电磁兼容在电路设计中的原则和方法

1、电磁兼容在电路设计中的原则和方法电磁兼容设计要求在元器件级、部件级、设备级、系统级都达到互不干扰，正常工作。元器件、部件级上的电磁干扰主要来自不同的元件之间的电磁耦合，电路设计的任务之一就是要消除元件和部件级上发生的电磁干扰影响。设备级，系统级所发生的电磁干扰与电子设备所处的电磁环境，各电子设备之间的相互影响，以及电子设备内部的元件和部件之间的电磁耦合有关。1 电磁兼容的分层设计原则这主要是按照电磁兼容设计的先后顺序来考虑的，从先到后可分为以下几层：(1) 元器件的选择和PCB设计，这是关键的；(2) 接地设计，这是主要的手段。以上两层如果设计的好，可完成电磁兼容的80%以上的工作。(3) 屏

2、蔽设计；(4) 滤波设计和瞬态骚扰抑制。以上两层是辅助手段，多为事后补救措施，也是我们最不提倡的。(5) 可根据实际电路需要，结合以上几层来综合设计。2 保证电磁兼容的方法主要根据构成干扰的三要素从下几方面来保证电磁兼容。2.1 在不同等级上保证电磁兼容1) 从元器件级上来说，当是无源元件时，考虑(1)工作频带以外的元件参数与工作频带上的有很大的区别；(2)插件元件的末端引线有电感存在，当高频时这个电感易发生电磁兼容问题；(3)元件有寄生电容，寄生电感，在电路上表现为分布参数，在分析电路时也要考虑由它带来的等效电路。当是有源元件时，工作中产生的电磁辐射也会以传导电流的方式成为干扰源，当是非线性

3、元件时还可能发生频谱成分的变化，这种变化也会引起干扰。2) 从设备级上来说，主要是保证减少对敏感设备的耦合，可考虑(1)增加脉冲前沿时间以减少干扰的频宽；(2)消除电路中震荡器产生的谐波及信号的谐波；(3)限制干扰辐射或消除干扰的传播途径。3) 从系统级上来说，主要是靠组织或系统工程的方法来保证，因为有可能在单个设备上的电磁兼容得到了改善，但同时却影响了其它设备的工作条件，使得其它设备的性能指标变坏，此时需要从系统上折中考虑，另外，重要的一点是电磁兼容设计必须得到系统总体设计的高度重视。2.2 减小导线之间的耦合主要是从增大导线之间的距离，使用屏蔽，使用双绞线或使用屏蔽加双绞这几个方面来考虑。

4、2.3 接地主要应考虑(1)接地导线及公共线的阻抗应最小，最好小于产品最高工作频率的/20以内；(2)接地导线应采用横截面为管形的接地线；(3)可靠接地，并防止连接点形成氧化层；(D)使用一点并联接地(低频用)或者多点接地(高频用)。2.4 屏蔽当是低频磁场时，主要考虑磁屏蔽，当屏蔽层越厚，材料导电率越高，屏蔽效能越好；当是高频磁场、电场或电磁场时，主要考虑用薄金属屏蔽并良好接地。另一个值得注意的是在线缆制作时，要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象，否则效果大大打折扣。 2.5 滤波主要考虑(1)抑制工作频带以外的干扰；(2)在信号电路中用吸收滤波器消除

5、无用的频谱成分；(3)在电源电路(尤其是开关电源中)，操纵电路，控制电路，以及转换电路中消除产生的干扰。在工程实际中，一个最值得注意的地方是电源滤波器的安装，常见的滤波器的错误安装如图2所示。图2 电源滤波器的错误安装2.6 电子设备的空间位置由于各种电子设备的接收特性以及干扰源设备的辐射特性都具有一定的方向性和一定的作用距离，可以利用这些特性适当安排电子设备在设备空间中的位置以避免干扰和被干扰，即注意确定电子设备之间的空间距离和位置的格局。3 PCB设计技术除了元器件的选择和电路设计外，良好的印制板(PCB)布线在电磁兼容设计中也是一个非常重要的因素。既然PCB是系统的固有成分，在PCB布线

6、中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用，从这一点来说也是非常经济的。3.1 注意电磁兼容设计的带宽在EMC中，除了基本频率外，还需考虑谐波因素，通常取十倍频，但在数字电路中却有些不同，比如在时钟电路和逻辑门电路中，辐射带宽与数字信号的上升沿或下降沿有关系，而不是数字信号的重复周期，其关系为：，其中是脉冲的上升沿时间。例如，典型时钟驱动的边沿速率是2 ns，此时，160 MHz，再考虑十倍频，则此时钟电路可能产生直到1.6 GHz的辐射带宽。所以在选择器件时要选择慢速的逻辑器件系列，因为器件对电磁辐射贡献的大小与工作频率无直接关系而只取决于边沿速率(这和从电路功能设计上选择快速器件是矛

7、盾的，在电路设计时需要折中考虑)。还有从器件的抗扰能力上来说，CMOS器件是最好的，因为它的噪声容限高。从封装上来说，BGA是最好的，因为它的引线很短。脉冲信号的频谱如图3所示。T谐波幅度（电压或电流）-20 dB/dec-40 dB/decV( or I) = 2A(d+tr)/TV( or I) = 0.64A/TfV( or I) = 0.2A/Ttrf2频率（对数）1/ptr1/pdAtrd图3 脉冲信号的频谱3.2 注意用于PCB电磁兼容设计的电路与电路原理图不同主要是由于PCB的电路原理图没有考虑电路中元件及PCB线条的分布参数，如分布电感，分布电容，分布互感，分布互电容以及传输延

8、迟等项。例如导线在高频时等效于电感和电阻的串联。开关速度越高，对负载阻抗的要求就越高，要求时钟驱动器的输出阻抗必须等于时钟线条的波阻抗，通常时钟驱动器都要加串联电阻，经验值一般为1030。3.3 注意PCB布线原则(1) 20-H原则，决定印制线条间的距离，表述如下：所有的具有一定电压的PCB都会向空间辐射电磁能量（如图4a），为减小这个效应，PCB的物理尺寸都应该比最靠近的接地板的物理尺寸小20 H(其中H是两层PCB的间距)，即3 mm左右，这样可使辐射强度下降70%(如图4b)。20-H原则示意图如图4所示：图4 20H原则根据工程实际经验，采用20-H规则后会大大提高PCB的自激频率。

9、(2) 3-W原则，它决定PCB的电源层与边沿的距离，表述如下：当两条印制线的间距较小时，两线之间会发生电磁串扰，从而使电路功能失常。为避免这种影响，应保持任何线条间距不小于三倍的印制线条宽度，即3W，W为印制线条宽度。印制线条的宽度取决于线条阻抗的要求。(3) 保证信号在PCB上可靠的传输，确保信号的完整性。这里面主要的问题一般包括时延、阻抗不匹配、地弹跳、串音等。这不但影响到电子器件的稳定工作，还会产生电磁干扰。一般在高速逻辑设计中最容易碰到时延问题，处理不好会产生不希望的脉冲干扰。传输时延对信号的影响如图5所示。图5 传输时延对信号的影响3.4 注意确定PCB布线层数首先在设计中要有一个

10、重要的概念，就是每个布线层最好与实平面(电源或接地)相邻。原则：(1) 电源平面应靠近接地平面并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板之间的电容作电源的平滑电容，同时地平面还可以对电源面的辐射电流起到屏蔽的作用。(2) 数字电路和模拟电路分开。数字地和模拟地之间可以不开槽，但须有一个完整的统一的地平面，且严格按数字部分和模拟部分分区。(3) 中间层的印制线条形成平面波导，在表面层形成微带线，两者传输特性不同。(4) 电路尤其高频电路是主要的干扰和辐射源，一定要单独安排，远离敏感电路。(5) 信号面应安排与整块金属平面相邻，这样是为了产生通量对消作用。(6) 不同层所含的杂散电流和高频辐射

11、电流不同，布线时应区别对待。对于杂散电流可以用去耦电容，对于高频辐射电流可以通过减小回路面积。以下是常见的PCB层设计，供参考(S表示信号层，G表示地层，P表示电源层)。四层板：S1，G，P，S2六层板：S1，G，S2，P，G，S3八层板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4十层板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6(但S4对电源噪声敏感)3.5 注意PCB接地设计1) 首先，要建立分布参数的概念。高于一定频率时，任何金属导线都可看成是由电阻和电感构成的器件，所以，接地引线具有一定阻抗并且构成电气回路，不管是单点接地还是多点接地都必须构成低阻抗回路进入真正地或机架。2) 接地

12、方法(1) 单点接地。如果元件，电路的工作频率小于1MHz时，单点接地是很好的方式，但当频率升高时，连接线电感作用突出，此时接地阻抗将升高，当接地线的长度为周期信号四分之一波长的奇数倍时，不但阻抗高，还会成为辐射电磁能量的天线。(2) 多点接地。高频电路均采用多点接地，此时可使接地阻抗达到最小，可将射频电流由接地平面分流到金属地板上去，因为实体金属板有较低的电感分量会形成低阻抗回路。(3) 数字电路应当作为高频模拟电路处理，也应该保持低电感接地，并使用高质量退耦电容(0.1 uF并联0.001 uF相差两个数量级)接地。(4) 接地与信号回路，射频电流总要找一条道路回馈到起始点去，在电磁兼容设

13、计中，通常总是使高速逻辑电路尽可能靠近底版，接地板安装，以便更好减少高频辐射环路。接参考地的地线长度一定要很短，短到产品最高工作频率的/20以内。(5) 接地次序，由于一般是电源地骚扰(或噪声)最大，故它应先接到参考地(这样做的目的是让参考地先把骚扰吸收掉)，然后再送到模拟地和数字地上去。3.6 注意PCB中电容的设计EMC中的电容可分为退耦电容，旁路电容，和容纳电容。退耦电容主要是用来滤除高频器件在电源板上引起的辐射电流，为器件提供一个局域化的直流，还能减低印制电路中的电流冲击的峰值，通常陶瓷电容被用来作为退耦电容，其值取决于最快信号的上升时间和下降时间例如，对于33 MHz的时钟信号，可以使用4.7 uF到100 uF的电容, 对于100 MHz的时钟信号，可以使用10 uF的电容；另外，工程上也要考虑ESR对退耦能力的影响,一般选择ESR值低于1欧姆的电容。旁路电容能消除高频辐射噪声，通常铝电解电容和钽电容比较适合做旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流要求，一般在10-470 uF范围内，若PCB板上有许多集成电路，高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。容纳电容是用来解决开关器件工作时电源电压会发生突降的问题。总之，选择电容时，不但应该选择温度系数好的，还要选择等效串联电感小的(小于10 nH)和等效串联电阻小的(小于0.5)