电路设计及emc器件选择

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1、天马行空官方博客：http:/ ；QQ:1318241189；QQ 群：175569632电路设计及电路设计及 EMCEMC 器件选择器件选择 1电路设计及 EMC 器件选择 在新设计及开发项目的开始，正确选择有源与无源器件及完善的电路设计技 术，将有利于以最低的成本获得 EMC 认证，减少产品因屏蔽和滤波所带来的 额外的成本、体积和重量。 这些技术也可以提高数字信号的完整性及模拟信号 信噪比，可以减少重复使用硬件及软件至少一次，这也将有助于新产品达到其 功能技术要求，尽早投入市场。这些 EMC 技术应视为公司竟争优势的一部分， 有助于使企业获得最大的商业利益。1.1 数字器件与 EMC 电路

2、设计 1.1.1 器件的选择大部分数字 IC 生产商都至少能生产某一系列辐射较低的器件，同时也能生 产几种抗 ESD 的 I/O 芯片，有些厂商供应 EMC 性能良好的 VLSI（有些 EMC微处理器比普通产品的辐射低 40dB）；大多数数字电路采用方波信号同步，这 将产生高次谐波分量，如图 1 示。时钟速率越高，边沿越陡，频率和谐波的发 射能力也越高。 因此，在满足产品技术指标的前提下，尽量选择低速时钟。在 HC 能用时绝不要使用 AC，CMOS4000 能行就不要用 HC。要选择集成度高并 有 EMC 特性的集成电路，比如：* 电源及地的引脚较近* 多个电源及地线引脚* 输出电压波动性小*

3、 可控开关速率* 与传输线匹配的 I/O 电路* 差动信号传输* 地线反射较低* 对 ESD 及其他干扰现象的抗扰性* 输入电容小* 输出级驱动能力不超过实际应用的要求* 电源瞬态电流低（有时也称穿透电流）这些参数的最大、最小值应由其生产商一一指明。由不同厂家生产的具有相 同型号及指标的器件可能有显著不同的 EMC 特性，这一点对于确保陆续生产 的产品具有稳定的电磁兼容符合性是很重要的。高技术集成电路的生产商可以提供详尽的 EMC 设计说明，比如 Intel 的奔腾 MMX 芯片就是这样。设计人员要了解这些并严格按要求去做。详尽的 EMC 设 计建议表明：生产商关心的是用户的真正需求，这在选择

4、器件时是必须考虑的 因素。在早期设计阶段，如果 IC 的 EMC 特性不清楚，可以通过一简单功能电 路（至少时钟电路要工作）进行各种 EMC 测试，同时要尽量在高速数据传输 状态完成操作。发射测试可方便地在一标准测试台上进行，将近场磁场探头连 接到频谱分析仪（或宽带示波器）上，有些器件明显地比其他一些器件噪声小 得多，测试抗扰度时可采用同样的探头，并连到信号发生器的输出端（连续射 频或瞬态）。但如果探头是仪器专配的（不只是简单的短路环或导线），首先 要检查其功率承受能力是否满足要求。测试时近场探头需贴近器件或 PCB 板， 为了定位“关键探测点”和最大化探头方向 ， 应首先在整个区域进行水平及

5、垂 直扫描（使探头在各个方向相互垂直），然后在信号最强的区域集中进行扫描。图 1 上升/下降时间为 1ns 的理想 60MHz 方波的频谱 1.1.2 不宜采用 IC 座IC 座对 EMC 很不利，建议直接在 PCB 上焊接表贴芯片，具有较短引线和 体积较小的 IC 芯片则更好， BGA 及类似芯片封装的 IC 在目前是最好的选择。 安装在座（更糟的是，插座本身有电池）上的可编程只读存储器（PROM）的 发射及敏感特性经常会使一个本来良好的设计变坏。因此，应该采用直接焊接 到电路板上的表贴可编程储存器。带有 ZIF 座和在处理器（能方便升级）上用弹簧安装散热片的母板，需要额 外的滤波和屏蔽，即

6、使如此，选择内部引线最短的表贴 ZIF 座也是有好处的。1.1.3 电路技术* 对输入和按键采用电平检测（而非边沿检测）* 使用前沿速率尽可能慢且平滑的数字信号（不超过失真极限）* 在 PCB 样板上，允许对信号边沿速度或带宽进行控制（例如，在驱动端使 用软铁氧体磁珠或串联电阻）* 降低负载电容，以使靠近输出端的集电极开路驱动器便于上拉，电阻值尽 量大* 处理器散热片与芯片之间通过导热材料隔离，并在处理器周围多点射频接 地。* 电源的高质量射频旁路（解耦）在每个电源管脚都是重要的。* 高质量电源监视电路需对电源中断、跌落、浪涌和瞬态干扰有抵抗能力* 需要一只高质量的看门狗* 决不能在看门狗或电

7、源监视电路上使用可编程器件* 电源监视电路及看门狗也需适当的电路和软件技术，以使它们可以适应大 多数的不测情况，这取决于产品的临界状态* 当逻辑信号沿的上升/下降时间比信号在 PCB 走线中传输一个来回的时间 短时，应采用传输线技术：a 、经验：信号在每毫米轨线长度中传输一个来回的时间等于 36 皮秒b 、为了获得最佳 EMC 特性，对于比 a 中经验提示短得多的轨线，使用传输 线技术有些数字 IC 产生高电平辐射，常将其配套的小金属盒焊接到 PCB 地线而取 得屏蔽效果 。PCB 上的屏蔽成本低，但在需散热和通风良好的器件上并不适 用。时钟电路通常是最主要的发射源，其 PCB 轨线是最关键的

8、一点，要作好元 件的布局，从而使时钟走线最短，同时保证时钟线在 PCB 的一面但不通过过孔。 当一个时钟必须经过一段长长的路径到达许多负载时，可在负载旁边安装一时 钟缓冲器，这样，长轨线（导线）中的电流就小很多了。这里，相对的失真并 非重要。长轨线中的时钟沿应尽量圆滑，甚至可用正弦波，然后由负载旁的时 钟缓冲器加以整形。1.1.4 扩展频谱时钟所谓的“扩展频谱时钟”是一项能够减小辐射测量值的新技术，但这并非真正 减小了瞬时发射功率，因此，对一些快速反应设备仍可能产生同样的干扰。这种技术对时钟频率进行 1% 2% 的调制，从而扩散谐波分量，这样在 CISPR16 或 FCC 发射测试中的峰值较低

9、。所测的发射减小量取决于带宽和测 试接收机的积分时间常数，因此这有一点投机之嫌，但该项技术已被 FCC 所接 受，并在美国和欧洲广泛应用。调制度要控制在音频范围内，这样才不会使时 钟信号失真，图 2 是一时钟谐波发射改善的例子。扩展频谱时钟不能应用于要 求严格的时间通信网络中，比如以太网、光纤、FDD、ATM、SONET 和 ADSL。绝大多数来自数字电路发射的问题是由于同步时钟信号。非同步逻辑（比如 AMULET 微处理器，正由 steve Furbe 教授领导的课题组在 UMIST 研制）将 大大地降低发射量，同时也可获得真正的扩频效果，而不只是集中在时钟谐波 上产生发射。 图 2 时钟扩

10、频导致的辐射降低 1.2 模拟器件和电路设计 1.2.1 选择模拟器件从 EMC 的角度选择模拟器件不象选择数字器件那样直接，虽然同样希望发 射、转换速率、电压波动、输出驱动能力要尽量小，但对大多数有源模拟器件， 抗扰度是一个很重要的因素，所以确定明确的 EMC 订购特征相当困难。来自不同厂商的同一型号及指标的运算放大器，可以有明显不同的 EMC 性 能，因此确保后续产品性能参数的一致性是十分重要的。敏感模拟器件的厂商 提供 EMC 或电路设计上的信噪处理技巧或 PCB 布局，这表明他们关心用户的 需求，这有助于用户在购买时权衡利弊。1.2.2 防止解调问题大多数模拟设备的抗扰度问题是由射频解

11、调引起的。运放每个管脚都对射频 干扰十分敏感，这与所使用的反馈线路无关（见图 3），所有半导体对射频都 有解调作用，但在模拟电路上的问题更严重。即使低速运放也能解调移动电话 频率及其以上频率的信号，图 4 表明了实际产品的测试结果。 为了防止解调，模拟电路处于干扰环境中时需保持线性和稳定，尤其是反馈回 路，更需在宽频带范围内处于线性及稳定状态，这就常常需要对容性负载进行 缓冲，同时用一个小串联电阻（约为 500）和一个大约 5PF 的积分反馈电容串 联。进行稳定度及线性测试时，在输入端注入小的但上升沿极陡 (1ns) 的方波 信号（也可以通过电容馈送到输出端和电源端），方波的基频必须在电路预期

12、 的频带内，电路输出应用 100MHz（至少）的示波器和探针进行过冲击和振铃 检查，对音频或仪表电路也应如此，对更高速模拟电路，要选取频带更宽的示 波器，同时注意使用探头的技巧。超过信号高度 50%的过冲击表明电路不稳定，对过冲击应予以有效的衰减， 信号的任何长久的振铃（超过两个周期）或突发振荡表明其稳定度不好。以上测试应在输入及输出端均无滤波器的情况下进行，也可以用扫频代替方 波，频谱分析仪代替示波器（更易看出共振频率） 图 3 任何半导体器件都会发生解调，所有引线都敏感 图 4 运算放大器能够有效地解调射频信号 1.2.3 其它模拟电路技术获得一稳定且线性的电路后，其所有联线可能还需滤波，

13、同一产品中的数字 电路部分总会把噪声感应到内部连线上，外部连线则承受外界的电磁环境的骚 扰。滤波器将在后面介绍。决不要试图采用有源电路来滤波和抑制射频带宽以达到 EMC 要求，只能使 用无源滤波器（最好是 RC 型）。在运放电路中，只有在其开环增益远大于闭 环增益时的频率范围内，积分反馈法才有效，但在更高频率，它不能控制频率 响应。应避免采用输入、输出阻抗高的电路，比较器必须具有迟滞特性（正反馈）， 以防止因为噪声和干扰而使输出产生误动作，还可防止靠近切换点处的振荡 。 不要使用比实际需要快得多的输出转换比较器，保持 dv/dt 在较低状态。对高频模拟信号（例如射频信号），传输线技术是必需的，

14、取决于其长度和 通信的最高频率，甚至对低频信号，如果对内部联接用传输线技术，其抗扰度 也将有所改善。有些模拟集成电路内的电路对高场强极为敏感，这时可用小金属壳将其屏蔽 起来（如果散热允许），并将屏蔽盒焊接到 PCB 地线面上。与数字电路相同，模拟器件也需要为电源提供高质量的射频旁路（去耦）， 但同时也需低频电源旁路，因为模拟器件的电源噪声抑制率（PSRR）对 1kHz 以上频率是很微弱的，对每个运放、比较器或数据转换器的每个模拟电源引脚 的 RC 或 LC 滤波都是必要的，这些电源滤波器转折频率和过渡带斜率应补偿 器件 PSRR 的转折频率和斜率，以在所关心的频带内获得期望的 PSRR。一般的 EMC 设计指南中都很少涉及射频设计，这是因为射频设计者一般都 很熟悉大多数连续的 EMC 现象，然而需要注意的是，本振和 IF 频率一般都有 较大的泄漏 ，所以需要着重屏蔽和滤波。