印刷电路板(PCB)的EMI抑制知识

对于EMI，可以按照电磁干扰的途径(详细的分类参见附录一)来分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果骚扰源不是处在一个全封闭的金属外壳内，它就可以通过空间向外辐射电磁波，其辐射场强取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效阻抗，以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳带有缝隙与孔洞，则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时，则可形成干扰子辐射源向四周辐射，辐射场中金属物还可以形成二次辐射；传导干扰，顾名思义，骚扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射，也可以通过公共阻抗耦合，或接地回路耦合，将干扰带入其他电路，传导干扰是电磁干扰的一种重要形式；感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径，当骚扰源的频率较低时，骚扰电源的辐射能力有限。同时骚扰又不直接与其他导体连接，此时电磁骚扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合，将电磁能转移到其他导体上去，在邻近导体内感应出骚扰电流或者电压。感应耦合可以通过导体间的电容耦合的形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。

4.2 EMI的产生

我们来分析一下EMI的产生，忽略自然干扰的影响，在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。

4.2.1 电压瞬变
对于电磁干扰的分析，可以从电磁能量外泄方面来考虑，如果器件向外泄露的能量越少，我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说，产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道，数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的，而是融合了很多高次谐波分量，这些谐波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定，信号上升和下降速率越快，即开关频率越高，则产生的能量越多。所以，如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变，将会产生严重的电磁辐射，这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常，高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算:
F=1/πTr
F为开关电路产生的最高EMI频率，单位为GHz，Tr为信号的上升时间或者下降时间，单位为ns。比如，对于上升时间为1ns左右的器件，那么它所产生的最高EMI频率将为350MHz，而如果上升时间降为为500ps，那么它的最高EMI发射频率将为700MHz，远远高于系统正常的工作频率，这将会在一定程度上影响周围其他系统的正常工作。显然，如果能减缓信号的上升沿，将会在很大程度上减少EMI，但是随着电子设计和芯片制造水平的发展，器件总是朝着高速方向发展，单一的降低信号开关速率显然是不现实的。但我们却可以通过降低信号电压来达到同样的目的，因为在相同的时间内，低电压器件需要跨越的逻辑门电压幅度较小，就同样减缓器件的上升沿速率，所以低电压器件也是高速电路发展的趋势。

4.2.2信号的回流
任何信号的传输都存在一个闭环的回路，当电流从驱动端流入接收端的时候，必然会有一个回流电流通过与之相邻的导体从接收端回流至驱动端，构成一个闭合的环路，而环路的大小却和EMI的产生有着很大的关系，我们都知道，每一个环路都可以等效为一个天线，环路数量或者面积越大，引起的EMI也越强。我们知道，交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端，但实际情况中，信号不可能始终保持如图1-4-1所示的理想路径，特别是在高密度布线的PCB板上，过孔，缝隙等都可能降低参考平面理想的特性，而是表现为更复杂的回流形式(图1-4-2)。
图1-4-1 理想信号回流示意图