電磁干擾(EMI)如何減輕PCB上的電磁干擾

　　電磁輻射是指穿過空間的電磁能波。

　　我們都熟悉無線電、微波、光和X射線等術(shù)語——這些都是不同頻率的電磁輻射。我們用眼睛看到的光只是電磁光譜的一小部分，大約400-700太赫茲（THz）。

　　無線電波指的是KHz和GHz范圍內(nèi)的頻率，包括WiFi、藍(lán)牙、移動(dòng)電話通信、衛(wèi)星通信，當(dāng)然還有調(diào)頻廣播。

　　當(dāng)然，根據(jù)上面的例子，無線電波和通信非常有用，但是我們的電子設(shè)備有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生無意和不想要的輻射，這會(huì)干擾其他設(shè)備及其有意的通信。當(dāng)鄰居打開微波爐時(shí)，我們不希望我們的WiFi停止工作。

　　在極端情況下，電磁輻射可以被武器化，例如用電磁炸彈產(chǎn)生的電磁脈沖，或者用無線電干擾器故意干擾通信。

　　就我們的電子設(shè)備而言，EMI（電磁干擾）和EMC（電磁兼容性）指的是我們的設(shè)備在電磁輻射方面表現(xiàn)如何。這通常是指無線電波范圍內(nèi)的EM，因?yàn)槲覀兊碾娮釉O(shè)備通常以KHz、MHz和GHz范圍內(nèi)的時(shí)鐘頻率工作。

　　EMI是指我們的設(shè)備發(fā)出的意外電磁輻射（可能會(huì)干擾其他設(shè)備）。

　　EMC指的是我們的設(shè)備在電磁輻射方面表現(xiàn)如何。

　　就EMC而言，我們需要知道，我們的重要設(shè)備（醫(yī)療設(shè)備、車輛引擎管理系統(tǒng)等）即使暴露在一定量的有害電磁干擾下，仍將繼續(xù)正常運(yùn)行。

　　就EMI而言，請注意，任何電流切換的所有電子器件都會(huì)產(chǎn)生至少一定水平的電磁輻射，但我們需要將這些輻射保持在一定水平以下，以符合法定標(biāo)準(zhǔn)。

　　產(chǎn)品認(rèn)證

　　為了獲得我們產(chǎn)品的認(rèn)證（在某些市場銷售時(shí)可能需要），通常需要通過EMI/EMC測試，該測試由經(jīng)過認(rèn)證的測試機(jī)構(gòu)執(zhí)行。EMI輻射測試可能如下所示：

　　EMI輻射發(fā)射測試波特圖。

　　這是一個(gè)波特圖或頻率分析圖，其中橫軸代表頻率，縱軸代表幅度——它顯示了一個(gè)頻率范圍內(nèi)的輻射幅度（參見我們的傅立葉變換文章）。為了通過測試，所有排放必須低于頂部橙色線所示的水平。

　　如果排放高于規(guī)定限值，則該裝置不能通過測試：

　　排放超標(biāo)-設(shè)備故障。

　　測試在標(biāo)準(zhǔn)化條件下，在一個(gè)特殊的試驗(yàn)箱中進(jìn)行：

　　天線接收設(shè)備發(fā)出的輻射，頻譜分析儀將它們標(biāo)繪在圖上。

　　EMI/EMC兼容設(shè)計(jì)在某種程度上與無線電設(shè)計(jì)相反。我們希望確保我們的設(shè)備不是收音機(jī)（至少除了我們特別希望它處于特定頻率的地方，例如如果我們的設(shè)備通過WiFi進(jìn)行通信）。眾所周知，收音機(jī)需要天線。當(dāng)交流電連接到天線時(shí)，天線會(huì)發(fā)出電磁輻射（EMI），當(dāng)天線接收到電磁輻射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓/電流（EMC）。

　　從技術(shù)上來說，電磁輻射是由正在加速的帶電粒子發(fā)出的（這發(fā)生在電流改變方向，或者開始和停止的時(shí)候）。EMI/EMC設(shè)計(jì)需要注意系統(tǒng)中的交流（開關(guān)電壓/電流）元件，以及系統(tǒng)中可能充當(dāng)天線的走線（導(dǎo)線）。

　　一般來說，實(shí)現(xiàn)良好的高速設(shè)計(jì)技術(shù)（參見我們的高速PCB設(shè)計(jì)介紹文章）也將有助于EMI/EMC。

　　返回電流

　　我們可能沒有想到這一點(diǎn)，但我們板上的每個(gè)信號(hào)都必須有一個(gè)返回路徑。通常這是通過電力網(wǎng)，如地面（GND）?？紤]以下場景：

　　我們的板上有兩個(gè)相互通信的器件（比如一個(gè)微控制器和一個(gè)傳感器）。它們之間的通信線路相對較短，從概念上講，當(dāng)我們考慮設(shè)備之間的通信時(shí)，這通常是我們所關(guān)注的全部內(nèi)容；但是，通信線路也必須有一個(gè)返回電流，這是通過一條電源線來實(shí)現(xiàn)的，可能需要更長的路徑。更長的路線意味著更大的天線。在進(jìn)行EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)，我們還需要考慮返回電流路徑（電源線），并盡量縮短路徑（更小的天線）。

　　實(shí)施高速設(shè)計(jì)原則時(shí)，通常涉及4層以上的電路板，我們通常使用內(nèi)層作為電源層。只需在器件附近的電源層增加過孔，我們就可以確保電流返回路徑較短（電源層用藍(lán)色表示，白線表示概念性電流路徑）：

　　我們應(yīng)該小心，確保電源層中沒有可能再次導(dǎo)致更長電流路徑的斷點(diǎn)（同樣，白線表示概念性電流路徑）：

　　同樣，這符合確保高速線路阻抗恒定的高速原則。

　　最小阻抗路徑

　　說到阻抗；有趣的是，直流電流（DC）遵循最小電阻的路徑，而交流電流（交流）遵循最小電抗（阻抗）的路徑。當(dāng)我們考慮電抗是電阻的交流等價(jià)物時(shí)，這是有意義的。如果你不熟悉電抗/阻抗，那么請查看我們關(guān)于無源濾波器的文章。隨著頻率的增加，電抗的電感成分起著更大的作用，電流基本上開始沿著電感最小的路徑流動(dòng)。這意味著，隨著頻率增加，電流實(shí)際上會(huì)直接在相關(guān)信號(hào)線下方流動(dòng)：

　　這就是為什么高頻線路下方的電源層必須保持完整。即使信號(hào)線遵循一條奇怪的路徑，在較高頻率下，返回電流仍會(huì)直接在其下方通過：

　　去耦電容

　　隨著電路板上元件所需的電流發(fā)生變化（例如，CPU突然需要更多功率來進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算），電路板上電源走線中的電流也會(huì)發(fā)生變化，再次將這些走線變成天線。通過在電路板上放置足夠多的去耦電容，并盡可能靠近相關(guān)元件，我們可以盡可能地降低這種影響。從另一個(gè)角度來看，去耦電容在電源和地之間提供一條低阻抗路徑，以便交流電流流過。你可以閱讀更多關(guān)于去耦電容在這篇博客文章中。

　　通過縫合

　　過孔拼接是指在不同的電路板層上放置多個(gè)過孔，連接兩個(gè)（或多個(gè)）電源層。

　　雖然我們在概念上認(rèn)為電源層是相連的，即使它們僅通過電路板角上的一個(gè)過孔相連也是相同的，但不斷變化的電源需求和電磁輻射實(shí)際上可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)（或更多）電源層之間的電壓略有不同。通過在電源層放置拼接過孔，我們可以確保任何可能出現(xiàn)的電壓差都可以通過短電流路徑解決，從而再次縮小天線的尺寸。

　　壓擺率

　　壓擺率指信號(hào)上升或下降的速度。我們可能在概念上認(rèn)為電壓電平會(huì)瞬間變化，但事實(shí)并非如此，電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平總是需要一定的時(shí)間。非?？焖俚霓D(zhuǎn)變導(dǎo)致帶電粒子在短時(shí)間內(nèi)加速，因此產(chǎn)生更高的電磁輻射。另一種看待這個(gè)問題的方式是，根據(jù)傅立葉變換（參見我們的傅立葉變換文章），信號(hào)的邊緣越方，它包含的高頻分量就越多。出于這個(gè)原因，一些微控制器具有可調(diào)的壓擺率，以降低信號(hào)轉(zhuǎn)換的速度，并減少信號(hào)邊沿的方形度。降低壓擺率（在實(shí)際所需信號(hào)頻率所需的速度范圍內(nèi)——我們不能對1GHz信號(hào)進(jìn)行1ns的壓擺率，因?yàn)?GHz的頻率周期為1ns）可以減少電磁輻射。

　　蹣跚

　　一些具有寬通信總線的IC可以選擇錯(cuò)開總線內(nèi)各條線路的開關(guān)。交錯(cuò)切換，而不是一次切換所有線路，有助于將產(chǎn)生的電磁干擾分散到整個(gè)時(shí)間，從而將任何給定時(shí)刻的總電磁干擾降低到可接受的水平。

　　防護(hù)的

　　就EMI/EMC而言，屏蔽通常是第一個(gè)想到的解決方案，但實(shí)際上，在解決上述問題后，它通常應(yīng)該是最后考慮的問題。信號(hào)可以從甚至很小的縫隙中逃逸，例如PCB的側(cè)面，屏蔽有時(shí)相當(dāng)于試圖用大量的膠帶來固定一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品。也就是說，屏蔽確實(shí)有它的位置——在沒有首先確保正確的PCB設(shè)計(jì)的情況下，它不應(yīng)該是首選的解決方案。

　　EMI/EMC設(shè)計(jì)包括考慮系統(tǒng)的交流（開關(guān)）元件，并采取措施減小電流環(huán)路的尺寸。通常，考慮到高速設(shè)計(jì)原則的設(shè)計(jì)也會(huì)具有良好的EMI/EMC。確保高速走線下的電源層不間斷、充分利用去耦電容、開關(guān)IC周圍的電源層過孔以及盡可能保持高頻走線相對較短等原則將有助于改善EMI/EMC。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)盡可能小而緊湊，附近應(yīng)有良好的去耦電容。EMI/EMC不合格的2層設(shè)計(jì)可以通過，只需將內(nèi)層接地層改為4層，并在IC附近縫合過孔即可。可采取的進(jìn)一步措施包括查看電路板產(chǎn)生的特定頻率并追蹤其來源，使用近場探頭等工具查明發(fā)射源，使用TEM cells進(jìn)行快速認(rèn)證前測試并查看硬件和軟件變化的結(jié)果，以及使用其他EM分析工具，如EM掃描儀；這些可能是另一篇文章的主題。

　　審核編輯：黃飛