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控制共模辐射电磁干扰的基本方法
本文介绍的技术对抑制EMI辐射很重要,它们是电磁兼容设计的基础。除了上述技术,要真正掌握抑制EMI的方法,还必须全面了解电子滤波、机械屏蔽以及其它PCB设计技术。
电磁干扰(EMI)指电路板发出的杂散能量或外部进入电路板的杂散能量,它包括:传导型(低频)EMI、辐射型(高频)EMI、ESD(静电放电)或雷电引起的EMI。传导型和辐射型EMI具有差模和共模表现形式。在处理各种形式的EMI时,必须具体问题具体分析。对于ESD和雷电引起的EMI,必须利用EMI抑制器件在ESD和雷电进入系统之前予以消除,防止由此导致的系统工作异常或损坏。对传导型或低频EMI,不论是接收还是发送,都要在电源线上和电路板输入/输出口的传输线路上采取滤波措施。辐射型EMI的抑制有3种基本形式:电子滤波、机械屏蔽和干扰源抑制。
在所有EMI形式中,辐射型EMI最难控制,因为辐射型EMI的频率范围为30MHz到几个GHz,在这个频率段上,能量的波长很短,电路板上即使非常短的布线都能成为发射天线。此外,在这个频段电路的电感增大,可能导致噪声增加。EMI较高时,电路容易丧失正常的功能。
尽管辐射型EMI的控制和屏蔽可以通过机械屏蔽技术、电子滤波或干扰源抑制,且电子滤波和机械屏蔽技术对EMI抑制很有效,在实践中也很常用,但这两种方法通常是控制辐射型EMI的第二道防线。由于需要附加器件和增加安装时间,电子滤波技术成本较高。另外,用户常常打开设备的屏蔽门,或取下背板以方便内部器件或PC板的维护,所以,机械屏蔽技术常常形同虚设。
因此,控制EMI的主要途径是减少辐射源的能量并且控制电路板上电压电流产生的电磁场的大小。大部分电路都安装在电路板范围内,因此通过对电路板级的精心设计可以控制电感、电容、瞬态电压和电流路径,从而控制电磁场的大小。由于电感、电容、瞬态电压和电流路径等因素对EMI的影响不同,本文将集中讨论板级设计中控制共模辐射EMI的主要步骤。为了更好的理解本文提出的方法,首先要说明一些关于EMI和电路功能的重要概念。
发射频率带宽
在EMI频率范围内,人们关心的不仅是信号的时钟频率,还包括信号的高阶谐波。高阶谐波频率的振幅由器件输出信号的上升时间和下降时间决定。信号的上升沿和下降沿变化得越快,信号频率越高,EMI就越大。任何电路,,EMI会提高约4倍。如果不考虑时钟频率,若电路信号的上升或下降时间窄到11ns,则将产生0到30MHz范围内的各种谐波,因而产生很强的EMI辐射。PCB寄生参数
PCB上的每一条布线及其返回路径可以用三个基本模型来描述,即电阻、电容和电感。在EMI和阻抗控制中,电容和电感的作用很大。当两个不同电压的导电层由绝缘材料分隔时,两个导电层之间就会产生电容。在电路板上,一条布线及其所有相邻的布线或导电层之间,通过它们之间的绝缘区域形成电容。绝缘区由导体周围的空气和隔离导体的FR4材料组成。
导线及其回路(地线或接地层)之间形成的电容数值最大。记住,Vcc电源层(如5V),对于交流信号来说与接地层等效。通常为了抑制信号电场的辐射,有必要保证布线及其回路之间电容的数值较高,当布线加宽或与回路之间的距离变近时,电容数值就会升高。电感是电路板导体储存周围