
設計低阻抗電源系統，確保在低于fknee 頻率范圍內的電源分配系統的阻抗低于目標阻抗。
使用濾波器，控制傳導干擾。
電源去耦。在EMI 設計中，提供合理的去耦電容，能使芯片可靠工作，并降低電源中的高頻噪聲，減少EMI。由于導線(xiàn)電感及其它寄生參數的影響，電源及其供電導線(xiàn)響應速度慢，從而會(huì )使高速電路中驅動(dòng)器所需要的瞬時(shí)電流不足。合理地設計旁路或去耦電容以及電源層的分布電容，能在電源響應之前，利用電容的儲能作用迅速為器件提供電流。正確的電容去耦可以提供一個(gè)低阻抗電源路徑，這是降低共模EMI 的關(guān)鍵。
3.2 接地
接地設計是減少整板EMI 的關(guān)鍵。
確定采用單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地或者混合接地方式。
數字地、模擬地、噪聲地要分開(kāi)，并確定一個(gè)合適的公共接地點(diǎn)。
雙面板設計若無(wú)地線(xiàn)層，則合理設計地線(xiàn)網(wǎng)格很重要，應保證地線(xiàn)寬度》電源線(xiàn)寬度》信號線(xiàn)寬度。也可采用大面積鋪地的方式，但要注意在同一層上的大面積地的連貫性要好。
對于多層板設計，應確保有地平面層，減小共地阻抗。
3.3 串接阻尼電阻
在電路時(shí)序要求允許的前提下，抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號輸出端串入小阻值的電阻，通常采用22～33Ω的電阻。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時(shí)間并能使過(guò)沖及下沖信號變得較平滑，從而減小輸出波形的高頻諧波幅度，達到有效地抑制EMI 的目的。
3.4 屏蔽
關(guān)鍵器件可以使用EMI 屏蔽材料或屏蔽網(wǎng)。
對關(guān)鍵信號的屏蔽，可以設計成帶狀線(xiàn)或在關(guān)鍵信號的兩側以地線(xiàn)相隔離。
3.5 擴頻
擴展頻譜(擴頻)的方法是一種新的降低EMI 的有效方法。擴展頻譜是將信號進(jìn)行調制，把信號能量擴展到一個(gè)比較寬的頻率范圍上。實(shí)際上，該方法是對時(shí)鐘信號的一種受控的調制，這種方法不會(huì )明顯增加時(shí)鐘信號的抖動(dòng)。實(shí)際應用證明擴展頻譜技術(shù)是有效的，可以將輻射降低7到20dB。
3.6 EMI 分析與測試
仿真分析
完成PCB 布線(xiàn)后，可以利用EM I 仿真軟件及專(zhuān)家系統進(jìn)行仿真分析，模擬EMC/EMI 環(huán)境，以評估產(chǎn)品是否滿(mǎn)足相關(guān)電磁兼容標準要求。
掃描測試
利用電磁輻射掃描儀，對裝聯(lián)并上電后的機盤(pán)掃描，得到PCB 中電磁場(chǎng)分布圖(如圖3，圖中紅色、綠色、青白色區域表示電磁輻射能量由低到高)，根據測試結果改進(jìn)PCB 設計。
4 小結
隨著(zhù)新的高速芯片的不斷開(kāi)發(fā)與應用，信號頻率也越來(lái)越高，而承載它們的PCB 板可能會(huì )越來(lái)越小。PCB 設計將面臨更加嚴峻的EMI 挑戰，唯有不斷探索、不斷創(chuàng )新，才能使PCB板的EMC /EMI 設計取得成功。
【推薦閱讀】
