【導讀】電磁環(huán)境包含輻射和傳導能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產(chǎn)品不必要地產(chǎn)生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境，通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產(chǎn)品容忍其他電磁產(chǎn)品的輻射，或傳導電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標?？箶_度與敏感度相反。敏感度高的設備抗擾度低。常見(jiàn)的EMC問(wèn)題包括：電磁輻射發(fā)射超出標準要求；ESD靜電放電問(wèn)題產(chǎn)生的失效現象如系統死機、系統復位、顯示面板出現錯誤；產(chǎn)品的輻射抗擾度問(wèn)題導致某些頻率上產(chǎn)品的信號輸出變化巨大，通信出現錯誤，或系統復機、死機。
電磁輻射干擾問(wèn)題
無(wú)線(xiàn)通信非常復雜，要分基帶和射頻，在數字電子線(xiàn)路設計中，多數工程師常常對電磁兼容性（EMC）的問(wèn)題感到困擾。
EMC是指電子系統在目標電磁環(huán)境下保持良好性能且不會(huì )向該環(huán)境中引入大量電磁干擾的能力。
電磁環(huán)境包含輻射和傳導能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產(chǎn)品不必要地產(chǎn)生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境，通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產(chǎn)品容忍其他電磁產(chǎn)品的輻射，或傳導電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標?？箶_度與敏感度相反。敏感度高的設備抗擾度低。常見(jiàn)的EMC問(wèn)題包括：電磁輻射發(fā)射超出標準要求；ESD靜電放電問(wèn)題產(chǎn)生的失效現象如系統死機、系統復位、顯示面板出現錯誤；產(chǎn)品的輻射抗擾度問(wèn)題導致某些頻率上產(chǎn)品的信號輸出變化巨大，通信出現錯誤，或系統復機、死機。針對EMC常見(jiàn)問(wèn)題，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu提出了他的看法并給出了解決方案。
電磁輻射原理
使用閉合導體，在其兩端加載時(shí)變電流，就會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)和圍繞它的電場(chǎng)。當電荷加速移動(dòng)時(shí)，如果同時(shí)出現近場(chǎng)和遠場(chǎng)，近場(chǎng)跟著(zhù)電荷做加速運動(dòng)，而遠場(chǎng)無(wú)法與電荷移動(dòng)同步，就會(huì )出現扭結（Kink）。電場(chǎng)扭結太大，就會(huì )脫離原來(lái)的場(chǎng)，輻射出去。
圖1 電場(chǎng)扭結及輻射原理
通常來(lái)說(shuō)，采用兩根平行線(xiàn)纜，長(cháng)度相對比波長(cháng)短，所產(chǎn)生的電場(chǎng)為近場(chǎng)，我們通常稱(chēng)為“差分信號”，這種線(xiàn)纜很難產(chǎn)生扭結（Kink）。如果線(xiàn)纜張開(kāi)一定的角度，電磁場(chǎng)就會(huì )出現不協(xié)調，形成近場(chǎng)和遠場(chǎng)，產(chǎn)生扭結（Kink），形成天線(xiàn)，這也是無(wú)線(xiàn)通信中的天線(xiàn)原理。
圖2 遠場(chǎng)的形成原理
傳輸波形的諧波分量
在數字電路中，大部分基帶信號都類(lèi)似于方波，這些波形是無(wú)數依次遞減的諧波分量疊加而成。電流的諧波分量會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)會(huì )通過(guò)耦合或者輻射的方式往下傳輸。
圖3 數字信號的諧波分量
PCB傳輸線(xiàn)路模型
在PBC Layout中，大部分工程師喜歡把電源線(xiàn)或者信號線(xiàn)和地分開(kāi)布，這樣很危險，因為一旦環(huán)路和高頻信號的波長(cháng)接近，就會(huì )形成一個(gè)環(huán)形天線(xiàn)，高頻的諧波頻率會(huì )通過(guò)電磁場(chǎng)耦合進(jìn)來(lái)，形成共振。
圖4 PCB布線(xiàn)中產(chǎn)生的環(huán)形天線(xiàn)
根據下面兩種布線(xiàn)，兩個(gè)導體會(huì )形成一個(gè)電容。按照電磁場(chǎng)輻射原理，左邊布線(xiàn)，電子在高頻運動(dòng)的時(shí)候，很容易形成近場(chǎng)和遠場(chǎng)，產(chǎn)生扭結，發(fā)射電磁波。同時(shí)也很容易接收外來(lái)電磁波。而右邊布線(xiàn)，電源和地之間，回路足夠小，形成閉合回路，電場(chǎng)輻射就非常微弱，很難產(chǎn)生電場(chǎng)輻射，也很難被其他電磁場(chǎng)干擾。
圖5 電源和地的布局布線(xiàn)對比
大部分信號，特別是高速信號，都會(huì )設計成差分電路。在差分電路中，主要分為直流分量和交流分量，直流分量不會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交流分量會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁干擾。
圖6 差分電路模型
有關(guān)差分電路的布局布線(xiàn)問(wèn)題，其實(shí)就是嚴格按照等長(cháng)對稱(chēng)線(xiàn)來(lái)實(shí)現一個(gè)封閉電路，電磁場(chǎng)很難穿透差分電路。這就是為何差分信號的傳輸特性相對比較穩定。除了需要對差分信號做等分布線(xiàn)之外，工程師還需要對差分信號做電源匹配和包地。
圖7 差分電路等長(cháng)對稱(chēng)原理
實(shí)際上，在電路結構中，各個(gè)回路的電源和地才是整個(gè)電路中最大的差分對，大多時(shí)候，工程師們喜歡把電源布線(xiàn)，布成如圖8所示的結構，在早期的單面板產(chǎn)品布局布線(xiàn)中，這算是最好的布線(xiàn)方法。
圖8 傳統單面板布局布線(xiàn)圖
隨著(zhù)通信速率要求的提高，圖8中這個(gè)布線(xiàn)結構就會(huì )形成天線(xiàn)效應，產(chǎn)生電磁波輻射。所以為了降低電磁干擾，Wolfe Yu建議在布線(xiàn)時(shí)將電源和地盡量布在一起。
圖9 主芯片電源地布線(xiàn)建議
電流匯集模型
有關(guān)電流連續性的問(wèn)題，有一個(gè)比較形象的比喻：每顆電容都是一個(gè)蓄水池，上游存儲的蓄水要大于下游，才不會(huì )因為斷流造成河流干枯。電源供電原理相同，設計不當，就會(huì )引發(fā)強電磁干擾。
圖10 電流匯集模型之蓄水池理論
再來(lái)看看電源拓撲，DCDC電源大致分為三個(gè)環(huán)（一說(shuō)四個(gè)環(huán)），高頻交流斬波環(huán)把兩個(gè)直流輸入環(huán)和輸出環(huán)分割開(kāi)來(lái)，交流環(huán)主要做高速PWM斬波，產(chǎn)生電磁切割，一旦布線(xiàn)不好，容易產(chǎn)生電磁輻射。
圖11 DCDC電源拓撲圖
為了設計方便，Wolfe建議在布局的時(shí)候，把兩個(gè)直流環(huán)和交流環(huán)分開(kāi)布局，方便在布線(xiàn)的時(shí)候分開(kāi)布線(xiàn)。
圖12 DCDC電源布局布線(xiàn)建議
基于同軸線(xiàn)的全封閉電路
在傳輸線(xiàn)路中，工程師們很難保證電路能夠達到100%的閉合效果。為了防止在傳輸線(xiàn)上產(chǎn)生電磁輻射，于是提出一種基于同軸線(xiàn)的傳輸方式。同軸線(xiàn)傳輸就是把電磁場(chǎng)封閉在內外導體之間，輻射損耗和受外界損耗都非常小。
圖13 同軸線(xiàn)閉合電磁場(chǎng)
同軸線(xiàn)傳輸解決了高速信號傳輸的電磁輻射的問(wèn)題。除了電磁輻射問(wèn)題，電路傳輸中還會(huì )面臨另外一個(gè)問(wèn)題。那就是，當信號頻率很高的時(shí)候，除了阻性負載，還有容性負載和感性負載產(chǎn)生的反射信號，反射信號會(huì )疊加在原信號上，改變原信號的形狀，這被稱(chēng)為“傳輸線(xiàn)損耗”。
圖14 傳輸線(xiàn)等效模型
圖14是一個(gè)傳輸線(xiàn)等效模型，除了阻性負載，還存在容性負載和感性負載。根據理論公式，很容易計算出傳輸線(xiàn)的阻抗值。為了抵消反射信號，工程師可以在電路源端和負載之間插入無(wú)源網(wǎng)絡(luò )，使負載阻抗和源阻抗共軛匹配，這就是阻抗匹配。
圖15 阻抗匹配原理
Microchip基于CoaXpress?一攬子解決方案
Excelpoint世健代理的Microchip推出一種基于CoaXpress?的視頻傳輸方案就是基于同軸線(xiàn)的全封閉電路傳輸方案。
EQCO125T40集成均衡器、CDR和電纜驅動(dòng)，可以實(shí)現在一根電纜或PCB跟蹤對上發(fā)送/接收信號，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸，傳輸距離最遠可以達到40m。
同軸電纜固有地被其外部導體屏蔽，從而使其對許多操作環(huán)境中存在的外部電磁干擾（EMI）高度耐受，特別是在嘈雜的工廠(chǎng)環(huán)境中。這使CoaXpress可以應用于各種復雜的工業(yè)環(huán)境，是高清攝像頭鏡頭傳輸的不二方案。
圖16 基于CoaXpress?的視頻傳輸方案
這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire?視頻平臺上，客戶(hù)可以利用Microchip提供的免費IP包輕松完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)流程。
圖17 Microchip PolarFire?視頻平臺
圖18 MIC28517評估板
同時(shí)，Excelpoint世健為客戶(hù)提供相關(guān)參考設計以及技術(shù)指導，針對國內客戶(hù)在進(jìn)行DCDC設計以及布局布線(xiàn)時(shí)容易出現的一系列技術(shù)瓶頸，推出一系列PCB布線(xiàn)指導，同時(shí)也提供PCB設計文件讓客戶(hù)方便導入，幫助客戶(hù)輕松進(jìn)行電子線(xiàn)路設計布局。
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