EMI EMC设计讲座

EMI EMC 设计 一 被动元件的隐藏特性解析设计 一 被动元件的隐藏特性解析 传统上 EMC 一直被视为 黑色魔术 black magic 其实 EMC 是可以藉由数学公式来理解的 不过 纵使有数学分析方法 可以利用 但那些数学方程式对实际的 EMC 电路设计而言 仍然太过复杂了 幸运的是 在大多数的实务工作中 工程师并不需 要完全理解那些复杂的数学公式和存在于 EMC 规范中的学理依据 只要藉由简单的数学模型 就能够明白要如何达到 EMC 的要求 导线和 PCB 走线 导线 wire 走线 trace 固定架 等看似不起眼的元件 却经常成为射频能量的最佳发射器 亦即 EMI 的来源 每 一种元件都具有电感 这包含硅晶片的焊线 bond wire 以及电阻 电容 电感的接脚 每根导线或走线都包含有隐藏的寄生 电容和电感 这些寄生性元件会影响导线的阻抗大小 而且对频率很敏感 依据 LC 的值 决定自共振频率 和 PCB 走线的长度 在某元件和 PCB 走线之间 可以产生自共振 self resonance 因此 形成一根有效率的辐射天线 在低频时 导线大致上只具有电阻的特性 但在高频时 导线就具有电感的特性 因为变成高频后 会造成阻抗大小的变化 进 而改变导线或 PCB 走线与接地之间的 EMC 设计 这时必需使用接地面 ground plane 和接地网格 ground grid 导线和 PCB 走线的最主要差别只在于 导线是圆形的 走线是长方形的 导线或走线的阻抗包含电阻 R 和感抗 XL 2 fL 在高 频时 此阻抗定义为 Z R j XL j2 fL 没有容抗 Xc 1 2 fC 存在 频率高于 100 kHz 以上时 感抗大于电阻 此时导线 或走线不再是低电阻的连接线 而是电感 一般而言 在音频以上工作的导线或走线应该视为电感 不能再看成电阻 而且可以 是射频天线 大多数天线的长度是等于某一特定频率的 1 4 或 1 2 波长 因此在 EMC 的规范中 不容许导线或走线在某一特定频率的 20 以下工作 因为这会使它突然地变成一根高效能的天线 电感和电容会造成电路的谐振 此现象是不会在它们的规格书中 记载的 例如 假设有一根 10 公分的走线 R 57 m 8 nH cm 所以电感值总共是 80 nH 在 100 kHz 时 可以得到感抗 50 m 当 频率超过 100 kHz 以上时 此走线将变成电感 它的电阻值可以忽略不计 因此 此 10 公分的走线将在频率超过 150 MHz 时 将 形成一根有效率的辐射天线 因为在 150 MHz 时 其波长 2 公尺 所以 20 10 公分 走线的长度 若频率大于 150 MHz 其波长 将变小 其 1 4 或 1 2 值将接近于走线的长度 10 公分 于是逐渐形成一根完美的天线 电阻 电阻是在 PCB 上最常见到的元件 电阻的材质 碳合成 碳膜 云母 绕线型 等 限制了频率响应的作用和 EMC 的效果 绕线 型电阻并不适合于高频应用 因为在导线内存在着过多的电感 碳膜电阻虽然包含有电感 但有时适合于高频应用 因为它的接 脚之电感值并不大 一般人常忽略的是 电阻的封装大小和寄生电容 寄生电容存在于电阻的两个终端之间 它们在极高频时 会对正常的电路特性 造成破坏 尤其是频率达到 GHz 时 不过 对大多数的应用电路而言 在电阻接脚之间的寄生电容不会比接脚电感来得重要 当电阻承受超高电压极限 overvoltage stress 考验时 必须注意电阻的变化 如果在电阻上发生了 静电释放 ESD 现象 则会发生有趣的事 如果电阻是表面黏着 surface mount 元件 此电阻很可能会被电弧打穿 如果电阻具有接脚 ESD 会发现 此电阻的高电阻 和高电感 路径 并避免进入被此电阻所保护的电路 其实 真正的保护者是此电阻所隐藏的电感和电容特性 电容 电容一般是应用在电源汇流排 power bus 提供去耦合 decouple 旁路 bypass 和维持固定的直流电压和电流 bulk 之功能 真正单纯的电容会维持它的电容值 直到达到自共振频率 超过此自共振频率 电容特性会变成像电感一样 这可以由公式 Xc 1 2 fC 来说明 Xc 是容抗 单位是 例如 10 f 的电解电容 在 10 kHz 时 容抗是 1 6 在 100 MHz 时 降到 160 因此在 100 MHz 时 存在着短路 short circuit 效应 这对 EMC 而言是很理想的 但是 电解电容的 电气参数 等效串联电感 equivalent series inductance ESL 和等效串联电阻 equivalent series resistance ESR 将会限制此电容只能在频率 1 MHz 以下工作 电容的使用也和接脚电感与体积结构有关 这些因素决定了寄生电感的数目和大小 寄生电感存在于电容的焊线之间 它们使电 容在超过自共振频率以上时 产生和电感一样的行为 电容因此失去了原先设定的功能 电感 电感是用来控制 PCB 内的 EMI 对电感而言 它的感抗是和频率成正比的 这可以由公式 XL 2 fL 来说明 XL 是感抗 单位 是 例如 一个理想的 10 mH 电感 在 10 kHz 时 感抗是 628 在 100 MHz 时 增加到 6 2 M 因此在 100 MHz 时 此 电感可以视为开路 open circuit 在 100 MHz 时 若让一个讯号通过此电感 将会造成此讯号品质的下降 这是从时域来观 察 和电容一样 此电感的电气参数 线圈之间的寄生电容 限制了此电感只能在频率 1 MHz 以下工作 问题是 在高频时 若不能使用电感 那要使用什么呢 答案是 应该使用 铁粉珠 ferrite bead 铁粉材料是铁镁或铁 镍合金 这些材料具有高的导磁系数 permeability 在高频和高阻抗下 电感内线圈之间的电容值会最小 铁粉珠通常只适 用于高频电路 因为在低频时 它们基本上是保有电感的完整特性 包含有电阻和抗性分量 因此会造成线路上的些微损失 在高频时 它基本上只具有抗性分量 j L 并且抗性分量会随着频率上升而增加 如附图一所示 实际上 铁粉珠是射频能 量的高频衰减器 其实 可以将铁粉珠视为一个电阻并联一个电感 在低频时 电阻被电感 短路 电流流往电感 在高频时 电感的高感抗迫 使电流流向电阻 本质上 铁粉珠是一种 耗散装置 dissipative device 它会将高频能量转换成热能 因此 在效能上 它只能被当成电 阻来解释 而不是电感 变压器 变压器通常存在于电源供应器中 此外 它可以用来对资料讯号 I O 连结 供电介面做绝缘 根据变压器种类和应用的不同 在一次侧 primary 和二次侧 secondary 线圈之间 可能有屏蔽物 shield 存在 此屏蔽物连接到一个接地的参考源 是 用来防止此两组线圈之间的电容耦合 变压器也广泛地用来提供共模 common mode CM 绝缘 这些装置根据通过其输入端的差模 differential mode DM 讯号 来将一次侧线圈和二次侧线圈产生磁性连结 以传递能量 其结果是 通过一次侧线圈的 CM 电压会被排拒 因此达到共模绝缘的 目的 不过 在制造变压器时 在一次侧和二次侧线圈之间 会有讯号源电容存在 当电路频率增加时 电容耦合能力也会增强 因此破坏了电路的绝缘效果 若有足够的寄生电容存在的话 高频的射频能量 来自快速瞬变 ESD 雷击 等 可能会通过变 压器 导致在绝缘层另一端的电路 也会接收到此瞬间变化的高电压或高电流 上面已经针对各种被动元件的隐藏特性做了详尽的说明 底下将解释为何这些隐藏特性会在 PCB 中造成 EMI 浅谈电磁理论 上述的被动元件具有隐藏特性 而且会在 PCB 中产生射频能量 但为何会如此呢 为了了解其原由 必须明白 Maxwell 方程式 Maxwell 的四个方程式说明了电场和磁场之间的关系 而且它们是从 Ampere 定律 Faraday 定律 和 Gauss 定律推论而来的 这 些方程式描述了在一个闭回路环境中 电磁场强度和电流密度的特性 而且需要使用高等微积分来计算 因为 Maxwell 方程式非 常的复杂 在此仅做简要的说明 其实 PCB 布线工程师并不需要完全了解 Maxwell 方程式的详细知识 只要了解其中的重点 就能完成 EMC 设计 完整的 Maxwell 方程式条列如下 第一定律 电通量 electric flux 来自 Gauss 定律 第二定律 磁通量 magnetic flux 來自 Gauss 定律 第三定律 電位 electric potential 來自 Faraday 定律 第四定律 電流 electric current 來自 Ampere 定律 在上述的方程式中 J E B H 是向量 此外 与 Maxwell 方程式相关的基本物理观念有 Maxwell 方程式说明了电荷 电流 磁场和电场之间的交互作用 可用 Lorentz 力 来形容电场和磁场施加在带电粒子上的物理作用力 所有物质对其它物质都具有一种组成关系 这包含 1 导电率 conductivity 电流与电场的关系 物质的欧姆定律 J E 2 导磁系数 磁通量和磁场的关系 B H 3 介电常数 dielectric constant 电荷储存和一个电场的关系 D E J 传导电流密度 A m2 物质的导电率 E 电场强度 V m D 电通量密度 coulombs m2 真空电容率 permittivity 8 85 pF m B 磁通量密度 Weber m2 或 Tesla H 磁场 A m 媒材的导磁系数 H m 依据 Gauss 定律 Maxwell 的第一方程式也称作 分离定理 divergence theorem 它可以用来说明由于电荷的累积 所产 生的静电场 electrostatic field E 这种现象 最好在两个边界之间做观察 导电的和不导电的 根据 Gauss 定律 在边界 条件下的行为 会产生导电的围笼 也称作 Faraday cage 充当成一个静电的屏蔽 在一个被 Faraday 箱包围的封闭区域 其 外部四周的电磁波是无法进入此区域的 若在 Faraday 箱内有一个电场存在 则在其边界处 此电场所产生的电荷是集中在边界 内侧的 在边界外侧的电荷会被内部电场排拒在外 Maxwell 的第二方程式表示 在自然界没有磁荷 magnetic charge 存在 只有电荷存在 也就是说没有单一磁极 magnetic monopole 存在 虽然 目前的统一场理论 Grand Unified Theory 预测有很少的磁荷存在 但迄今都无法从实验中证明 这 些电荷是带正电的或负电的 磁场是透过电流和电场的作用产生的 由于电流和电场的发射 使它们成为辐射能量的来源点 磁 场在电流四周形成一个封闭的回圈 而磁场是由电流产生的 Maxwell 的第三方程式也称作 感应的 Faraday 定律 说明当磁场环绕着一个封闭的电路时 此磁场会使此封闭电路产生电流 第三方程式和第四方程式是相伴的 第三方程式表示变动的磁场会产生电场 磁场通常存在于变压器或线圈 例如 马达 发电 机 等 第三和第四方程式的交互作用 正是 EMC 的主要焦点 两者一起来说 它们说明了耦合的电场和磁场是如何以光速辐射 或传播 这个方程式也说明了 集肤效应 skin effect 的概念 它可以预测 磁屏蔽 magnetic shielding 的有效性 此外 它也说明了电感的特性 而电感允许天线能合理地存在 Maxwell 的第四方程式也称作 Ampere 定律 此方程式说明了产生磁场的两个来源 第一个来源是 电流以传输电荷的形式在流动 第二个来源是 当变动的电场环绕着一个封闭的电路时 会产生磁场 这些电和磁的来源 说明了电感和电磁的作用 在此方程 式中 J 就代表以电流产生磁场的分量 就是以电场产生磁场的分量 电和磁的来源电和磁的来源 前面已经提到 变动中的电流会产生磁场 静电荷分布会产生电场 下面将进一步讨论电流和辐射电场之间的关系 我们必须检 视电流源的结构 并观察它是如何影响辐射讯号的 此外 我们也必须要注意 当距离电流源越远时 讯号强度会越低 时变电流存在于两种结构中 1 磁的来源 是封闭回路 2 电的来源 是双极天线 首先探讨磁的来源 结语结语 和大多数的电子工程设计一样 EMC 设计是需要细心的思虑的 阅读本文时 读者应该同时参照平时所执行的 EMC 实务工作 如 此就可能会发现许多过去未曾注意到的地方 而这些地方往往就是 EMI 最容易发生的处所 在强调产品迅速上市的时代里 工程师所承受的压力与日俱增 使用良好的 EMI 模拟工具虽然可以协助我们快速地达成任务 但 若过度依赖这些工具 恐怕会在一些非常特殊的情况或环境下 无法举一反三 所以 拥有深厚的理论基础 将可以弥补常态的 实务工作之不足 EMI EMC 设计讲座 二设计讲座 二 上 上 PCB 上电的来源上电的来源 在 PCB 中 会产生 EMI 的原因很多 例如 射频电流 共模准位 接地回路 阻抗不匹配 磁通量 等 为了掌握 EMI 我们 需要逐步理解这些原因和它们的影响 虽然 我们可以直接从电磁理论中 学到造成 EMI 现象的数学根据 但是 这是一条很辛 苦 很漫长的道路 对一般工程师而言 简单而清楚的描述更是重要 本文将探讨 在 PCB 上 电的来源 Maxwell 方程式的 应用 磁通量最小化的概念 电的来源 与磁的来源相反 电的来源是以时变的电双极 electric dipole 来建立模型 这表示有两个分开的 极性相反的 时变的点电 荷 point charges 互为相邻 双极的两端包含着电荷的变化 此电荷的变化 是因为电流在双极的全部长度内 不断地流动而 造成的 利用振荡器输出讯号去驱动一个没有终端的 unterminated 天线 此种电路是可以用来代表电的来源 但是 此电路 无法套用低频的电路原理来做解释 不考虑此电路中的讯号之有限传播速度 这是依据非磁性材料的介电常数而定 反正射频 电流会在此电路产生 这是因为传播速度是有限的 不是无限的 此假设是 导线在所有点上 都包含相同的电压 并且此电路 在任何一点上 瞬间都是均衡的 这种电的来源所产生的电磁场 是四个变数的函数 1 回路中的电流振幅 电磁场和在双极中流动的电流量成正比 2 双极的极性和测量装置的关系 与磁来源一样 双极的极性必须和测量装置的天线之极性相同 3 双极的大小 电磁场和电流元件的长度成正比 不过 其走线长度必须只有波长的部分大 双极越大 在天线端所测量到的频 率就越低 对特定的大小而言 此天线会在特定的频率下共振 4 距离 电场和磁场彼此相关 两者的强度和距离成正比 在远场 far field 其行为和回路源 磁的来源 类似 会出现 一个电磁平面波 当靠近 点源 point source 时 电场和磁场与距离的相依性增加 近场 near field 磁和电的成分 和远场的关系 如附图一所示 所有的波都是磁场和电场成分的组合 这种组合称作 Poynting 向量 实际上 是没有一个单独的电波或磁波存在的 我们之所以能够测量到平面波 是因为对一个小天线而言 在距离来源端数个波长的地方 其波前 wavefront 看起来像平面一样 这种外貌是由天线所观测到的物理 轮廓 这就好像从河边向河中打水漂一样 我们所看到的水波是一波波的涟漪 场传播是 从场的点源 以光速的速度向外辐射出去 其中 电场成分的测量单位是 V m 磁场成分的测量单位是 A m 电场 E 和磁 场 H 的比率是自由空间 free space 的阻抗 这里必须强调的是 在平面波中 波阻抗 Z0 或称作自由空间的特性阻抗 是和距离无关 也和点源的特性无关 对一个在自由空间中的平面波而言 波前所承载的能量单位是 watts m2 就 Maxwell 方程式的大多数应用而言 杂讯耦合方法可以代表等效元件的模型 例如 在两个导体之间的一个时变电场 可以代 表一个电容 在相同的两导体之间 一个时变磁场可以代表互感 mutual inductance 附图二表示这两种杂讯耦合机制 图一 波阻抗和距离的关系 平面波的形状 若要使此杂讯耦合方法正确 电路的实际大小必须比讯号的波长小 若此模型不是真正正确时 仍然可以使用集总元件 lumped component 来说明 EMC 原因如下 1 Maxwell 方程式不能直接应用在大多数的真实情况中 这是因为复杂的边界条件所造成的 如果我们对集总模型的近似正确度 没有信心 则此模型是不正确的 不过 大多数的集总元件 或称作离散元件 是可靠的 2 数值模型不会显示杂讯是如何根据系统参数产生的 纵使有一个模型可能是答案 但与系统相关的参数是不会被预知 辨识 和显现的 在所有可用的模型当中 集总元件所建立的模型算是最好的 为什么这个理论和对 Maxwell 方程式的讨论 对 PCB 设计和布线 layout 很重要 答案很简单 我们必须先知道电磁场是如何 产生的 之后我们就能够降低在 PCB 中 由射频产生的电磁场 这与降低电路中的射频电流有关 此射频电流直接和讯号分布网 路 旁路和耦合相关 射频电流最后会形成时脉的谐波和其它数位讯号 讯号分布网路必须尽量的小 如此才能将射频回传电流 的回路区域尽量缩小 旁路和耦合与最大电流相关 而且必须透过电源分散网路来产生大电流 而电源分散网路 在定义上 它 的射频回传电流之回路区域是很大的 图二 杂讯耦合方法 EMI EMC 设计讲座 二设计讲座 二 下 下 Maxwell 方程式的应用方程式的应用 MaxwellMaxwell 方程式的应用方程式的应用 到目前为止 Maxwell 方程式的基本概念已经介绍过了 但是 要如何将此物理和高等微积分的知识 与 PCB 中的 EMC 产生关联 呢 为了彻底了解 必须再将 Maxwell 方程式简化 才能将它应用到 PCB 布线上 为了应用它 我们可以将 Maxwell 方程式和 Ohm 定律产生关联 Ohm 定律 时域 V I R Ohm 定律 频域 Vrf Irf Z V 是电压 I 是电流 R 是电阻 Z 是阻抗 R jX rf 是指射频能量 如果射频电流存在于 PCB 走线中 且此走线具有一个 固定的阻抗值 则一个射频电压将被产生 而且和射频电流成正比 请注意 在电磁波模型中 R 是被 Z 取代 Z 是复数 complex number 它具有电阻 属于实数 和电抗 属于虚数 就阻抗等式而言 有许多种形式存在 这取决于我们是否要检视平面波的阻抗 电路阻抗 等 对导线或 PCB 走线而言 可以使 用下列公式 其中 XL 2 fL 是在此公式中 唯一和导线或 PCB 走线有关的元件 Xc 1 2 2 fC 2 f 当一个元件的电阻值和电感值都是已知 例如 一个 附导线的铁粉珠 ferritebead on lead 一个电阻 一个电容 或其 它具有寄生元件的装置 必须考虑阻抗大小会受到频率的影响 这时可以应用下列的公式 当频率大于数 kHz 时 电抗值通常会比 R 大 但在某些情况下 这并不会发生 电流会选择阻抗最小的路径 低于数 kHz 时 阻 抗最小的路径是电阻 高于数 kHz 时 电抗最小的路径成为主宰者 此时 因为大多数电路是在数 kHz 以上的频率中工作 而 电流会选择阻抗最小的路径 这种想法变成不正确 因为它无法正确解释 电流如何在一条传输线中流动 对承载电流频率超过 10 kHz 的导线而言 因为其电流总是选择阻抗最小的路径 其阻抗等同于电抗最小的路径 如果负载阻抗是 连接到导线 电缆 cable 或走线 并且比传输线路径上与它并联的电容大 此时电感将变成主宰者 若所有连接的导线具有大 致相同的截面积 则电感最小的路径就是具有最小回路区域的路径 回路区域越小 电感就越最小 因此 电流会流向这个路径 每一条走线具有一个有限的阻抗值 走线电感 是为何射频能量可以在 PCB 中产生的唯一理由 甚至可能因为连接硅晶片和安 装座 mounting pad 的焊线过长 而导致射频能量的存在 在电路板上绕线会产生很高的电感值 尤其是要绕的走线很长时 长的走线是指那些绕线长度很长的线 这会导致在走线中 往返传播有所延迟的讯号 在尚未回到来源驱动端时 下一个触发讯 号就被产生 这是在时域中观察 换在频域中观察 是指一条长的传输线 走线 其总长大约超过频率的 10 且此频率 存在于传输线 走线 中 简单说 若一个射频电压施加在一个阻抗上 就可以得到射频电流 就是这个射频电流 将射频能量 辐射到自由空间 因此违反了 EMC 的规定 上述例子可以协助我们了解 Maxwell 方程式和 PCB 布线 而且是使用非常简单的数学 公式来说明 根据 Maxwell 方程式 移动走线中的电荷可以产生一电流 此电流又会产生一磁场 这种被移动电荷产生的磁场称作 磁通线 magnetic lines of flux 使用 右手法则 Right Hand Rule 可以轻易地指出磁通线的方向 如附图三所示 右手拇 指代表走线电流流动的方向 其余卷曲的手指包围着走线 代表磁场或磁通线的方向 此外 时变磁场会产生一个垂直的电场 射频辐射是此磁场和电场的组合 藉由辐射或导电的方式 磁场和电场会离开 PCB 结构 请注意 此磁场是环绕着一个封闭式回路的边界运行 在 PCB 中 来源驱动端产生射频电流 并经过走线将射频电流传送到负载 射频电流必须经过一个回传系统回到来源端 Ampere 定律 其结果是 产生了一个射频电流回路 这个回路不必然是环状的 但通常是呈回旋状 因为这个过程会在回传系统内产生一个封闭回路 因此会产生一个磁场 这个磁场又会产生一个辐射的电场 在近场处 是由磁场成分主导 然而在远场处 电场对磁场的比率 波阻抗 大约是 120 或 377 和来源端无关 所以明 显可知 在远场处 磁场可以使用一个回圈型天线和一个相当灵敏的接收机来测量 接收准位将是 E 120 A m 若 E 的单位是 V m 同理 可以应用到电场 能在近场处使用合适的测量仪器来测量电场 图三 右手法则 射频如何存在于 PCB 中的另一种简单解释 可由附图四和五中得知 在这里以时域和频域来分析典型的电路 根据 Kirchhoff 和 Ampere 定律 如果要使电路能够工作的话 一个封闭型回路电路必须存在 Kirchhoff 电压定律表示 在一个电路中 环绕任何 一个封闭路径的电压总合必须是零 Ampere 定律表示 给定的电流会在一个点上产生磁感应 它是以电流单元和电流与那个点的 相对位置来计算的 若封闭回路型电路不存在 讯号是无法透过传输线 从来源端到达负载的 当开关关闭时 电路就成立 交流或直流电流就开始 流动 在频域 我们将此电流视为射频能量 其实 并没有存在两种不同的电流 时域或频域电流 始终只有一种电流存在 它可以在时域或频域中呈现 从负载到来源端的射频回传路径也必须存在 否则电路将无法工作 因此 PCB 结构必须遵守 Maxwell 方程式 Kirchhoff 电压定律 和 Ampere 定律 Maxwell 方程式 Kirchhoff 和 Ampere 定律全部都在说 若要使一个电路正常工作或依期望的目的工作 一个封闭回路型网路必 须要存在 附图四表示了这样的典型电路 当一条走线从来源端到达负载 一个回传电流路径也必须要存在 这是 Kirchhoff 和 Ampere 定律所规定的 图四 封闭回路型电路 图五 一个封闭回路型电路的描述 如附图五所示 一个开关和来源驱动端 E 串联 当开关关闭时 电路按照期望结果正常工作 当开关开启时 则不具任何功能 对时域而言 期望讯号从来源端到达负载 此讯号必须具有一个回传路径 才能使此电路成立 这通常是经过一个 0V 接地 的 回传结构 Kirchhoff 定律 射频电流的流动是从来源端到达负载 而且必须经过阻抗尽可能最小的路径返回 通常它是经过 一个接地走线或接地平面 镜射平面 射频电流的存在 最好使用 Ampere 定律来说明 磁通量最小化 在探讨 EMI 是如何在 PCB 内产生 之前 必须先明白 磁通线是如何在传输线中产生 的基本机制 因为后者是前者的一个基 本概念 磁通线是一电流流经一个固定或变动的阻抗所产生的 在一个网路中的阻抗 永远都存在于走线 元件的焊线 通孔 via 等 如果磁通线有存在于 PCB 内 根据 Maaxwell 方程式 射频能量的各种传送路径也一定存在 这些传送途径可能 是经过自由空间辐射出去 或经过缆线的相互连接传导出去 为了消除 PCB 内的射频电流 必须先介绍 磁通量消除 flux cancellation 或 磁通量最小化 flux minimization 的 概念 因为磁通线在传输线中 以逆时钟方向运行 如果我们使射频回传路径 平行且邻近于来源端的走线 在回传路径 逆时 钟方向的场 上的磁通线 与来源端的路径 顺时钟方向的场 做比较 它们的方向是相反的 当我们将顺时钟方向的场和逆时 钟方向的场相互组合时 可以产生消除的效果 如果在来源端和回传路径之间 不需要的磁通线能够被消除或减至最少 则辐射 或传导的射频电流就不会存在 除非是在走线的极小边界上 消除磁通量的概念很简单 但是在进行消除或最小化设计时 必须 注意一些陷阱和容易疏忽的地方 因为一个小失误 可能会引起许多额外的错误 造成 EMC 工程师更多侦错和除错的负担 最简 单的磁通量消除法 是使用 镜射平面 image plane 不管 PCB 布线是设计的多么好 磁场和电场都永远存在 但是 如果 我们消除了磁通线 则 EMI 就不存在 就是那么简单 在设计 PCB 布线时 要如何消除磁通线呢 目前有许多技巧可供参考 但是它们不是全部都和消除磁通线有直接关系 简述其中 的一些技巧如下 多层板具有正确的多层设置 stackup assignment 和阻抗控制 将时脉走线 clock trace 绕到回传路径接地平面 多层 PCB 接地网格 ground grid 的附近 单侧和双侧板可以使用 接地走线 或安全走线 guard trace 将元件的塑胶封装内部所产生的磁通线 捕捉到 0V 的参考系统中 以降低元件的辐射量 警慎选择逻辑元件 尽量减少元件和走线所辐射的射频频谱分布量 可以使用讯号缘变化率 edge rate 比较慢的装置 藉由降低射频驱动电压 来自时脉产生电路 例如 TTL CMOS 来降低走线上的射频电流 降低接地杂讯电压 此电压存在于供电和接地平面结构中 当必须推动最大电容负载 而所有装置的脚位同时切换时 元件的去耦合 decoupling 电路必须充足 必须将时脉和讯号走线做妥善的终结 以避免发生阻尼振荡 ringing 电压过高 overshoot 电压过低 undershoot 在选定的网络上 使用资料线路滤波器和共模扼流圈 common mode choke 当有提供外部 I O 缆线时 必须正确地使用旁路 非去耦合 电容 为会辐射大量的共模式射频能量 由元件内部产生 之元件 提供一个接地的散热器 heatsink 检视上面所列的项目 可以知道 磁通线只是 在 PCB 内会产生 EMI 的部分原因而已 其它原因还有 在电路和 I O 缆线之间 有共模和差模 differential mode 电流存在 接地回路会产生一个磁场结构 元件会辐射 阻抗不匹配 请注意 大多数的 EMI 辐射是由共模准位产生的 在电路板或电路中 这些共模准位可能会被转变成最小的场 结语 要消除 PCB 中的 EMI 必须先从消除磁通量开始 但是 这是 说比做容易 因为射频能量是看不见 闻不着的 不过 藉由 寻找射频电流的位置与流动方向 并采用本文所介绍的几项技巧 以及参照 Maxwell 方程式 Kirchhoff 和 Ampere 定律 就可以 逐渐缩小可疑的区域 找出正确的 EMI 位置 并消除它 传导式传导式 EMI 的测量技术的测量技术 一一 差模和共模差模和共模 传导式 conducted EMI 是指部分的电磁 射频 能量透过外部缆线 cable 电源线 I O 互连介面 形成 传导波 propagation wave 被传送出去 本文将说明射频能量经由电源线传送时 所产生的 传导式杂讯 对 PCB 的影响 以及如 何测量 传导式 EMI 和 FCC CISPR 的 EMI 限制规定 差模和共模杂讯差模和共模杂讯 传导式 EMI 可以分成两类 差模 Differential mode DM 和共模 Common mode CM 差模也称作 对称模式 symmetric mode 或 正常模式 normal mode 而共模也称作 不对称模式 asymmetric mode 或 接地泄漏模式 ground leakage mode 图一 差模和共模杂讯 由 EMI 产生的杂讯也分成两类 差模杂讯和共模杂讯 简言之 差模杂讯是当两条电源供应线路的电流方向互为相反时发生的 如图 1 a 所示 而共模杂讯是当所有的电源供应线路的电流方向相同时发生的 如图 1 b 所示 一般而言 差模讯号通常是我们 所要的 因为它能承载有用的资料或讯号 而共模讯号 杂讯 是我们不要的副作用或是差模电路的 副产品 它正是 EMC 的 最大难题 从图一中 可以清楚发现 共模杂讯的发生大多数是因为 杂散电容 stray capacitor 的不当接地所造成的 这 也是为何共模也称作 接地泄漏模式 的原因 图二 差模和共模杂讯电路 在图二中 L 是 有作用 Live 或 相位 Phase 的意思 N 是 中性 Neutral 的意思 E 是 安全接地或接地线 Earth wire 的意思 EUT 是 测试中的设备 Equipment Under Test 之意思 在 E 下方 有一个接地符号 它是采用 国际电工委员会 International Electrotechnical Commission IEC 所定义的 有保护的接地 Protective Earth 之符号 在接地线的四周有一个圆形 而且有时会以 PE 来注明 DM 杂讯源是透过 L 和 N 对偶线 来推挽 push and pull 电流 Idm 因为有 DM 杂讯源的存在 所以没有电流通过接地线路 杂讯的电流方向是根据交流电的周期而变化的 电源供应电路所提供的基本的交流工作电流 在本质上也是差模的 因为它流进 L 或 N 线路 并透过 L 或 N 线路离开 不过 在 图二中的差模电流并没有包含这个电流 这是因为工作电流虽然是差模的 但它不是杂讯 另一方面 对一个电流源 讯号源 而言 若它的基本频率是电源频率 line frequency 的两倍 100 或 120Hz 它实质上仍是属于 直流的 而且不是杂讯 即使它的谐波频率 超过了标准的传导式 EMI 之限制范围 150 kHz to 30 MHz 然而 必须注意的是 工作电流仍然保留有直 流偏压的能量 此偏压是提供给滤波抗流线圈 filter choke 使用 因此这会严重影响 EMI 滤波器的效能 这时 当使用外部 的电流探针来量测数据时 很可能因此造成测量误差 传导式传导式 EMI 的测量技术的测量技术 二二 返回路径返回路径 返回路径返回路径 对杂讯电流而言 真正的返回路径 return path 是什么呢 实体的电气路径之间的距离 最好是越大越好 因为如果没有 EMI 滤波器存在的话 部分的杂讯电流将会透过散布于各地的各种 寄生性电容返回 其余部分将透过无线的方式返回 这就是辐射 由此产生的电磁场会影响相邻的导体 在这些导体内产生极小 的电流 最后 这些极小的返回电流在电源供应输入端的总和会一直维持零值 因此不会违反 Kirchhoff 定律 在一封闭电 路中 过一节点的电流量之代数和为零 利用简单的数学公式 就可以将于 L 和 N 线路上所测得的电流 区分为 CM 电流和 DM 电流 但是为了避免发生代数计算的错误 必须先对电流的 正方向 做一定义 可以假设若电流由右至左流动 就是正方向 反之则为负方向 此外 必须记住的是 一 个电流 I 若在任一线路中往一个方向流动时 这是等同于 I 往另一个方向流动的 Kirchhoff 定律 例如 假设在一条线路 L 或 N 上 测得一个由右至左流动的电流 2 A 并在另一条线路上 测得一个由左至右流动的电流 5 A CM 电流和 DM 电流是多少呢 就 CM 电路而言 假设它的 E 连接到一个大型的金属接地平面 因此无法测量出流过 E 的电流 值 如果可以测得 那将是简单的 Icm 这和一般离线的 off line 电源供应器具有 3 条 有接地线 或 2 条 没有接地线 电线不同 不过 在后续的例子中 我们将会发现对那些接地不明的设备而言 其实它们具有一些泄漏 返回 路径 以图一为例 假设第一次测量的线路是 L 若选择 N 为首次测量的线路 底下所计算出来的结果也是一样的 由此可以导出 IL Icm 2 Idm 2 A IN Icm 2 Idm 5 A 求解上面的联立方程式 可以得出 Icm 3 A Idm 3 5 A 这表示有一个 3 A 的电流 流过 E 这是共模的定义 而且 有一个 3 5 A 的电流在 L 和 N 线路中来回流动 再举一个例子 假设测得一个 2 A 的电流在一条线路中由右至左流动 而且在另一条线路中没有电流存在 此时 CM 电流和 DM 电流为多少 IL Icm 2 Idm 2 A IN Icm 2 Idm 0 A 对上面的联立方程式求解 可得出 Icm 2 A Idm 1 A 这是 非对称模式 的例子 从此结果可以看出 非对称模式 的一部分可以视为 不对称 CM 模式 而它的另一部分可 视为 对称 DM 模式 传导式传导式 EMIEMI 的测量技术的测量技术 三三 传导式传导式 EMIEMI 的测量的测量 传导式传导式 EMIEMI 的测量的测量 为了要测量 EMI 我们必须使用一个 阻抗稳定网路 Impedance Stabilization Network ISN 和 ISN 类似的 LISN 已被应 用到离线的电源供应电路中 其全名是 线路阻抗稳定网路 Line Impedance Stabilization Network LISN 或 仿真的主 要网路 Artificial Mains Network AMN 如图三所示 那是一个简易的电路图 若产品想要通过 国际射频干扰特别委员 会 International Special Committee on Radio Interference CISPR 所制定的 CISPR 22 限制 limits 规定 就必 须采用符合 CISPR 16 规范所定义的 LISN CISPR 16 是 CISPR 22 所参考的标准 图三 一个 CISPR LISN 的简易电路图 使用 LISN 的目的是多重的 它是一个 干净的 交流电源 将电能供应给电源供应器 接收机或频谱分析仪可以利用它来读出测 量值 它提供一个稳定的均衡阻抗 即使杂讯是来自于电源供应器 最重要的是 它允许测量工作可以在任何地点重覆进行 对 杂讯源而言 LISN 就是它的负载 假设在此 LISN 电路中 L 和 C 的值是这样决定的 电感 L 小到不会降低交流的电源电流 50 60Hz 但在期望的频率范围内 150 kHz to 30 MHz 它大到可以被视为 开路 open 电容 C 小到可以阻隔交流的电源电压 但在期望的频率范围内 它大到变成 短路 short 上面的叙述 几乎 是为真的 在图三中 主要的简化部分是 缆线或接收机的输入阻抗已经被包含进去了 将一条典型的同轴 缆线连接到一台测量仪器 分析仪或接收机或示波器 等 时 对一个高频讯号而言 此缆线的输入阻抗是 50 欧姆 因为传输线 效应 所以 当接收机正在测量这个讯号时 假设在 L 和 E 之间 LISN 使用一个 继电 切换 relay switch 电路 将实 际的 50 欧姆电阻移往相反的配对线路上 也就是在 N 和 E 之间 如此就能使所有的线路在任何时候都能保持均衡 不管是测量 VL 或 VN 选择 50 欧姆是为了要模拟高频讯号的输入阻抗 因为高频讯号所使用的主要导线之阻抗值近似于 50 欧姆 此外 它可以让一般 的测量工作 在任何地点 任何时间重覆地进行 值得注意的是 电信设备的通讯埠是使用 阻抗稳定网路 它是使用 150 欧 姆 而不是 50 欧姆 这是因为一般的 资料线路 data line 之输入阻抗值近似于 150 欧姆 图四 对 DM 和 CM 杂讯源而言 LISN 所代表的负载阻抗 为了了解 VL 和 VN 请参考图四 共模电压是 25 乘以流向 E 的电流值 或者是 50 乘以 Icm 2 差模电压是 100 乘以差模 电流 因此 LISN 提供下列的负载阻抗给杂讯源 没有任何的输入滤波器存在 CM 负载阻抗是 25 DM 负载阻抗是 100 当 LISN 切换时 可以由下式得出杂讯电压值 VL 25 Icm 50 Idm 或 VN 25 Icm 50 Idm 这是否意味着只要在 L E 和 N E 上做测量 就可以知道 CM 和 DM 杂讯的相对比例大小 其实 许多人常有这样的错误观念 如果来自于电源供应器的杂讯大部分是属于 DM 的 则 VL 和 VN 的大小将会相等 如果杂讯 是属于 CM 的 则 VL 和 VN 的大小也会相等 但是 如果 CM 和 DM 的辐射大小几乎相等时 则 VL 和 VN 的测量值将不会相同 如果这样的观念正确的话 那就表示即使在一个离线的电源供应器中 L 和 N 线路是对称的 但 L 和 N 线路上的辐射量还是不相 等的 在某一个特殊的时间点 两线路上的个别杂讯大小可能会不相等 但实际上 射频能量是以交流的电源频率 在两条线路 之间 跳跃 着 如同工作电流一样 所以 任何侦测器测量此两条线路时 只要测量的时间超过数个电压周期 VL 和 VN 的测 量值差异将不会很大的 不过 极小的差异可能会存在 这是因为有各种不同的 不对称性 存在 当然 VL 和 VN 的测量结果 必须符合 EMI 的限制规定 使用 LISN 后 就不需要分别测量 CM 和 DM 杂讯值 它们是利用上述的代数公式求得的 但有时还是需要各别测量 CM 和 DM 杂讯值 譬如 为了排除故障或诊断错误 幸好有一些聪明的方法可以达到各别测量的目的 我们举两个例子 有一种装置称作 LISN MATE 不过 目前已经很少被使用了 它会衰减 DM 杂讯约 50dB 但不会大幅衰减 CM 杂讯 约仅衰减 4dB 它的电路如图五所示 图六是一种以变压器为基础的装置 它是利用共模电压无法使变压器工作的原理 因为本质上需要差动的一次测电压 才能使变 压器线圈内的磁通量 摆动 swing 它不像 LISN MATE 此时 CM 和 DM 杂讯是一起输出 不过 上述的两种方法都需要修改 LISN 电路 因为一般的 LISN 只提供 VL 或 VN 无法同时提供这两者 最好是购买 CM 和 DM 杂 讯有分离输出的 LISN 此外 也应该要有总和检视的功能 以确定是否有遵守技术规范的限制 图五 LISN MATE 图六 CM 和 DM 分离器 传导式传导式 EMI 的测量技术的测量技术 四四 差模和共模差模和共模 传导式传导式 EMIEMI 的限制的限制 对 EMI 而言 滤波器是做何用途呢 表一列出了 FCC 和 CISPR 22 的 EMI 限制规定 此表中比较特殊的是 除了可用 dB V 计量以 外 也可以用 mV 来计量 这对那些讨厌使用对数 logarithm 计算的设计者而