差模辐射和辐射抗扰性在PCB设计中的分析

差模辐射和辐射抗扰性在PCB设计中的分析

在印制电路板设计阶段进行电磁兼容性(EMC)设计非常重要。分析了引起数字差模辐射干扰的原因，提出了印制电路板设计中相关问题的解决方法，介绍了较好的元器件布置及地线、电源线和信号线的设计。

关键词：差模辐射；电磁干扰；印制电路板

引　　言

随着现代电子科技的发展，芯片的高速化和集成化，促使各种电子设备系统内外的电磁环境愈加复杂，对电路板设计中的电磁兼容技术要求更高。电磁兼容辐射干扰问题主要来自电路中的电流突变产生的磁场变化或电压突变产生的电场变化。差模辐射作为辐射干扰源的一种，是由电路中传送电流的导线所形成的环路产生的，这些环路相当于可产生磁场辐射的小型天线。尽管电流环路是电路正常工作所必需的，但为了限制辐射发射，必须在设计过程中对环路的尺寸与面积进行控制。印制电路板是构成数字电子设备的基础，为保证它的电磁兼容性，布线和设计应使得板上各部分电路相互间无干扰，对外的辐射发射尽可能降低达到有关标准的要求。

差模辐射

差模辐射的情况可以用一个小型环状天线来模拟，如图1所示。对于一个环路面积为A，电流为I的小型天线，在自由空间中距离r处(远场区)测量到的电场E的大小表示为:

上式中电场强度E的单位是V?m，频率f的单位是Hz，面积A的单位是m2，电流I的单位是A，距离r的单位是m。式(1)中的第一项是个常量，代表传输介质的特性，第二项定义了辐射源的特性，也就是环状天线的特性;第三项则描述了从辐射源向远处传播时的衰减特性;最后一项表示的是测量天线以辐射平面为参考的角度方向。式(1)适用于自由空间中的小型环状天线，但大多数电子产品的辐射测量都在地平面上的开阔场地进行，过多的地面反射可能使辐射发射的测量结果变大，最大可达6dB。因此，计算时公式(1)必须乘以修正系数2。假设所有反射的方向相同，对地面反射进行校正，可将式(1)重写为:

式(2)表明，辐射发射大小与电流I、信号频率f的平方以及环路面积A成正比。所以，可以用以下方法来控制辐射发射:(1)减小环路面积;(2)减小天线上的电流大小;(3)减小电流信号频率或电流的谐波分量。如电流波形不是正弦波，则计算之前必须首先确定该电流的傅里叶级数。


差模辐射的抑制

环路面积
控制差模辐射的方法是使电流所包围的环路面积最小。在布放信号线与其相应的地回流线时，两者尽量相互靠近。对于时钟布线、背板布线和电缆互连，这点尤其重要。

环路电流
电流大小与驱动环路的电路源阻抗有关，同时还与终结环路的负载阻抗有关。通常，可以用宽带电流探头对环路电流进行测量。测量时需要增加与PCB布线串连的导线，长度以刚好夹在电流探头上为宜。

傅里叶级数
因为数字电路采用方波信号，所以在应用式(2)计算辐射发射之前，必须首先已知电流的傅里叶级数。对于对称的方波，第n次谐波电流大小可以用式(3)来表示:

I是波信号的峰-峰值，d是信号的占空比，tr是信号的上升沿时间，T是信号的周期。计算差模辐射发射理论值，可根据式(3)确定每次谐波所含电流大小，接着将该电流值和各自响应的频率带入式(1)进行计算，依次重复，直到完成所有谐波频率的计算。

在PCB设计中的应用

电路板布局的差模辐射抑制
首先，应努力控制信号与瞬态电源电流形成的每一个环路面积，使其最小，特别是作为主要辐射源的传输系统时钟电路。时钟信号通常也是系统中频率最高的信号，其所有能量都集中在基波与其谐波组成的窄频带内，因此，所有时钟线都应该有毗邻的地回流线，这样就能够使总时钟环路面积小于几平方厘米。图2是一典型的计算装置产生的辐射发射频谱图，虽工作条件不同，但其最大发射几乎相等。


多层电路板的差模辐射抑制
如果是多层板，使回流电流在地平面上流动，并沿着与信号导线相同的路径流动，这样可使线路的电感最小，环路的面积由信号导线的长度以及信号层与地面之间的距离决定。由于这种设计成本偏高，所以常采用接地网格方法控制辐射发射。

背板的差模辐射抑制
数字系统中，连接各功能板信号的背板也是产生差模辐射的主要来源。因此，背板上的时钟线等高频强信号和易受干扰的微弱信号线应安排在背板内部的两个地层之间，且强弱信号线分属不同的内部信号层。只有一个内部地层的背板，应将时钟信号线布在靠近内部地层的元件面一侧。

互连电缆的差模辐射抑制
板间或单元内的电缆布线也是一种差模辐射发射源。所以，应采用带屏蔽层的电缆。屏蔽电缆中按照减小差模辐射能力强弱排序依次为:光纤、同轴电缆、三芯电缆、双绞线和带状电缆。