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1、高频干扰对PCB电磁兼容性的影响的分析研究 黄超 (安徽工业大学电气信息学院，安徽 马鞍山 243000) 摘 要：随着科技的发展，越来越多的电子设备采用高速 PCB（Printed Circuit Board） 。然而，由于 PCB 工作在高 频状态，其产生的瞬态脉冲包含有能够发射电磁干扰（EMI）的高频谐波。这些高频谐波不仅影响 PCB 的电磁兼容（EMC） 性能，而且影响整个产品的成本。所以，电子设备的电磁兼容分析是现代电子工程设计人员进行设计时必须考虑的。电磁 兼容预测把产品的电磁兼容问题解决在产品定型之前，可以节约大量的时间和金钱。 关键词：PCB,高频谐波，电磁兼容 The EMC
2、 analyzing with high-frequency interference in PCB Design Huang Chao Anhui University Of Technology, Maanshan, Anhui, China Abstract: With the development of science and technology, more and more electron devices begin to use high-speed PCB(Printed Circuit Board). However, impulses in these high-spe
3、ed PCB will produce high-frequency electromagnetic interference. The interference influences not only PCBs EMC, but also products cost. So electronic design engineers now should analyze the PCB for EMC in the period of design.The EMC analyzing solves the EMC problems before the product being made. I
4、t will save plenty of time and money. Keywords: PCB, high-frequency electromagnetic interference,EMC 1、绪论 1.1 PCB 设计中电磁兼容分析的目的和意义 随着现代电路信号传输速度的不断增长，目前 的 PCB 不再只是简单的电子连接设备，而是具有自 己特定组件要求的复杂独立产品，是系统功能赖以 实现的支撑体。在系统设计过程中，应采取合适的 方法保证这些电路板达到要求。 从电子行业的发展来看，1992年只有40%的电 子系统工作在30MHz的频率；到1994年已有 50%的 设计达到了 50M
5、Hz；1996 年之后，高速设计在整个 电子设计领域所占的比例越来越大，100MHz 以上的 系统已随处可见。而目前随着计算机技术，无线通 信技术，高速网络技术的发展，有不少电子系统的 外部总线（RAMBUS）的速率超过 400MHz,CPU 主频 超过 3GHz，在高速网络中数据传输速率超过 40Gbit/sec。总之，高速设计在整个电子设计领域 所占的比例越来越大。现在，高频高速分析和布局 布线问题正成为电子产品 PCB 设计的主流问题，相 当多的新产品设计中都在使用高速电路板 1 。 1.2 国内外研究动态 上世纪 80 年代，美国、德国、日本、前苏联、 法国等经济发达国家在电磁兼容研究
6、和应用方面达 到了较高的水平。主要研究及应用的内容包括电磁 兼容标准和规范的制定、EMC 分析、设计和测试理 论及方法的研究，EMC 分析与测量用仪器、设备及 众多应用材料的研制与应用等。已研制出多种高精 度的电磁干扰及电磁敏感度自动测量系统，开发出 多种计算机分析和预测软件用于系统内和系统间电 磁兼容性设计，形成了一套较为完整的设计体系。 我国对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚， 直到上世纪 80 年代初才组织系统的研究并制定国 家和行业级的电磁兼容性标准和规范。随着市场经济的发展和加入WTO，我国对各个行业各种产品的电 磁兼容性有了更高的要求，因而利用先进技术设备 对产品的 EMC 性能进
7、行分析、预测以及测试改进的 要求日益迫切。而我国目前商用电磁兼容预测仿真 软件的开发还比较落后，目前尚无成熟的仿真软件 产品报道，这方面的研究还有待于深入 2，3 。 2、PCB 中的高频辐射干扰 2.1 PCB 的特点 在 PCB 的设计过程中，我们的自由度在于以下 几个方面： 1）PCB 的层数。 2）PCB 的布局。 3）PCB 的轨迹。 4）对元件、器件、IC、接插件和线缆等的选择。但是，在 PCB 的设计过程中，我们很有可能对 元、器件和 IC 等本身的电磁模型的了解是一个盲 区，这是电磁兼容最不易掌握的地方。做一个比喻， PCB 的轨迹是路，元、器件和 IC 等是车站码头、 村落和
8、城镇等。对于路的问题，应用传输线理论、 天线理论等其它电磁理论就可以解决。对于 IC 等 电磁模型的盲区，有两个方法可以应用： 1）要求厂家提供标准的模型。现在的 IC 设计 是通过软件设计的，厂家应该有仿真和实测的模型。2）不考虑这个问题。在设计过程中，该有的外 围元件统统加上；简化电磁兼容分析。此时我们心 中比较没有把握。任何 PCB 都有一个电源模块，电 源的 PCB 一般是与电路母板分开设计的，电源PCB 引起的干扰主要是传导性的。时钟电路产生的信号 一般是周期性的方波，其频谱是分立的，以基频的 整数倍数展开。其分立频率越高，能量越小 4 。 振 荡电路产生的信号一般是周期性的，有脉冲
9、和连续 波的，其频谱也是分立的。 数字信号一般是非周期 性信号，其频谱是连续的，脉冲宽度越窄，频谱越 宽。 模拟信号一般是窄带的，其电路的频谱特性一 般是已知的。 因此，对 PCB 的电磁辐射机理，一般应从两个 方面入手：频域和时域。对短脉冲所产生的辐射而 形成的宽带干扰多从时域入手，但是分析的难度相 对于频域而言要大些。从电磁兼容的标准来看，在 各个频率范围内来限定干扰电压或电流的峰值或均 值。这是因为测量设备主要集中在频域测量。因此， 解决电磁辐射干扰问题的一个关键点在于电磁辐射 的频率、幅度等，来源于哪一个干扰源，再采取措 施将干扰源产生的电磁辐射限定在一定范围之内。 2.2 场区 天线
10、既是电磁场的辐射源，又是电磁测量的 接收单元。电磁测量有近场和远场测量之分。虽 然对辐射问题以远场分析居多，但是近来发展了一 些近场测量技术。事实上，一些国外公司现在已开 发出一些近场扫描测量设备和数值分析软件。近场 测量方法在现代电磁场的测量中，也扮演着一个重 要的角色。在此介绍一种对场区划分的标准。电磁 矢量位 （2-1） dv R e J A jkR 4 其中，R 是源点至场点的距离。 对含 R 的相位项进行二项式展开，有助于我们 理解对辐射远场区、辐射近场区和感应近场区的划 分。 ) ( cos 1 ) ( cos 2 ) ( cos 1 2 ) cos( 2 2 2 3 2 2 r
11、r r r r r r r r r r r r r R （2-2） 1）辐射远场区 当 时，因忽略R中的第三 ) cos( r r r r R 项而引起的最大相位差为 时， 8 即：（2- 16 ) ( cos 1 2 ( 2 2 r r r r Max3） 如果天线的最大尺寸为 D，则远场条件为：（2-4） 2 2 , f D r r D r 其中， 是波长。在远场区，电场、磁场与磁 波的传播方向相互垂直，呈辐射场的性质。 2）辐射近场区（2-5） ) ( cos 1 2 ) cos( 2 2 r r r r r r r r R 时，因忽略R中的第三项而引起的最大相位差 为 时，即： 8 ，
12、 （2-6） 16 ) ( cos 1 ) ( cos 2 ( 2 2 2 3 r r r r r r Max 那么得到：（2-7） 3 62 . 0 ) ( D r Min 辐射近场区的条件为：（2-8） 2 3 2 62 . 0 D r D 其特点是辐射功率密度大于无功功率密度，这 一点可从 Poyting 矢量得到理解。 3）感应近场区 感应近场区的条件为:（2-9） 3 62 . 0 0 D r 在此区域内，无功功率密度大于辐射功率密度。 4）近场天线因子 在辐射发射的测量过程中，按照规则要求需要 使用在不同的频率范围内不同的校准天线。依据不 同的场距、频率和场地条件，天线因子是不同的
13、。 天线因子 AF 一般与在匹配负载（典型为 AF 50）上的感应电压 和入射平面波的场强 E 有 r V 关，即：（2-10） r V E AF 在自由空间中，两个相同的天线，其远场耦合度为：（2-11） 2 2 2 ) 4 ( r G C 其中，G 是天线的增益， 是波长，r 是两个 天线的距离。 假设发射天线的输出电压为 ，两个相同天线 t V 的有效增益可以应用下述方程来校准：（2-12） t r eff V rV G 4 因此，天线因子为：（2-13） ) ( 2 73 . 9 t r V V r AF 天线因子用分贝表示为： （2-14） ) ( 16 ) ( log 10 dB
14、rV V Mhz f AF r t 考虑到近场测量中两个天线之间存在着互感， 耦合项修正为：（2- ) ( ) 50 ( ) ( ) 50 ( log 10 2 2 2 2 dB X R X X R R C s s m s m s m 15） 其中， 和 分别是天线自阻抗的实部和虚 R s X 部， 和 分别是天线互阻抗的实 部和虚部。 m R m X 考虑到天线的互阻抗，天线的修正因子为：（2-16） ) ( ) ( dB C dB AF AF m C 电磁干扰源与受扰装置间的耦合可以归纳为 3 个途径：辐射、感应和传导。辐射发生在远场的环 境中，感应属于近场的环境。不管近场还是远场， 统称为辐射 EMI。工程实际中通常以2为区分 标准，远大于该距离即为远场，反之为近场。下面给出了几个频率点的远、近场分界点。对于高速数 字电路设计人员来说，当频率超过 1GHz时，4.8cm 的距离就要看作远场环境。 表 2-1 几个点的 值 2 频率值 2 1 MHz 48m 10 MHz 4.8m 100 MHz 0.48m 1GHz 0.048m 3、辐射的基本原
