一款485通訊隔離產品的EMC設計與改善

張同興，錢劍敏，王 安

（1.東華大學 上海 201619；2.上海航銳電源科技有限公司 上海 201101）

為了便于PC機采集產品（具有RS-485接口）數據，需要在上位機添加一個COM口，從而實現PC與產品信息的互通。產品設計之初，并未充分考慮到EMC要求，導致認證失敗，項目進度拖延。為了降低產品EMI，后續在實驗基礎上提出并實施了多項改進措施，使產品順利通過FCC Class B認證。

1 產品設計及EM I分析

該產品使用USB供電，當連接至電腦后，在電腦上虛擬出一個COM口。通過該COM端口，PC機則可以與外部RS-485設備進行通訊。考慮到通訊的穩定及可靠性，系統選用了Analog Device具有信號及電源隔離功能的RS-485轉換芯片ADM2587。

產品設計之初，即改板前，PCB采用普通的兩層板，地層填充在信號/電源層上，以ADM2587芯片為基準，隔離距離為6 mm。FCC Class B認證輻射測試結果如圖1（a）所示。

由結果可知，在400 MHz和810 MHz頻率點上，輻射超標分別為11 dB和6 dB。因為RS485電平轉換芯片ADM2587使用了isoPower技術，應用高頻率開關元件通過變壓器實現功率轉換，該功能類似開關電源，但其工作頻率比標準DC-DC轉換器高3個數量級，使轉換器工作所產生的噪聲落在30 MHz至1 GHz范圍內，因而產生輻射問題[3]。

2 原理改進

為了達到認證要求，必須綜合運用多項抗電磁輻射技術。

鐵氧體磁珠廣泛應用于印制電路板，專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。它等效于電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化。它比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現阻性，所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。選擇磁珠應考慮兩方面：一是電路中噪聲干擾的情況，二是需要通過的電流大小。要大概了解噪聲的頻率、強度，不同的磁珠的頻率阻抗曲線是不同的。一般也沒有很明確的計算和選擇的標準，主要看實際使用的效果。

共模電感又名共模扼流線圈，顧名思義共模電感的主要功用即是抑制共模干擾。共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。

圖1 FCC輻射測試結果Fig.1 FCC Radiation emission result

一般在選用共模電感的時候重點注意以下幾個參數：1）最大的阻抗值，一般在應用共模電感的時候，都是以此值作為重點參考；2）額定電流。電路工作電流一定要小于器件額定電流，不然容易燒毀器件。

圖2為USB端EMI防護設計圖。電源線采用磁珠濾除高頻干擾，這里要選用大電流磁珠。信號線上采用共模電感抑制共模干擾，選用時要避開USB信號的差模頻率。電阻R1，R2為限流電阻，根據實際情況選擇；C1，C3不要超過 5 pF。PGND和GND之間用磁珠連接，避免地間產生串擾[2]。

3 PCB設計

3.1 PCB堆疊及布線設計

電路板的堆疊結構是PCB系統設計及生產加工的基礎，好的堆疊結構能夠有效減少EMI問題。傳統單、雙層板在控制EMI輻射方面主要從布線和布局考慮，受限于所用元器件的密度及特性、信號頻率及結構設計等多方面原因，電磁兼容問題越來越突出，所以要考慮多層板設計。并且應盡量做到每個信號層都有一個電源層或地層與之相鄰并緊密耦合；臨近的電源層或地層要保持最小間距，以提供較大的耦合電容。

圖2 USB端EMI防護Fig.2 USB EMI protection

所以本產品的 PCB設計考慮四層堆疊，如圖3（a）所示。4mil的層間距能夠提供較大的耦合電容。它有2個優點：1）縮短高頻噪聲在接地層-電源層的擴散距離；2）通過提供旁路電容，降低進入電源接地層中的噪聲。輻射和傳導噪聲的降低均與電源和接地噪聲的降低成比例。

布線時，要考慮信號的參考層，使其有最小的傳輸路徑，參考層不能存在間隙；引線在層間交替越少越好，使用的過孔盡可能大，從而降低其電感及電容效應；相鄰層間走線盡量垂直，減少串擾；高速信號線應盡量短，空間允許時應增大布線間距，或在相鄰信號線間插入地線或地平面，且不能靠近PCB邊緣[5]。

3.2 邊緣輻射的防護

因電源旁路不充分，層間存在感性過孔等原因[6]，當各種來源產生的差分噪聲在電路板邊緣匯合并從層間泄露出來時，便會產生邊緣輻射。成本較低且效果不錯的方案是采用“過孔護欄”結構處理電路板邊緣，如圖3所示。采用該結構能夠將噪聲反射回內層空間中，雖然這會增加內側的電壓噪聲，但邊緣輻射能夠得到顯著降低[3]。

圖3 過孔護欄結構示意圖Fig.3 Via fence structure

過孔的間隙需要設計為信號波長的1/20。在FR4帶狀線中，1 GHz正弦波的波長約為14 mm，這里設置過孔間隙為2 mm，此間隔非常小，足以衰減輻射信號。

3.3 偶極子輻射的防護

當高頻電流通過接地層或電源層之間的間隙時，便會產生偶極子輻射。本例為達到較好的隔離效果，要求芯片的隔離距離不小于6 mm。根據這一特性，隔離器需要驅動電流通過接地層之間的間隙，但高頻鏡像電荷無法跨越邊界返回，導致間隙上出現差分信號，從而形成偶極子天線。解決辦法就是為鏡像電荷提供跟隨通路[1]。

為了兼顧爬電距離、電氣間隙及耐受電壓的要求，可以利用安規電容，如Y電容提供這一路徑。但Y電容不是理想電容，存在電感效應，高頻率下很難起到作用，反而有可能增加噪聲。因此，只能利用PCB本身的電容，即在間隙處利用銅皮構建“拼接電容”。

如圖4所示，在電源層利用浮動銅皮連接原邊和副邊的電源層。這種結構形成了兩個容性區域，如陰影部分所示。

圖4 拼接電容示意圖Fig.4 Stitching capacitor structure

其中電容大小可以通過平行板電容的基本關系式進行計算：

C為拼接電容的大小，A為交疊面積，ε0為自由空間的介電常數：8.854×10-12F/m，εr為 PCB絕緣材料的相對介電常數，FR4約為4.5，d為層間距。

此處的銅皮應盡可能大且保持完整，并且需要對稱設計，避免因回流路徑的不同而影響效果。需要注意的是，銅皮與電源層的距離，會影響電路板隔離。不同的隔離標準對多層PCB板的表層和里層的電氣間隙有不同的要求，所以在設計之初就要充分考慮這一情況。這里選擇16 mil的絕緣間隙。上文提到的Ground層與Power層的層間距為4 mil，除了有助于提高耦合電容外，也有助于增大此處的拼接電容[3]。

4 PCB布局參考

圖5為產品的PCB布局，列出關鍵的第一層（Ground）及第二層（Power）信息，僅供參考。FCC輻射測試結果請參見圖1（b）。

圖5 PCB布局Fig.5 PCB layout

5 結 論

對于如何抑制EMI，上面提到的方法，對PCB設計具有很大的參考意義。在原理和PCB制板方面，還有很多其它路徑可循，都可以一同加以利用。除此之外，結構及屏蔽設計對產品的EMC性能也有很大影響，如輻射可能從電源或信號接口處泄露，可以考慮添加磁環，改用屏蔽線及使用金屬機殼等方法來解決，效果往往比PCB改板更加簡單易行。

[1]Archambeault，Bruce R， Drewniak J.PCB Design for Real-World EMI Control[M].Boston:Kluwer Academic Publishers，2002.

[2]馬永健.EMC設計工程實務[M].北京:國防工業出版社，2008.

[3]CantrellM.Recommendations forControlofRadiated Emissions with isoPower Devices[EB/OL].（2009-06-20）[2011-09-01].http://www.analog.com/an-0971.pdf.

[4]唐輝.基于EMC的普通電子元器件選擇 [J].電子技術，2012（1）:70-72.TANG Hui.The selection of general electronic components based on EMC[J].Electronic Technology，2012（1）:70-72.

[5]齊志強.高速 PCB設計經驗與體會[J].電子設計工程，2011，19（16）:141-143.QI Zhi-qiang.Experience and understanding of high-speed PCB design[J].Electronic Design Engineering，2011，19（16）:141-143.

[6]劉燁銘，曹躍勝.高速多層板過孔分析與仿真[J].計算機工程與設計，2008，29（3）:713-715.LIU Ye-ming，CAO Yue-sheng.Analysis and simulation of via in high-speed PCB[J].Computer Engineering and Design，2008，29（3）:713-715.