高速電路的電磁兼容設計

0 引言
電磁兼容性是指電氣和電子系統(tǒng)及設備在特定的電磁環(huán)境中，在規(guī)定的安全界限內(nèi)以設定的等級運行時，不會由于外界的電磁干擾而引起損壞或?qū)е滦阅軔夯讲豢赏炀鹊某潭?，同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其他電子設備或系統(tǒng)的正常運行，以達到設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。

1 電磁兼容產(chǎn)生的因素
(1)電阻的頻率特性。在數(shù)字電路中，電阻的主要作用在于限流和確定固定電平，在高頻電路中，存在于電阻兩端的高頻寄生電容會對正常的電路特性造成破壞。同樣電阻的引腳電感對電路的EMC影響很大。
(2)電容的頻率特性。電容器一般應用在電源總線，它提供去耦合、旁路和維持固定的直流電壓和電流的作用。但是在高頻電路中，當電路的工作頻率超過了電容的自諧振頻率時，其寄生電感將使電容表現(xiàn)為電感特性，從而失去原有的功能并影響電路的工作性能。
(3)電感的頻率特性。電感器是用來控制PCB內(nèi)的EMI。當電路的工作頻率增加時，電感的等效阻抗會隨著頻率的增加而增大，當電路的工作頻率超過電感的工作頻率上限時，電感將會影響電路的正常工作。
(4)導線的頻率特性。PCB上的走線和元器件的引腳導線都有寄生電感和電容，這些寄生電感和電容會影響到導線的頻率特性，從而有可能在元器件和導線之間產(chǎn)生諧振，致使導線成為電磁干擾的重要發(fā)射天線。通常，導線在低頻段表現(xiàn)為電阻特性，在高頻段則表現(xiàn)為電感特性，因此在PCB上，導線的長度一般要求小于工作頻率波長的二十分之一，以避免導線成為電磁干擾的發(fā)射源。
(5)靜電。靜電放電問題已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的一大公害，可能給產(chǎn)品帶來永久性的損壞，因此在產(chǎn)品設計中，必須采取相應的靜電防護措施。常用的防靜電措施包括選擇具有防靜電材料，采用電氣隔離措施，提高產(chǎn)品的絕緣強度以及設置良好的靜電屏蔽層和泄放通道等。
(6)電源。隨著高頻開關(guān)電源的廣泛應用和電力系統(tǒng)負荷的不斷增加，電源對產(chǎn)品的干擾問題逐漸成為影響產(chǎn)品EMC特性的一個重要因素。因此，一些易受干擾的敏感設備已經(jīng)不直接采用交流供電而改用直流供電，這樣雖然增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，但是有效提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
(7)雷電。雷電實質(zhì)上是一種正負電荷中和的強靜電放電過程，由此產(chǎn)生的強電磁脈沖導致各種電子設備受損的主要原因。雷電對電子設備的影響包括直擊雷和感應雷兩種，現(xiàn)在各種室內(nèi)使用的電子設備，一般不容易遭受直擊雷的影響，但是依然容易受到感應雷的損害。為了確保電子設備的安全運行，必須對電子設備進行防雷擊保護。常用的防雷措施包括設置避雷針、安裝避雷器和避雷線等。

2 電磁兼容產(chǎn)生的要素
理論和實踐的研究證明，不管復雜系統(tǒng)還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備三個基本條件：存在一定的干擾源、有干擾的完整耦合通道、有被干擾對象的響應。
2．1 電磁干擾源
電磁干擾源指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。高頻電路對電磁干擾尤為敏感，因而需要采取多種措施來抑制電磁干擾。經(jīng)過理論與實驗分析得知：高頻電路中，電磁干擾主要來自以下幾個方面：
(1)器件工作的噪聲干擾
(a)數(shù)字電路工作時產(chǎn)生電磁干擾。
(b)信號電壓、電流變化產(chǎn)生的電磁場干擾。
(2)高頻信號噪聲干擾
(a)串擾：是指一個信號在傳輸通道上傳輸時，因電磁耦合而對相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響，在被干擾信號表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串擾可能引起電路的誤觸發(fā)、時序延時，導致系統(tǒng)無法正常工作。
(b)回波損耗：當高頻信號在電纜及通信設備中傳輸時，遇到波阻抗不均勻點時，就會對信號形成反射，這種反射不但導致信號的傳輸損耗增大，并且會使傳輸信號畸變，對傳輸性能影響很大。
(3)電源噪聲干擾
PCB中的電源噪聲主要由電源自身產(chǎn)生或受擾感應的噪聲組成，主要表現(xiàn)為：①電源本身所固有的阻抗所導致的分布噪聲；②共模場干擾；③差模場干擾；④線間干擾；⑤電源線耦合。
(4)地線噪聲干擾
由于地線上存在電阻、阻抗，當電流通過地線時，就會產(chǎn)生壓降，當電流足夠大或工作頻率足夠高時，這個壓降會大到足以對電路造成干擾。地線導致的噪聲干擾主要包括地線環(huán)路干擾和公共阻抗耦合干擾。
(a)地線環(huán)路干擾：當多個功能單元連接在地線上時，如果地線中的電流足夠大，則會在設備間的連接電纜上產(chǎn)生壓降。由于各個電路間的電氣特性不平衡，每根導線上的電流會不同，因此產(chǎn)生差模電壓，從而對電路造成影響。此外外部電磁場也有可能在地線環(huán)路中感應出電流，從而導致干擾。
(b)公共阻抗耦合干擾；當多個功能單元公用同一段地線時，由于地線阻抗的存在，各個單元的地電位之間會發(fā)生相互調(diào)制，從而導致各個單元信號間相互耦合產(chǎn)生干擾，在高頻電路中，電路處于高頻工作狀態(tài)，地線阻抗往往較大，此時的公共阻抗耦合干擾尤其明顯。
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個：一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線，用多條相距較遠的并聯(lián)導體作接地線。對于印刷線路板，在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點接地，并聯(lián)接地的缺點是接地的導線過多。因此在實際中，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點接地。例如，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數(shù)字信號等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地。

2．2 抑制耦合通道
高速電路中電磁干擾的主要耦合通道包括輻射耦合、傳導耦合、電容耦合、電感耦合、電源耦合以及地線耦合等。
對于輻射耦合來說，其主要抑制方法是采取電磁屏蔽，將干擾源與敏感對象有效隔離。
對于傳導耦合來說，其主要的方法是在信號布線的時候，合理安排高速信號線的走向。輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生信號反饋或串擾，可在兩條平行線間增設一條地線加以隔離。對于外連信號線來說，應盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入線最好加以屏蔽，當板上信號導線阻抗不匹配時，會導致信號反射，當印制導線較長時，線路電感會導致減幅振蕩。通過串入阻尼電阻(阻值通常取22～2 200 hm，典型值為470 hm)，可有效抑制振蕩，增強抗干擾能力，改善波形。