電路板級的電磁兼容設(shè)計

作者：時間：2011-10-08 來源：網(wǎng)絡(luò)

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對閉環(huán)電感來說，磁場被完全控制在磁心，因此在電路設(shè)計中這種類型的電感更理想，當(dāng)然它們也比較昂貴。螺旋環(huán)狀的閉環(huán)電感的一個優(yōu)點是：它不僅將磁環(huán)控制在磁心，還可以自行消除所有外來的附帶場輻射。電感的磁芯材料主要有兩種類型：鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻場合（幾十KHz），而鐵氧體磁芯電感用于高頻場合（到MHz）。因此鐵氧體磁芯電感更適合于EMC應(yīng)用。

在EMC應(yīng)用中特別使用了兩種特殊的電感類型：鐵氧體磁珠和鐵氧體磁夾。

鐵和鐵氧體可作電感磁芯骨架。鐵芯電感常應(yīng)用于低頻場合（幾十KHz），而鐵氧體芯電感常應(yīng)用于高頻場合（MHz）。所以鐵氧芯感應(yīng)體更適合于EMC應(yīng)用。在EMC的特殊應(yīng)用中，有兩類特殊的電感：鐵氧體磁珠和鐵氧體夾。鐵氧體磁珠是單環(huán)電感，通常單股導(dǎo)線穿過鐵氧體型材而形成單環(huán)。這種器件在高頻范圍的衰減為10dB，而直流的衰減量很小。類似鐵氧體磁珠，鐵氧體夾在高達(dá)MHz的頻率范圍內(nèi)的共模（CM）和差模（DM）的衰減均可達(dá)到10dB至20dB。

在DC-DC變換中，電感必須能夠承受高飽和電流，并且輻射小。線軸式電感具有滿足該應(yīng)用要求的特性。在低阻抗的電源和高阻抗的數(shù)字電路之間，需要LC濾波器，以保證電源電路的阻抗匹配，如圖6所示。

電感最廣泛的應(yīng)用之一是用于交流電源濾波器，如圖7所示。

圖7中，L1是共模扼流圈，它既通過其初級電感線圈實現(xiàn)差分濾波，又通過其次級電感線圈實現(xiàn)共模濾波。L1、CX1和CX2構(gòu)成差分濾波網(wǎng)絡(luò)，以濾除進(jìn)線間的噪聲。L1、CY1和CY2構(gòu)成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，以減小接線回路噪聲和大地的電位差。對于50?的終端阻抗，典型的EMI濾波器在差分模式能降低50 dB/十倍頻程，而在共模降低為40 dB/十倍頻程。

4．二極管

二極管是最簡單的半導(dǎo)體器件。由于其獨特的特性，某些二極管有助于解決并防止與EMC相關(guān)的一些問題。表2列出了典型的二極管。

二極管的應(yīng)用

許多電路為感性負(fù)載，在高速開關(guān)電流的作用下，系統(tǒng)中產(chǎn)生瞬態(tài)尖峰電流。二極管是抑制尖峰電壓噪聲源的最有效的器件之一。下面舉例說明用二極管實現(xiàn)尖峰抑制。

如圖8所示，控制終端開/關(guān)線圈，線圈中的開關(guān)尖峰脈沖將耦合并輻射到電路的其它部分。二極管D1能嵌位電壓的波動。

圖9中的二極管用于抑制高壓開關(guān)的尖峰電壓。

圖10是典型的變壓和整流電路。D2是肖特基或齊納二極管，用于抑制濾波后的尖峰瞬態(tài)噪聲電壓。

在汽車控制應(yīng)用中，無論有刷還是無刷電機，當(dāng)電機運行時，都將產(chǎn)生電刷噪聲或換向噪聲。因此需要噪聲抑制二極管，為了改進(jìn)噪聲抑制效果，二極管應(yīng)盡量靠近電機接點。在電源輸入電路中，需要用TVS或高電壓變阻器進(jìn)行噪聲抑制。信號連接接口的EMI問題之一是靜電釋放（ESD）。屏蔽電纜和連接器用于保護而不受外界靜電的干擾。另一種方法是使用TVS或變阻器保護信號線。

? 集成電路

現(xiàn)代數(shù)字集成電路（IC）主要使用CMOS工藝制造。CMOS器件的靜態(tài)功耗很低，但是在高速開關(guān)的情況下，CMOS器件需要電源提供瞬時功率，高速CMOS器件的動態(tài)功率要求超過同類雙極性器件。因此必須對這些器件加去耦電容以滿足瞬時功率要求。

1．集成電路封裝

現(xiàn)在集成電路有多種封裝結(jié)構(gòu)，對于分離元件，引腳越短，EMI問題越小。因為表貼器件有更小的安裝面積和更低的安裝位置，因此有更好的EMC性能，因此應(yīng)首選表貼器件。甚至直接在PCB板上安裝裸片。IC的引腳排列也會影響EMC性能。電源線從模塊中心連到I.C.引腳越短，它的等效電感越少。因此VCC與GND之間的去耦電容越近越有效。

無論是集成電路、PCB板還是整個系統(tǒng)，時鐘電路是影響EMC性能的主要因素。集成電路的大部分噪聲都與時鐘頻率及其多次諧波有關(guān)。因此無論電路設(shè)計還是PCB設(shè)計都應(yīng)該考慮時鐘電路以減低噪聲。合理的地線、適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/去耦電容">去耦電容和旁路電容能減小輻射。用于時鐘分配的高阻抗緩沖器也有助于減小時鐘信號的反射和振蕩。對于使用TTL和CMOS器件的混合邏輯電路，由于其不同的開關(guān)/保持時間，會產(chǎn)生時鐘、有用信號和電源的諧波。為避免這些潛在的問題，最好使用同系列的邏輯器件。由于CMOS器件的門限寬，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計者選用CMOS器件。由于制造工藝是CMOS工藝，因此微處理器的接口電路也優(yōu)選這種器件。需要特別注意的是，未使用的CMOS引腳應(yīng)該接地線或電源。在MCU電路中，噪聲來自沒連線/終端的輸入，以至MCU執(zhí)行錯誤的代碼。它也是設(shè)計微控制器接口首選的邏輯系列產(chǎn)品,這些微控制器也是基于CMOS技術(shù)制造的。關(guān)于CMOS設(shè)備，一個重要方面就是其不用的輸入引腳要懸空或者接地。在MCU電路中，噪聲環(huán)境可能引起這些輸入端運行混亂，還導(dǎo)致MCU運行亂碼。

2．電壓校準(zhǔn)

對于典型的校準(zhǔn)電路，適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙輵?yīng)該盡可能近地放置在校準(zhǔn)電路的輸出位置，因為在跟蹤過程中,距離在校準(zhǔn)的輸出和負(fù)荷之間將會產(chǎn)生電感影響，并引起校準(zhǔn)電路的內(nèi)部振動。一個典型例子，在校準(zhǔn)電路的輸入和輸出中，加上0.1uF的去耦電容可以避免可能的內(nèi)在振動和過濾高頻噪聲。除此之外，為了減少輸出脈動，要加上一個相對大的旁路電容(10uF/A)。圖11演示了校準(zhǔn)電路的旁路和去耦電容。電容要放到離校準(zhǔn)裝置盡可近的地方。

3．線路終端

當(dāng)電路在高速運行時,在源和目的間的阻抗匹配非常重要。因為錯誤的匹配將會引起信號反饋和阻尼振蕩。過量的射頻能量將會輻射或影響到電路的其他部份，引起EMI(電磁兼容性)問題。信號的端接有助于減少這些非預(yù)計的結(jié)果。信號端接不但能減少在源和目的之間匹配阻抗的信號反饋和振鈴，而且也能減緩信號邊沿的快速上升和下降。有很多種信號端接的方法,每種方法都有其利弊。表3給出了一些信號端接方法的概要。