数字电路PCB的EMI控制技术
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在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI控制。 一、器件选型 在进行EMI设计时，首先要考虑选用器件的速率。任何电路，如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件，EMI会提高约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI频率（fknee）也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：fknee =0.35/Tr (其中Tr为器件的信号上升时间) 这种辐射型EMI的频率范围为30MHz到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时,电路容易丧失正常的功能。因此,在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下,应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI辐射的重要因素。一般地,贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA封装的寄生参数小于QFP封装。 二、连接器的选择与信号端子定义 连接器是高速信号传输的关键环节,也是易产生EMI的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针,减小信号与地的间距,减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积,提供低阻抗回流通路。必要时,要考虑将一些关键信号用地针隔离。 三、叠层设计 在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。 四、布局 根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是： ●模拟信号易受数字信号的干扰,模拟电路应与数字电路隔开； ●时钟线是主要的干扰和辐射源,要远离敏感电路,并使时钟走线最短； ●大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响； ●连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路； ●输入/输出电路靠近相应连接器,去耦电容靠近相应电源管脚； ●充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI的影响； ●回流平面（路径）不分割。 五、布线 ●阻抗控制:高速信号线会呈现传输线的特性,需要进行阻抗控制，以避免信号的反射、过冲和振铃，降低EMI辐射。 ●将信号进行分类，按照不同信号（模拟信号、时钟信号、I/O信号、总线、电源等）的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源与敏感系统尽可能分离，减小耦合。 ●严格控制时钟信号(特别是高速时钟信号)的走线长度、过孔数、跨分割区、端接、布线层、回流路径等。 ●信号环路，即信号流出至信号流入形成的回路，是PCB设计中EMI控制的关键，在布线时必须加以控制。要了解每一关键信号的流向，对于关键信号要靠近回流路径布线,确保其环路面积最小。 对低频信号,要使电流流经电阻最小的路径；对高频信号,要使高频电流流经电感最小的路径,而非电阻最小的路径(见图1)。对于差模辐射,EMI辐射强度(E)正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方。(其中I是电流、A是环路面积、f是频率、r是到环路中心的距离,k为常数。)
因此当最小电感回流路径恰好在信号导线下面时,可以减小电流环路面积,从而减少EMI辐射能量。 ●关键信号不得跨越分割区域。 ●高速差分信号走线尽可能采用紧耦合方式。 ●确保带状线、微带线及其参考平面符合要求。 ●去耦电容的引出线应短而宽。 ●所有信号走线应尽量远离板边缘。 ●对于多点连接网络，选择合适的拓扑结构，以减小信 号反射，降低EMI辐射。 六、电源平面的分割处理 ●电源层的分割 在一个主电源平面上有一个或多个子电源时,要保证各电源区域的连贯性及足够的铜箔宽度。分割线不必太宽,一般为20～50mil线宽即可,以减少缝隙辐射。 ●地线层的分割 地平面层应保持完整性,避免分割。若必须分割，要区分数字地、模拟地和噪声地,并在出口处通过一个公共接地点与外部地相连。 为了减小电源的边缘辐射,电源/地平面应遵循20H设计原则，即地平面尺寸比电源平面尺寸大20H（见图2），这样边缘场辐射强度可下降70% 。
七、EMI的其它控制手段 1. 电源系统设计 ●设计低阻抗电源系统，确保在低于fknee频率范围内的电源分配系统的阻抗低于目标阻抗。 ●使用滤波器，控制传导干扰。 ●电源去耦。在EMI设计中,提供合理的去耦电容，能使芯片可靠工作，并降低电源中的高频噪声，减少EMI。由于导线电感及其它寄生参数的影响，电源及其供电导线响应速度慢，从而会使高速电路中驱动器所需要的瞬时电流不足。（http://www.gdzrlj.com/版权所有）合理地设计旁路或去耦电容以及电源层的分布电容,能在电源响应之前，利用电容的储能作用迅速为器件提供电流。正确的电容去耦可以提供一个低阻抗电源路径，这是降低共模 EMI的关键。 2. 接地 接地设计是减少整板EMI的关键。 ●确定采用单点接地、多点接地或者混合接地方式。 ●数字地、模拟地、噪声地要分开,并确定一个合适的公共接地点。 ●双面板设计若无地线层,则合理设计地线网格很重要,应保证地线宽度>电源线宽度>信号线宽度。也可采用大面积铺地的方式,但要注意在同一层上的大面积地的连贯性要好。 ●对于多层板设计,应确保有地平面层,减小共地阻抗。 3. 串接阻尼电阻 在电路时序要求允许的前提下，抑制干扰源的基本技术是在关键信号输出端串入小阻值的电阻，通常采用22～33Ω的电阻。这些输出端串联小电阻能减慢上升/下降时间并能使过冲及下冲信号变得较平滑，从而减小输出波形的高频谐波幅度，达到有效地抑制EMI的目的。 4．屏蔽 ●关键器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽网。 ●对关键信号的屏蔽，可以设计成带状线或在关键信号的两侧以地线相隔离。 5．扩频 扩展频谱（扩频）的方法是一种新的降低EMI的有效方法。扩展频谱是将信号进行调制,把信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上。实际上,该方法是对时钟信号的一种受控的调制,这种方法不会明显增加时钟信号的抖动。实际应用证明扩展频谱技术是有效的,可以将辐射降低7到20dB。 6．EMI分析与测试 ●仿真分析 完成PCB布线后,可以利用EM I仿真软件及专家系统进行仿真分析,模拟EMC/EMI环境，以评估产品是否满足相关电磁兼容标准要求。 ●扫描测试 利用电磁辐射扫描仪,对装联并上电后的机盘扫描,得到PCB中电磁场分布图(如图3,图中红色、绿色、青白色区域表示电磁辐射能量由低到高),根据测试结果改进PCB设计。
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