電路板級(jí)的電磁兼容設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)并符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者需要將輻射（從產(chǎn)品中泄露的射頻能量）減到最小，增強(qiáng)其對(duì)輻射（進(jìn)入產(chǎn)品中的射頻能量）的易感性和抗干擾能力。如圖一所示，發(fā)射和抗干擾都可以根據(jù)輻射和傳導(dǎo)的耦合來(lái)分類。輻射耦合在高頻中十分常見(jiàn)，而傳導(dǎo)耦合路徑在低頻中更為常見(jiàn)。

2． 電磁兼容性的費(fèi)用

最經(jīng)濟(jì)有效的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，是在設(shè)計(jì)的早期階段充分考慮評(píng)估電磁兼容性的技術(shù)要求（見(jiàn)圖2）。

要讓設(shè)計(jì)者在最初選擇元件、設(shè)計(jì)電路和設(shè)計(jì)PCB布線時(shí)，就把電磁兼容性作為主要的設(shè)計(jì)依據(jù)是不大現(xiàn)實(shí)的。但是，如果設(shè)計(jì)者能牢記這篇文章的建議，那么，就能減少不合理的元件選擇、電路設(shè)計(jì)和PCB布線的情況出現(xiàn)。

第二部分 — 元件的選擇和電路設(shè)計(jì)技術(shù)

元件的選擇和電路設(shè)計(jì)是影響板級(jí)電磁兼容性性能的主要因素。每一種電子元件都有它各自的特性，因此，要求在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮。下面將討論一些常見(jiàn)的用來(lái)減少或抑制電磁兼容性的電子元件和電路設(shè)計(jì)技術(shù)。

? 元件組

有兩種基本的電子元件組：有引腳的和無(wú)引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果，尤其在高頻時(shí)。該引腳形成了一個(gè)小電感，大約是1nH/mm/引腳。引腳的末端也能產(chǎn)生一個(gè)小電容性的效應(yīng)，大約有4pF。因此，引腳的長(zhǎng)度
應(yīng)盡可能的短。與有引腳的元件相比，無(wú)引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。其典型值為：0.5nH的寄生電感和約0.3pF的終端電容。從電磁兼容性的觀點(diǎn)看，表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。

1．電阻

由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點(diǎn)，因此，表面貼裝電阻總是優(yōu)于有引腳電阻。

對(duì)于有引腳的電阻，應(yīng)首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線繞電阻。

由于在相對(duì)低的工作頻率下（約MHz數(shù)量級(jí)），金屬膜電阻是主要的寄生元件，因此其適合用于高功率密度或和高準(zhǔn)確度的電路中。線繞電阻有很強(qiáng)的電感特性，因此在對(duì)頻率敏感的應(yīng)用中不能用它。它最適合用在大
功率處理的電路中。

在放大器的設(shè)計(jì)中，電阻的選擇非常重要。在高頻環(huán)境下，電阻的阻抗會(huì)因?yàn)殡娮璧碾姼行?yīng)而增加。因此，增益控制電阻的位置應(yīng)該盡可能的靠近放大器電路以減少電路板的電感。

在上拉/下拉電阻的電路中，晶體管或集成電路的快速切換會(huì)增加上升時(shí)間。為了減小這個(gè)影響，所有的偏置電阻必須盡可能靠近有源器件及他的電源和地，從而減少PCB連線的電感。在穩(wěn)壓（整流）或參考電路中，直流偏置電阻應(yīng)盡可能地靠近有源器件以減輕去耦效應(yīng)（即改善瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間）。

在RC濾波網(wǎng)絡(luò)中，線繞電阻的寄生電感很容易引起本機(jī)振蕩，所以必須考慮由電阻引起的電感效應(yīng)。

2．電容

由于電容種類繁多，性能各異，選擇合適的電容并不容易。但是電容的使用可以解決許多EMC問(wèn)題。接下來(lái)的幾小節(jié)將描述幾種最常見(jiàn)的電容類型、性能及使用方法。鋁質(zhì)電解電容通常是在絕緣薄層之間以螺旋狀纏繞金屬箔而制成，這樣可在單位體積內(nèi)得到較大的電容值，但也使得該部分的內(nèi)部感抗增加。鉭電容由一塊帶直板和引腳連接點(diǎn)的絕緣體制成，其內(nèi)部感抗低于鋁電解電容。陶質(zhì)電容的結(jié)構(gòu)是在陶瓷絕緣體中包含多個(gè)平行的金屬片。其主要寄生為片結(jié)構(gòu)的感抗，并且通常這將在低于MHz的區(qū)域造成阻抗。絕緣材料的不同頻響特性意味著一種類型的電容會(huì)比另一種更適合于某種應(yīng)用場(chǎng)合。鋁電解電容和鉭電解電容適用于低頻終端，主要是存儲(chǔ)器和低頻濾波器領(lǐng)域。在中頻范圍內(nèi)（從KHz到MHz），陶質(zhì)電容比較適合，常用于去耦電路和高頻濾波。特殊的低損耗（通常價(jià)格比較昂貴）陶質(zhì)電容和云母電容適合于甚高頻應(yīng)用和微波電路。為得到最好的EMC特性，電容具有低的ESR（EquivalentSeries Resistance，等效串聯(lián)電阻）值是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)信號(hào)造成大的衰減，特別是在應(yīng)用頻率接近電容諧振頻率的場(chǎng)合。

a）旁路電容

旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10至470μF范圍內(nèi)。若PCB板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(zhǎng)引線的電源，則應(yīng)選擇大容量的電容。

b）去耦電容

有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。實(shí)際上，旁路電容和去耦電容都應(yīng)該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪聲。去耦電容的取值大約是旁路電容的1/100到1/1000。為了得到更好的EMC特性，去耦電容還應(yīng)盡可能地靠近每個(gè)集成塊（IC），因?yàn)椴季€阻抗將減小去耦電容的效力。陶瓷電容常被用來(lái)去耦，其值決定于最快信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。例如，對(duì)一個(gè)33MHz的時(shí)鐘信號(hào)，可使用4.7nF到100nF的電容；對(duì)一個(gè)100MHz時(shí)鐘信號(hào)，可使用10nF的電容。選擇去耦電容時(shí)，除了考慮電容值外，ESR值也會(huì)影響去耦能力。為了去耦，應(yīng)該選擇ESR值低于1歐姆的電容。

c）電容諧振

接下來(lái)簡(jiǎn)單討論一下如何根據(jù)諧振頻率選擇旁路電容和去耦電容的值。如圖3所示，電容在低于諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)容性，而后，電容將因?yàn)橐€長(zhǎng)度和布線自感呈現(xiàn)感性。表1列出了兩種陶瓷電容的諧振頻率，一種具有標(biāo)準(zhǔn)的0.25英寸的引腳和3.75nH的內(nèi)部互連自感，另一種為表面貼裝類型并具有1nH的內(nèi)部自感。我們看到表面貼裝類型的諧振頻率是通孔插裝類型的兩倍。

另一個(gè)影響去耦效力的因素是電容的絕緣材料（電介質(zhì)）。去耦電容的制造中常使用鋇鈦酸鹽陶瓷（Z5U）和鍶鈦酸鹽（NPO）這兩種材料。Z5U具有較大的介電常數(shù)，諧振頻率在1MHz到20MHz之間。NPO具有較低的介電常數(shù)，但諧振頻率較高（大于10MHz）。因此Z5U更適合用作低頻去耦，而NPO用作50MHz以上頻率的去耦。

常用的做法是將兩個(gè)去耦電容并聯(lián)。這樣可以在更寬的頻譜分布范圍內(nèi)降低電源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。多個(gè)去耦電容的并聯(lián)能提供6dB增益以抑制有源器件開(kāi)關(guān)造成的射頻電流。

多個(gè)去耦電容不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減小引線自感，因此也就能更有效的改善去耦能力。兩個(gè)電容的取值應(yīng)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以提供更有效的去耦（如0.1 μF + 0.001 μF并聯(lián)）。需要注意的是數(shù)字電路的去耦，低的ESR值比諧振頻率更為重要，因?yàn)榈偷腅SR值可以提供更低阻抗的到地通路，這樣當(dāng)超過(guò)諧振頻率的電容呈現(xiàn)感性時(shí)仍能提供足夠的去耦能力。

3．電感

電感是一種可以將磁場(chǎng)和電場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)的元件，其固有的、可以與磁場(chǎng)互相作用的能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似，聰明地使用電感也能解決許多EMC問(wèn)題。下面是兩種基本類型的電感：開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。它們的不同在于內(nèi)部的磁場(chǎng)環(huán)。在開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)中，磁場(chǎng)通過(guò)空氣閉合；而閉環(huán)設(shè)計(jì)中，磁場(chǎng)通過(guò)磁芯完成磁路。如圖4所示.

電感比起電容和電阻而言的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它沒(méi)有寄生感抗，因此其表面貼裝類型和引線類型沒(méi)有什么差別。
開(kāi)環(huán)電感的磁場(chǎng)穿過(guò)空氣，這將引起輻射并帶來(lái)電磁干擾（EMI）問(wèn)題。在選擇開(kāi)環(huán)電感時(shí)，繞軸式比棒式或螺線管式更好，因?yàn)檫@樣磁場(chǎng)將被控制在磁芯（即磁體內(nèi)的局部磁場(chǎng)）。