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1、第6章 电路的EMC设计 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n设备或系统EMC设计，大致要从下面四个方面进行综合考虑：n线路或系统配置；n数字电路；n模拟电路；n线路接地及有关抑制措施。n处理好这几个方面内容，主要考虑的是设备或系统中的PCB板的设计。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所6.1 PCB中的电磁兼容问题 n目前绝大多数电路都是依靠印刷电路板（PCB）来实现的。n电路中电磁兼容问题，其实主要就是PCB中的电磁兼容问题；PCB中的电磁兼容问题也就是电路中的电磁兼容问题。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所6.1.1 电路中有关
2、EMC的一些常见问题 电路中的EMC问题归纳起来有：n线路或系统配置n数字电路n模拟电路n线路接地n有关抑制措施。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所（1）系统或线路配置 n在完成设备或系统的电路功能设计后，应对各有关电路 模块进行仔细分析和分类。从EMC角度，分析哪些是易受到骚扰的电路。 n一般地，高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路和一些含有电接点的电器及设备，这些将是潜在的骚扰源。 n高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路、微处理器以及低电平模拟电路很容易受到骚扰。n组合逻辑电路、线性电源及功率放大器等，则不易受到骚扰的影响。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n有些设备，有较
3、多的骚扰源电路，抑或易受骚扰影响的电路较多，在这种情况下，宜将这些电路集中地按区域放置。n将电路按区域布置便于相对集中地采取屏蔽、接地、滤波等等骚扰抑制措施，有效地达到电磁兼容的目的。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所（2）数字电路n数字电路因利用高频方波脉冲进行工作，其高频谐波分量可以延伸到数百赫兹以上。n另一方面，任何微处理器系统是利用脉冲信号来工作的，因此，外来骚扰脉冲可能对电路误触发。n低电平高速脉冲数字电路既是骚扰源，又容易受到骚扰。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所（3）模拟电路n通常，模拟电路并不像数字电路那样产生大量骚扰，因为模拟电路无需采用高频方波脉冲作为工作
4、信号，但一些频带宽度达几兆赫的视频电路通常是骚扰源。n模拟电路可能产生高频谐振，模拟放大器要考虑相位移及反馈问题以避免谐振。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所（4）线路接地n电路一般均需要考虑接地问题，按其功能分类，接地有安全接地和信号接地（参考接地）两种方式。n安全接地是为设备或电路故障电流进入大地提供一个低阻抗，保证设备电气安全的，一般与大地连接，保证接地的设备与大地处于同一电位；杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n信号接地是设备或电路为了稳定可靠地工作而需要设立一个参考电平，为了电路能够正常工作，信号地则不一定与大地连接，可以是任何定义为电位参考点的位置，这个参考电平通常由大
5、面积金属导体来提供。作为电位基准的导体称为接地参考平面。n仪器的接地参考平面往往都和大地相连接，并使它和大地取得相等的参考电位，这样不仅是为了防护危险，而且也是为了防止骚扰和保证工作状态稳定。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所（5）感性负载的有关抑制方法n电感L的两端的电压VL可用下式表示： n公式表明当电感中的电流产生突变时，将产生一个很高的瞬时电压。n为了保护用于电感负载的开关触头，以减小因触头间瞬时击穿而引起的辐射和传导噪声，常常在电感负载开关触头两端或同时在两者两端并接各种触头防护网络。n一般采取RC抑制网络，二极管网络以及稳压二极管网络等。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用
6、研究所（6）静电放电(ESD）n静电放电耦合到电子线路有直接耦合、电容耦合及电感耦合三种方式。n当放电电流直接流过敏感电路时，便产生直接耦合，它能导致电路损坏。n电容耦合和电感耦合则发生在向邻近的金属物体或电缆放电的时候。n这是因为放电电流所产生的场可能耦合到敏感电路上 。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所电路和系统免受静电放电的不良影响 的方法：n消除产生静电放电的源；n隔离导体，阻止放电；n为放电电流提供替换通路，使其旁路；n屏蔽电路，阻止放电产生的电场或磁场进入。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n静电放电通常发生在设备自身暴露在外的导电物体，或者发生在邻近的导电物体上。对设
7、备而言，容易产生静电放电的部位是：电缆、键盘及暴露在外的金属框架。n除了以上提及的一些问题外，电路还有一些其他电磁骚扰（EMI），例如电路装置的整流器产生的骚扰电压，脉冲装置如脉冲发生器、间歇振荡器、锯齿波电压或电流发生器、多谐振荡器、触发器等包含很多元件、环节和导线等等。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所6.1.2 电路中干扰的本质 n电路中的干扰问题干扰可以被分为两类，内部干扰和外部干扰。n内部干扰可能是由于伴随着传输路径的邻近电路之间的寄生耦合，以及内部组件之间的场耦 合(如对磁盘驱动器的供电)，信号沿着传输路径有衰减。详细说来这些问题就是信号丢失、信号沿路径反射以及与邻近信号线路
8、的串话。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n外部问题分为辐射问题和敏感度问题。辐射问题主要来源于时钟或其它周期性信号的谐波。补偿的方法是将周期信号局限在一个尽量小的区域内以及阻隔与外界寄生耦合的路径。n对于外部影响的敏感度，例如ESD或无线频率的干扰，主要与耦合到I/O线上并传输到单元内部的能量有关。主要的接收器是高速输入线和敏感的相邻线路，尤其是那些边缘激励器件。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所对于EMC的分析主要考虑5个问题：(1)频率：问题在频谱的哪部分出现？(2)振幅：能量级别有多强，它导致有害影响的潜力有多大？(3)时间：出现的问题是连续的（周期信号），还是只在确定
9、的操作循环系统内出现（例如，磁盘驱动器的写操作）。(4)阻抗：源和接收机单元的阻抗是什么？二者间传输媒质的阻抗是什么？(5)尺寸：导致辐射出现的发射设备的物理尺寸是多少？RF电流将产生电磁场，电磁场可以通过底盘的裂缝透出外壳 。PCB上线路的长度与RF电流的传输路径有直接关系。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n通常我们将电流源看成电压施加于一个阻抗产生的。但是，将电压看成是电流流过阻抗形成的结果，具有更多优点。n电场耦合包括共模感应，而磁场耦合则与共模和差模电流均有关（取决于受影响的线路）。n电流优于电压有个简单的理由：电流始终沿着一条或几条路径走闭合环路。这有利于控制电流，使其按照
10、系统正确运行所希望的方式或直或弯曲地流动。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所(1)频率和时间（傅立叶变换：时域频域）n从时间帧的方面来考虑，对设计工程师来说是很普通的 事情，但EMI通常在频域中研究。RF能量是通过各种媒体传播的周期性波。对于那些不是设计为辐射器的产品 ，正弦波的不同波长被记做EMI。单独在时域看，很难理解EMl问题。n法国数学家和物理学家傅立叶建立了一种分析周期函数的方法。他证明任何周期性的信号可以分解为无限个正弦波，每一个都在基本频率的整数倍或者谐波上。这种通过数学算法分解谐波的方法就是傅立叶变换。傅立叶变换可以很容易地用来计算简单的波并用仪器显示出来。 杭州电子科
11、技大学新型电子器件与应用研究所(2)幅度 幅度的影响是显而易见的：幅度越大，干扰就越大。因此，限制RF能量的幅度峰值也就变得很重要了，只要使之达到满足电路、装置及系统的运行需要的程度就行了。(3)阻抗 阻抗发射源和接收机的阻抗不同时的干扰问题要比阻抗相同时的严重，这是因为高阻抗源对低阻抗接收器的干扰小，相反的情况同样成立。这一规律也同样适于辐射耦合，高阻抗和电场相关，低阻抗和磁场相关。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所(4)尺寸 n走线或所开小孔孔径的尺寸需要最小化，这与高速数字装置的电气参数有关。当传播速度成为信源到负载间传播延迟的一个重要部分时，应该考虑场耦合的影响。n当走线长度在
12、物理尺度上可以和某一特定频率的波长相比拟，或就时域而言，当上升时间小于信源到负载间的传播延迟时，那么连线就应当作传输线考虑。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n为实现信号的最佳传输，所有的传输线必须在终端接有与之特性阻抗匹配的负载。虽然这个策略主要是基于信号的完整性考虑，但也有助于对EMI的控制。n就EMI而言，特别注意防止天线效应的产生，即避免走线长度接近干扰源信号的有效激励长度。当走线接近干扰信号波长的某个特定波长(或波长的一部分)时，有效天线就会出现。当走线尺寸达到干扰信号的某一特定波长(或波长的一部分)时，一个高效天线就会形成。杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所6.1.3
13、电磁兼容和PCB n电磁兼容（EMC）指的是一个产品和其他产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其他产品或自身性能下降或损坏的能力。n电磁兼容主要包括两个方面的内容：一是发射性；二是抗扰性，既电磁骚扰性和电磁敏感性。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n有很多情况可以引起电磁干扰（EMI），这是因为EMI常常是无源元件按正常规则工作的以外所造成的结果。n在高频系统里，元器件的器件特性会发生一定的变化。比如一个普通的电容，在高频使用时，就具有电感的特性，理由也很简单，电容在高频时由于存在着引线电感。n一个电感在高频时，由于寄生线耦合使得电感表现出电容特性。n因此，作为一个优秀的硬件设计师，
14、认识到元器件的高 频寄生特性，并在PCB设计阶段采取措施解决此类电磁兼容问题，显得尤为重要。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所元器件在高低频率时不同的特性 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所1导线和PCB走线 n一般不把产品的内部连线、线缆和天线看作有效的RF能量辐射器，每个元件都有引线电感，从硅芯片的连接导线到电阻、电容器和电感线圈的引线，每条导线和走线都有潜在的寄生电容和电感，这些寄生元件影响着导线的阻抗并且对频率敏感。n根据LC值(自谐振频率)和PCB走线的长度，在元件和走线之间可能会发生自谐振，这样就产生了一个有效的辐射天线。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n在
15、低频段，导线主要呈现电阻特性；而在高频段，则呈现电感特性。这个阻抗会改变导线(或PCB走线)与接地的关系，从而引导我们使用接地板和接地网络。n导线和PCB走线之间的主要区别是：金属导线是圆的，而PCB走线是矩形的，金属导线的阻抗包括电阻R和感性电抗 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n在DC和低频的应用中，导线(或走线)基本上呈电阻特性。在较高的频段里，导线(或走线)成为这个阻抗方程的重要部分。100kHz以上，感性电抗2fL超过电阻。因此，导线(或走线)不再是一个低电阻的连接，而是个电感。n作为一个基本的常用规则，任何工作在音频范围以上的导线(或走线)均表现出电感特性，而不是纯电阻，并
16、且可以看作是一个辐射RF能量的有效天线。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n大部分天线都设计成工作在特定频率，对应波长的1/4或1/2，以成为一个有效的辐射器。n在EMC领域，设计建议要求导线(或走线)小于特定频率波长的1/20，以免产品成为无意的辐射源。感性和容性元件对电路的谐振非常有效。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所n例如，假定一条长10cm的走线具有R=57m，8nH/cm，那么在100kHz以上，可以得到一个5m的感性电抗。频率在100kHz以上时，走线就变为电感了。电阻变得可以忽略，也再不是方程的一部分。频率为150MHz以上时，这一条10cm的走线可以看作是一个有效的辐射体。 杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所2电阻n电阻是PCB中常用的元件。n在纯数字电路中，电阻主要是用做限流和确定固定电平，即所谓的上拉或下拉。n在射频系统中，电阻对EMI的产生也是有贡献的。n电阻的高频特性跟其材料和封装关系较大，寄生电容存在于电阻的两端之间，它对极高频设计有
