PCB中產(chǎn)生電磁干擾的原因及消除干擾技巧分享

在PCB中，會產(chǎn)生EMI的原因很多，例如：射頻電流、共模準(zhǔn)位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。為了掌握EMI，我們需要逐步理解這些原因和它們的影響。雖然，我們可以直接從電磁理論中，學(xué)到造成EMI現(xiàn)象的數(shù)學(xué)根據(jù)，但是，這是一條很辛苦、很漫長的道路。對一般工程師而言，簡單而清楚的描述更是重要。本文將探討，在PCB上「電的來源」、Maxwell方程式的應(yīng)用、磁通量最小化的概念。

電的來源

與磁的來源相反，電的來源是以時變的電雙極（electric dipole）來建立模型。這表示有兩個分開的、極性相反的、時變的點電荷（point charges）互為相鄰。雙極的兩端包含著電荷的變化。此電荷的變化，是因為電流在雙極的全部長度內(nèi)，不斷地流動而造成的。利用振蕩器輸出訊號去驅(qū)動一個沒有終端的（unterminated）天線，此種電路是可以用來代表電的來源。但是，此電路無法套用低頻的電路原理來做解釋。不考慮此電路中的訊號之有限傳播速度（這是依據(jù)非磁性材料的介電常數(shù)而定），反正射頻電流會在此電路產(chǎn)生。這是因為傳播速度是有限的，不是無限的。此假設(shè)是：導(dǎo)線在所有點上，都包含相同的電壓，并且此電路在任何一點上，瞬間都是均衡的。這種電的來源所產(chǎn)生的電磁場，是四個變量的函數(shù)：

1. 回路中的電流振幅：電磁場和在雙極中流動的電流量成正比。

2. 雙極的極性和測量裝置的關(guān)系：與磁來源一樣，雙極的極性必須和測量裝置的天線之極性相同。

3. 雙極的大小：電磁場和電流組件的長度成正比，不過，其走線長度必須只有波長的部份大。雙極越大，在天線端所測量到的頻率就越低。對特定的大小而言，此天線會在特定的頻率下共振。

4. 距離：電場和磁場彼此相關(guān)。兩者的強度和距離成正比。在遠(yuǎn)場（far field），其行為和回路源（磁的來源）類似，會出現(xiàn)一個電磁平面波。當(dāng)靠近「點源（point source）」時，電場和磁場與距離的相依性增加。

近場（near field）（磁和電的成份）和遠(yuǎn)場的關(guān)系，如附圖一所示。所有的波都是磁場和電場成份的組合。這種組合稱作「PoynTIng向量」。實際上，是沒有一個單獨的電波或磁波存在的。我們之所以能夠測量到平面波，是因為對一個小天線而言，在距離來源端數(shù)個波長的地方，其波前（wavefront）看起來像平面一樣。

圖一：波阻抗和距離的關(guān)系

這種外貌是由天線所觀測到的物理「輪廓」；這就好像從河邊向河中打水漂一樣，我們所看到的水波是一波波的漣漪。場傳播是從場的點源，以光速的速度向外輻射出去；其中，。電場成份的測量單位是V/m，磁場成份的測量單位是A/m。電場（E）和磁場（H）的比率是自由空間（free space）的阻抗。這里必須強調(diào)的是，在平面波中，波阻抗Z0，或稱作自由空間的特性阻抗，是和距離無關(guān)，也和點源的特性無關(guān)。對一個在自由空間中的平面波而言：

波前所承載的能量單位是watts/m2。

就Maxwell方程式的大多數(shù)應(yīng)用而言，噪聲耦合方法可以代表等效組件的模型。例如：在兩個導(dǎo)體之間的一個時變電場，可以代表一個電容。在相同的兩導(dǎo)體之間，一個時變磁場可以代表互感（mutual inductance）。附圖二表示這兩種噪聲耦合機制。

圖二：噪聲耦合機制

平面波的形狀

若要使此噪聲耦合方法正確，電路的實際大小必須比訊號的波長小。若此模型不是真正正確時，仍然可以使用集總組件（lumped component）來說明EMC，原因如下：

1. Maxwell方程式不能直接應(yīng)用在大多數(shù)的真實情況中，這是因為復(fù)雜的邊界條件所造成的。如果我們對集總模型的近似正確度沒有信心，則此模型是不正確的。不過，大多數(shù)的集總組件（或稱作離散組件）是可靠的。

2. 數(shù)值模型不會顯示噪聲是如何根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生的?？v使有一個模型可能是答案，但與系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)是不會被預(yù)知、辨識，和顯現(xiàn)的。在所有可用的模型當(dāng)中，集總組件所建立的模型算是最好的。

為什么這個理論和對Maxwell方程式的討論，對PCB設(shè)計和布線（layout）很重要？答案很簡單。我們必須先知道電磁場是如何產(chǎn)生的，之后我們就能夠降低在PCB中，由射頻產(chǎn)生的電磁場。這與降低電路中的射頻電流有關(guān)。此射頻電流直接和訊號分布網(wǎng)絡(luò)、旁路和耦合相關(guān)。射頻電流最后會形成頻率的諧波和其它數(shù)字訊號。訊號分布網(wǎng)絡(luò)必須盡量的小，如此才能將射頻回傳電流的回路區(qū)域盡量縮小。旁路和耦合與最大電流相關(guān)，而且必須透過電源分散網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生大電流；而電源分散網(wǎng)絡(luò)，在定義上，它的射頻回傳電流之回路區(qū)域是很大的。

圖三：噪聲耦合方法