電路設計中的EMI問題分析

蘇江帆

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，各類電子產(chǎn)品越來越智能先進，給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。隨著科學技術不斷的進步發(fā)展，微型高集成電路和智能電子電路等廣泛應用，極大地提升了人們的生活品質。但是，任何電子產(chǎn)品都是在有限空間內(nèi)，存在時域、空域以及頻域復雜的電磁能，再由于設計的缺陷、電子元器件性能衰減或老化以及人為空間環(huán)境的變化等因素，使得電磁干擾問題無法從根本上消除，也在一定程度上影響著產(chǎn)品性能的發(fā)揮，制約了電子科學信息與技術的發(fā)展。為了盡可能地提升電子產(chǎn)品的性能，維持電子產(chǎn)品工作的穩(wěn)定狀態(tài)，很多研究及技術人員從電路電子元器件的材料選擇、電路布局與設計、電路可靠接地、軟硬件EMI輔助設計及應用方面進行了充分的研究，極大程度上降低了電磁干擾等問題[1]。

1 電磁干擾產(chǎn)生原因分析

電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）起源于電磁輻射源，由于各類電子元器件及敏感元器件或者設備相互之間的電信號作用形成了一定的干擾噪聲，再通過傳導干擾和輻射干擾等多種耦合以及元器件發(fā)熱效應，疊加了干擾電磁效能。電磁干擾主要耦合途徑為傳導干擾，通過電路中各種導線、公共電源線以及接地線等對干擾噪聲信號進行疊加放大。傳導干擾噪聲頻率范圍一般在10 kHz～30 MHz，輻射干擾主要是電子設備內(nèi)部或外部干擾信號通過空間耦合方式進行傳播[2]。

由于電子電路之間存在一定的工作電壓和電流，各類電子產(chǎn)品的PCB板通常存在差模和共模噪聲干擾信號。差模噪聲主要是由于電子元器件之間快速的時變電流（di/dt）作用在工作回路中產(chǎn)生的一種干擾，共模噪聲多為容性電路中快速的電壓變化率(du/dt)作用在地寄生分布電容上產(chǎn)生的一種干擾。在電子設備EMI測試時，差模噪聲|Ep|和共模噪聲|Ec|分別為：

式中，|Ip|表示時差模電路中的電流強度；|Ic|表示共模電路中產(chǎn)生的電流強度；f表示電流工作的頻率；LS表示環(huán)路面積；L表示電纜線路的長度；d表示EMI測試時測量天線到線路的距離。

綜上分析，電磁干擾主要來自于電子電路中不斷快速變化的工作電流，由于電路工作電流中存在一定的高頻諧波分量，這種時變電流通過一定的耦合路徑形成了一種共模電流[3]。EMI測量差模與共模噪聲計算模型如圖1所示。

圖1 EMI測量差模與共模噪聲計算模型

國內(nèi)外研究機構及學者通過對PCB電磁輻射機理和輻射計算方法進行了大量研究和探索。一般認為在多層PCB布線時，電源-地平面形成了一種諧振腔結構，電路板電源和地分配網(wǎng)絡的諧振頻率上容易產(chǎn)生較為嚴重的電磁輻射，這種高頻輻射通過電路板邊緣向外輻射，稱為邊緣輻射。PCB電源和地平面的輻射原理通常按照微帶天線輻射機理進行分析和研究，由于電路板長寬均比電路板厚度大的多，PCB過孔激勵兩平行板產(chǎn)生輻射場，并通過電路板邊緣向外輻射[4]。PCB板邊緣輻射原理如圖2所示。

圖2 PCB板邊緣輻射原理

因此，在電路抗干擾設計中，需要通過精準計算盡量降低工作電流中的高頻諧波分量，同時對PCB板布線進行合理布局。PCB布線中將電源平面和地平面盡量靠在一個平面維度，有利于產(chǎn)生高平板電容和低阻抗，從而降低高頻噪聲和邊緣輻射能量[5]。再者，盡量降低電路時鐘頻率，選擇合適的、符合性能要求的以及元器件特性匹配較好的元器件進行電路性能優(yōu)化。一般認為，當電子電路時鐘信號遠小于10 MHz時，信號布線路徑為微波傳輸線，電路電流耦合路徑產(chǎn)生的差模噪聲干擾較小。PCB設計效果直接關系到電子產(chǎn)品性能的好壞，所以在PCB設計時一方面要最大程度上滿足合理性需求，另一方面應充分考慮EMI抗干擾設計要求，從而進一步提升電產(chǎn)品使用性能并延長其使用壽命[6]。

2 EMI解決方案及措施

目前電子產(chǎn)品中大量采用高時鐘頻率、多輸入、輸出端口以及高度集成微型電路（Integrated Circuit，IC），信號傳輸通常需要高度集合數(shù)字信號、射頻信號以及光信號等混合信號，且電路要求具有高性能、低成本、高可靠以及高穩(wěn)定等特性。PCB設計的復雜度越來越高，PCB板中元器件及多層板間存在的變量按照幾何指數(shù)增加。同時，還需要保持電路信號工作的完整性和電磁兼容性，因此有效的EMI解決方案成為設計較為困難的問題[7]。

2.1 PCB板抗干擾方案

PCB板抗干擾設計時，通常采用EMIStream等EMI設計應用軟件進行電子電路的EMI測試和性能分析，從而提升PCB板的抗干擾能力，確保設計的準確性。為了保證布局的合理性和精準性，應嚴格控制PCB板子尺寸，進一步降低板子阻抗和生產(chǎn)成本。PCB板尺寸如果設置偏小，那么將不利于電路板散熱，易造成臨近電路干擾。精準定位出PCB電路板上每一個電子元器件的位置，按照功能模塊單元完成全部元器件的布局，布局期間需減少高頻元器件連線長度，避免抗干擾性能差異較大的元器件相近布置，合理布局電子元器件引腳，從而減少元器件的分布參數(shù)。確保走線位置，適當保持與對干擾敏感設備或元器件的距離，設計精確的低電阻串聯(lián)回路，降低電源的平面諧振和電路回流路徑阻抗。正確放置旁路和去耦電容，最大程度優(yōu)化地線圈圍時鐘區(qū)，盡量減少多余的時鐘線，合理設計時鐘頻率，滿足需求即可，同時保證驅動電路貼近電源電路設計，布線配合合理，實現(xiàn)不同信號間相互獨立，進一步強化信號接收效果，降低干擾，維持設備運行穩(wěn)定性[8]。

2.2 電源線及地線抗干擾布置措施

PCB板電路中，多數(shù)干擾因素來自于電源線或地線，為有效避免反饋耦合效應，電路輸入端和輸出端口之間導線可合理設置線間地線，且布線是盡量避免鄰近平行布置。合理計算流經(jīng)導線（電源線、地線）電流值和導線與絕緣基板間的粘附強度，確定好導線的有效寬度。精準計算出導線擊穿電壓和絕緣電阻值，確定導線間的最小布置距離。在PCB板設計時，應充分考慮線性電路和邏輯電路布置的合理性，盡量將兩種電路分開[9]。布線時盡量選擇較小面積的銅箔，減少熱效應的影響，如確實需要使用大面積銅箔材料，則應采用柵格狀銅箔，以利于散熱和通風。設置接地線應形成一個完全閉合的環(huán)路，低頻電路的接地應盡量采用單點并聯(lián)接地方式，高頻電路則盡量使用多點串聯(lián)接地方式，接地線長度不易過長，且要加粗處理。在設置電容引線的時候，引線長度盡量短，且高頻旁路電容不需要設置引線，電源線和地線走向與數(shù)據(jù)傳遞方向應盡量保持一致。此外，部分電路產(chǎn)品中需要合理布置一定的安全接地線、避雷接地線以及屏蔽接地線，防止靜電、雷電及其他電子干擾的影響[10]。

3 結 論

解決電子產(chǎn)品EMI干擾問題是一項較為復雜、系統(tǒng)且精準的工作，不僅需要充分考慮設備工作的條件和環(huán)境，考慮元器件的材料選擇和性能匹配，明確產(chǎn)品使用要求和標準，還需要在此基礎上嚴格高效地控制信號，保證信號穩(wěn)定傳輸?shù)穆窂?，同時要進行全局設計和安排，最大程度上規(guī)避避不同類型信號相互之間產(chǎn)生的干擾影響。進行合理布線，妥善處理公共電源線和接地線，滿足電路設計的科學性、合理性以及有效性，降低各類干擾噪聲，最大程度上實現(xiàn)多種設備在同一環(huán)境下的安全穩(wěn)定運行，滿足設備兼容性需求。