電磁兼容（EMC）：工程師之硬件EMC設計規范

廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，我們都知道干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接收器是電磁干擾的三要素，同時(shí)EMC也是圍繞這些問(wèn)題進(jìn)行研究，而運用最為廣泛的抑制方法是屏蔽、濾波和接地，用它們來(lái)切斷干擾的傳輸途徑。

本文將著(zhù)重在單板的EMC設計上，介紹一些重要的EMC知識及法則。在最初電路板的設計階段就著(zhù)手考慮對電磁兼容的設計，種類(lèi)包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線(xiàn)產(chǎn)生的輻射和通過(guò)由互連布線(xiàn)和印制線(xiàn)形成的回路噪聲等。

在高速邏輯電路里，這類(lèi)問(wèn)題特別脆弱，原因很多：

（1）電源與地線(xiàn)的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁；

（2）信號頻率較高，通過(guò)寄生電容耦合到步線(xiàn)較有效，串擾發(fā)生更容易；

（3）信號回路尺寸與時(shí)鐘頻率及其諧波的波長(cháng)相比擬，輻射更加顯著(zhù)；

（4）引起信號線(xiàn)路反射的阻抗不匹配問(wèn)題。

2. 選擇交直流電源濾波器抑制內外電源線(xiàn)上的傳導和輻射干擾，既防止EMI進(jìn)入電網(wǎng)，危害其它電路，又保護設備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 < 1mhz時(shí)占主導地位。cm在=""> 1MHz時(shí)，占主導地位。

3. 使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線(xiàn)上，用作高頻電路的去耦，濾波以及寄生振蕩的抑制。

4. 盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF)，對進(jìn)入板極的直流電源及穩壓器和DC/DC轉換器的輸出進(jìn)行濾波(uF)

二總體概念及考慮

1. 五一五規則，即時(shí)鐘頻率到5MHz或脈沖上升時(shí)間小于5ns，則PCB板須采用多層板。

2. 不同電源平面不能重疊。

3. 公共阻抗耦合問(wèn)題。

模型：

VN1＝I2ZG為電源I2流經(jīng)地平面阻抗ZG而在1號電路感應的噪聲電壓。

由于地平面電流可能由多個(gè)源產(chǎn)生，感應噪聲可能高過(guò)模電的靈敏度或數電的抗擾度。

解決辦法：

（1）模擬與數字電路應有各自的回路，最后單點(diǎn)接地；

（2）電源線(xiàn)與回線(xiàn)越寬越好；

（3）縮短印制線(xiàn)長(cháng)度；

（4）電源分配系統去耦。

4. 減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5. 一個(gè)重要思想是：PCB上的EMC主要取決于直流電源線(xiàn)的Z

三布局

下面是電路板布局準則：

1. 晶振盡可能靠近處理器。2. 模擬電路與數字電路占不同的區域。3. 高頻放在PCB板的邊緣，并逐層排列。4. 用地填充空著(zhù)的區域。

四布線(xiàn)

1. 電源線(xiàn)與回線(xiàn)盡可能靠近，方法各走一面。

2. 為模擬電路提供一條零伏回線(xiàn)，信號線(xiàn)與回程線(xiàn)小與5：1。

3. 針對長(cháng)平行走線(xiàn)的串擾，增加其間距或在走線(xiàn)之間加一根零伏線(xiàn)。

4. 手工時(shí)鐘布線(xiàn)，遠離I/O電路，可考慮加專(zhuān)用信號回程線(xiàn)。

5. 關(guān)鍵線(xiàn)路如復位線(xiàn)等接近地回線(xiàn); 為使串擾減至最小，采用雙面＃字型布線(xiàn)。

6. 高速線(xiàn)避免走直角; 強弱信號線(xiàn)分開(kāi)。

五屏蔽

1. 屏蔽 > 模型：

屏蔽效能SE(dB)＝反射損耗R(dB)＋吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射，吸收是低頻磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵機理。

2. 工作頻率低于1MHz時(shí)，噪聲一般由電場(chǎng)或磁場(chǎng)引起，(磁場(chǎng)引起時(shí)干擾，一般在幾百赫茲以?xún)?，1MHz以上，考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實(shí)體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機架的屏蔽。

3. 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的，只要求高電導率材料和接地兩點(diǎn)。電磁屏蔽不要求接地，但要求感應電流在上有通路，故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導率的材料做 封閉的屏蔽體，為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達到吸收的目的，對材料有厚度的要求。高頻情況下，三者可以統一，即用高電導率材料(如銅)封閉并接地。

4. 對低頻，高電導率的材料吸收衰減少，對磁場(chǎng)屏蔽效果不好，需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵)。

5. 磁場(chǎng)屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的最大線(xiàn)性尺寸。

6. 磁耦合感應的噪聲電壓UN＝j(luò )wB.A.coso＝j(luò )wM.I1，(A為電路2閉合環(huán)路時(shí)面積；B為磁通密度；M為互感；I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓，有兩個(gè)途徑，對接收電路而言，B、A和COS0必須減??；對干擾源而言，M和I1必須減小。雙絞線(xiàn)是個(gè)很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積，并同時(shí)在絞合的另一根芯線(xiàn)上產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢。

7. 防止電磁泄露的經(jīng)驗公式：縫隙尺寸

六接地

1. 300KHz以下一般單點(diǎn)接地，以上多點(diǎn)接地，混合接地頻率范圍50KHz～10MHz。另一種分法是：

2. 接地方式：樹(shù)形接地

信號電路屏蔽罩的接地（接地點(diǎn)選在放大器等輸出端的地線(xiàn)上）

3. 對于射頻電路接地，要求接地線(xiàn)盡量要短或者根本不用接線(xiàn)而實(shí)現接地。接地線(xiàn)是扁平銅編織帶。當地線(xiàn)長(cháng)度是λ/4波長(cháng)的奇數倍時(shí)，阻抗會(huì )很高，同時(shí)相當λ/4天線(xiàn)，向外輻射干擾信號。

4. 單板內數字地、模擬地有多個(gè)，只允許提供一個(gè)共地點(diǎn)，接地還包括用導線(xiàn)做電源回線(xiàn)和搭接等。

七濾波

1. 選擇EMI信號濾波器濾除導線(xiàn)上工作不需要的高頻干擾成份，解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線(xiàn)路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分，有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過(guò)渡性能，最能保證工作信號質(zhì)量。

一個(gè)典型信號的頻譜：