數(shù)字電路PCB設計中的EMI控制技術

　　1 EMI 的產生及抑制原理

　　EMI 的產生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的。它包括經由導線或公共地線的傳導、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式。EMI 的危害表現(xiàn)為降低傳輸信號質量，對電路或設備造成干擾甚至破壞，使設備不能滿足電磁兼容標準所規(guī)定的技術指標要求。

　　為抑制EMI，數(shù)字電路的EMI 設計應按下列原則進行：

　　* 根據(jù)相關EMC/EMI 技術規(guī)范，將指標分解到單板電路，分級控制。

　　* 從EMI 的三要素即干擾源、能量耦合途徑和敏感系統(tǒng)這三個方面來控制，使電路有平坦的頻響，保證電路正常、穩(wěn)定工作。

　　* 從設備前端設計入手，關注EMC/EMI 設計，降低設計成本。

　　2 數(shù)字電路PCB 的EMI 控制技術

　　在處理各種形式的EMI 時，必須具體問題具體分析。在數(shù)字電路的PCB 設計中，可以從下列幾個方面進行EMI 控制。

　　2.1 器件選型

　　在進行EMI 設計時，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時間為5ns 的器件換成上升時間為2.5ns 的器件，EMI 會提高約4倍。EMI 的輻射強度與頻率的平方成正比，最高EMI 頻率(fknee)也稱為EMI 發(fā)射帶寬，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數(shù)：

　　fknee =0.35/Tr (其中Tr 為器件的信號上升時間)

　　這種輻射型EMI 的頻率范圍為30MHz 到幾個GHz，在這個頻段上，波長很短，電路板上即使非常短的布線也可能成為發(fā)射天線。當EMI 較高時，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應盡量使用低速芯片，采用合適的驅動/接收電路。另外，由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設計中，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產生EMI 輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數(shù)小于QFP 封裝。

　　2.2 連接器的選擇與信號端子定義

　　連接器是高速信號傳輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)，也是易產生EMI 的薄弱環(huán)節(jié)。在連接器的端子設計上可多安排地針，減小信號與地的間距，減小連接器中產生輻射的有效信號環(huán)路面積，提供低阻抗回流通路。必要時，要考慮將一些關鍵信號用地針隔離。

　　2.3 疊層設計

　　在成本許可的前提下，增加地線層數(shù)量，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI 輻射。對于高速PCB，電源層和地線層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。

　　2.4 布局

　　根據(jù)信號電流流向，進行合理的布局，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI 的關鍵。布局的基本原則是：

　　* 模擬信號易受數(shù)字信號的干擾，模擬電路應與數(shù)字電路隔開;

　　* 時鐘線是主要的干擾和輻射源，要遠離敏感電路，并使時鐘走線最短;

　　* 大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區(qū)域，同時應考慮散熱和輻射的影響;

　　* 連接器盡量安排在板的一邊，并遠離高頻電路;

　　* 輸入/輸出電路靠近相應連接器，去耦電容靠近相應電源管腳;

　　* 充分考慮布局對電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區(qū)域邊界布放，以有效降低平面分割對EMI 的影響;

　　* 回流平面(路徑)不分割。

　　2.5 布線

　　* 阻抗控制：高速信號線會呈現(xiàn)傳輸線的特性，需要進行阻抗控制，以避免信號的反射、過沖和振鈴，降低EMI 輻射。

　　* 將信號進行分類，按照不同信號(模擬信號、時鐘信號、I/O 信號、總線、電源等)的EMI 輻射強度及敏感程度，使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離，減小耦合。

　　* 嚴格控制時鐘信號(特別是高速時鐘信號)的走線長度、過孔數(shù)、跨分割區(qū)、端接、布線層、回流路徑等。

　　* 信號環(huán)路，即信號流出至信號流入形成的回路，是PCB 設計中EMI 控制的關鍵，在布線時必須加以控制。要了解每一關鍵信號的流向，對于關鍵信號要靠近回流路徑布線，確保其環(huán)路面積最小。

　　對低頻信號，要使電流流經電阻最小的路徑;對高頻信號，要使高頻電流流經電感最小的路徑，而非電阻最小的路徑(見圖1)。對于差模輻射，EMI 輻射強度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。(其中I 是電流、A 是環(huán)路面積、f 是頻率、r 是到環(huán)路中心的距離，k 為常數(shù)。)

　　因此當最小電感回流路徑恰好在信號導線下面時，可以減小電流環(huán)路面積，從而減少EMI輻射能量。

　　* 關鍵信號不得跨越分割區(qū)域。

　　* 高速差分信號走線盡可能采用緊耦合方式。

　　* 確保帶狀線、微帶線及其參考平面符合要求。

　　* 去耦電容的引出線應短而寬。

　　* 所有信號走線應盡量遠離板邊緣。

　　* 對于多點連接網絡，選擇合適的拓撲結構，以減小信號反射，降低EMI 輻射。

　　2.6 電源平面的分割處理

　　* 電源層的分割

　　在一個主電源平面上有一個或多個子電源時，要保證各電源區(qū)域的連貫性及足夠的銅箔寬度。分割線不必太寬，一般為20～50mil 線寬即可，以減少縫隙輻射。

　　* 地線層的分割

　　地平面層應保持完整性，避免分割。若必須分割，要區(qū)分數(shù)字地、模擬地和噪聲地，并在出口處通過一個公共接地點與外部地相連。

　　為了減小電源的邊緣輻射，電源/地平面應遵循20H 設計原則，即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H(見圖2)，這樣邊緣場輻射強度可下降70% 。

　　3 EMI 的其它控制手段

　　3.1 電源系統(tǒng)設計

　　* 設計低阻抗電源系統(tǒng)，確保在低于fknee 頻率范圍內的電源分配系統(tǒng)的阻抗低于目標阻抗。

　　* 使用濾波器，控制傳導干擾。

　　* 電源去耦。在EMI 設計中，提供合理的去耦電容，能使芯片可靠工作，并降低電源中的高頻噪聲，減少EMI。由于導線電感及其它寄生參數(shù)的影響，電源及其供電導線響應速度慢，從而會使高速電路中驅動器所需要的瞬時電流不足。合理地設計旁路或去耦電容以及電源層的分布電容，能在電源響應之前，利用電容的儲能作用迅速為器件提供電流。正確的電容去耦可以提供一個低阻抗電源路徑，這是降低共模EMI 的關鍵。

　　3.2 接地

　　接地設計是減少整板EMI 的關鍵。

　　* 確定采用單點接地、多點接地或者混合接地方式。

　　* 數(shù)字地、模擬地、噪聲地要分開，并確定一個合適的公共接地點。

　　* 雙面板設計若無地線層，則合理設計地線網格很重要，應保證地線寬度》電源線寬度》信號線寬度。也可采用大面積鋪地的方式，但要注意在同一層上的大面積地的連貫性要好。

　　* 對于多層板設計，應確保有地平面層，減小共地阻抗。

　　3.3 串接阻尼電阻

　　在電路時序要求允許的前提下，抑制干擾源的基本技術是在關鍵信號輸出端串入小阻值的電阻，通常采用22～33Ω的電阻。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時間并能使過沖及下沖信號變得較平滑，從而減小輸出波形的高頻諧波幅度，達到有效地抑制EMI 的目的。

　　3.4 屏蔽

　　* 關鍵器件可以使用EMI 屏蔽材料或屏蔽網。

　　* 對關鍵信號的屏蔽，可以設計成帶狀線或在關鍵信號的兩側以地線相隔離。

　　3.5 擴頻

　　擴展頻譜(擴頻)的方法是一種新的降低EMI 的有效方法。擴展頻譜是將信號進行調制，把信號能量擴展到一個比較寬的頻率范圍上。實際上，該方法是對時鐘信號的一種受控的調制，這種方法不會明顯增加時鐘信號的抖動。實際應用證明擴展頻譜技術是有效的，可以將輻射降低7到20dB。

　　3.6 EMI 分析與測試

　　* 仿真分析

　　完成PCB 布線后，可以利用EM I 仿真軟件及專家系統(tǒng)進行仿真分析，模擬EMC/EMI 環(huán)境，以評估產品是否滿足相關電磁兼容標準要求。

　　* 掃描測試

　　利用電磁輻射掃描儀，對裝聯(lián)并上電后的機盤掃描，得到PCB 中電磁場分布圖(如圖3，圖中紅色、綠色、青白色區(qū)域表示電磁輻射能量由低到高)，根據(jù)測試結果改進PCB 設計。

　　4 小結

　　隨著新的高速芯片的不斷開發(fā)與應用，信號頻率也越來越高，而承載它們的PCB 板可能會越來越小。PCB 設計將面臨更加嚴峻的EMI 挑戰(zhàn)，唯有不斷探索、不斷創(chuàng)新，才能使PCB板的EMC /EMI 設計取得成功。