隨著高科技領(lǐng)域的進(jìn)步，電磁干擾(electromagneticinference,EMI)的問題也日益增多。當(dāng)半導(dǎo)體元件速度變得越快、密度越高時，噪音也越大。對印刷電路板(PCB)設(shè)計工程師而言，EMI的問題也日趨重要。忽視EMI布局的PCB設(shè)計工程師，將發(fā)現(xiàn)其設(shè)計不是在執(zhí)行時無法與規(guī)格一致，就是根本無法動作。藉由適當(dāng)?shù)挠∷?a href="http://itsfenlevel.com" target="_blank">電路板設(shè)計布局技術(shù)與配合系統(tǒng)化的設(shè)計方法，可預(yù)先避免EMI問題的干擾。本文所列舉的電路板設(shè)計布局指導(dǎo)原則雖非解決EMI問題的萬靈丹，但利用已證實(shí)的布局方法，可有效的降低在以高頻微處理器/數(shù)位信號處理器為基礎(chǔ)的數(shù)位類比混合信號系統(tǒng)中的EMI干擾。

 

一、PCB的布局原則

PCB布局降低噪音的檢查要項(xiàng)：

?　元件的放置

?　接地的布局/接地噪音的定義/降低接地噪音

?　電源線的布局與解藕/電源線的噪音藕合/電源線濾波器(powerlinefilter)

?　信號的布局

?　數(shù)位IC的削尖電容(despikingcapacitor)

?　數(shù)位電路的噪音與布線

?　類比電路的噪音與布線

 

二、EMI電磁干擾簡介

1、噪音的定義

噪音系指除了所需的信號以外而出現(xiàn)在電路內(nèi)的任何電氣信號[MotchenbacherandFitchen,1973]，此定義并不包含內(nèi)部的失真信號－一種非線性的附屬品。所有電子系統(tǒng)都或多或少有些噪音，但只有當(dāng)噪音影響到系統(tǒng)的正常執(zhí)行時才會發(fā)生問題。

噪音的來源可被歸類成三種不同的典型：

?　人為的噪音源一數(shù)位電子、無線電傳輸、馬達(dá)、開關(guān)、繼電器等等。

?　天然的干擾一太陽黑子及閃電。

?　純質(zhì)的噪音源一從實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生的相關(guān)隨機(jī)擾動，諸如熱噪音和凸波噪音。

我們應(yīng)當(dāng)了解，噪音是不可能完全被去除的，但是經(jīng)由適當(dāng)?shù)慕拥?grounding)、屏避(shielding)與濾波(filtering)，則可將其干擾盡量降低。對于一個良好的電路設(shè)計，預(yù)防勝于發(fā)生問題后的電路修改。在電路板的布局即開始做好噪音防治的工作，是建構(gòu)高可靠度低噪音電子系統(tǒng)的首要工作。

 

2、EMI的起源

EMI的來源包括微處理器、開關(guān)電路、靜電放電、發(fā)射器、暫態(tài)電源元件、電源以及閃電。在一個微處理器為基礎(chǔ)的電路板內(nèi)，數(shù)位時序電路通常是寬頻帶噪音的最大產(chǎn)生者，這所謂的寬頻帶即指分布于整個頻譜的噪音。隨著快速半導(dǎo)體以及更快的邊緣變化率的增加，這些電路可能產(chǎn)生高達(dá)300MHz的諧波干擾，這些高頻諧波應(yīng)予以屏蔽或?yàn)V除。

 

3、EMI傳輸

了解噪音如何傳輸有助于辨識電路內(nèi)部的電磁干擾問題。噪音的發(fā)生必需要有來源(source)、藕合路徑(couplingpath)以及易感染的接收器(susceptiblereceptor)[Ott,1988]，這三者必需一起出現(xiàn)才會有EMI問題的存在，圖1說明EMI如何以藕合方式進(jìn)入一個系統(tǒng)。因此，若是三者之一被排除于系統(tǒng)之外或被減少，干擾才會消失或降低。圖1是以馬達(dá)控制為例的EMI說明，其中功率級至馬達(dá)的線圈電流是產(chǎn)生EMI的來源，控制器的低階信號(數(shù)位或類比信號)是易受干擾的接收器，藕合路徑則可能是經(jīng)由傳導(dǎo)方式(經(jīng)由電源或地線)或輻射方式。

圖1.EMI的噪音源、傳導(dǎo)路徑與接收器
 

圖2.以馬達(dá)控制為例的EMI傳導(dǎo)路徑

 

4、藕合路徑

噪音會藕合到電路內(nèi)的較明顯方式之一是透過電導(dǎo)體(傳導(dǎo)方式)。假如信號線經(jīng)過一個充滿噪音的環(huán)境，信號線將受感應(yīng)拾取噪音信號并傳至電路的其它部分，例如電源供應(yīng)器的噪音就會經(jīng)由電源線而藕合至電路，如圖3所示。

圖3.傳導(dǎo)藕合噪音

 

藕合也會因電路中具有或使用共同阻抗(commonimpedance)而產(chǎn)生。圖4(a)的兩個子電路因?yàn)橛兄餐慕拥刈杩?，因此會彼此影響。另外一種狀況則發(fā)生在兩個子電路共同使用同一個電源供應(yīng)器，圖4(b)即為此種狀況。若是電路(一)突然產(chǎn)生較大的電流，則電路(二)的供應(yīng)電壓將會因共用電源線間的共同阻抗與內(nèi)阻而降低。從電路(二)流出之?dāng)?shù)位回路電流會在共用之回路阻抗產(chǎn)生高頻數(shù)位噪音，此噪音在電路(一)的回路產(chǎn)生接地跳動，不穩(wěn)定的接地會嚴(yán)重衰減低頻類比電路的信號噪音比，像是運(yùn)算放大器和類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器等等。這種藕合效應(yīng)可藉由降低共同阻抗而減弱(加寬電源線的拉線寬度)，但內(nèi)阻來自電源供應(yīng)器則無法改變。此種狀況，在接地回路的導(dǎo)線也有相同的效應(yīng)，由此可知電源供應(yīng)器的輸出阻抗(outputimpedance)也會影響電路對噪音的抵抗能力。

圖4.經(jīng)由共同組抗而藕合的噪音

 

噪音的藕合也可經(jīng)由電磁輻射的方式發(fā)生，此種狀況會發(fā)生在所有具有共同輻射電磁場的電子電路。電流改變就產(chǎn)生電磁波，這些電磁波會藕合到附近的導(dǎo)體并影響電路中的其他信號，如圖5所示。

圖5.經(jīng)由電磁輻射藕合的噪音

 

5、接收器(receptor)

基本上所有的電子電路都會發(fā)射EMI同時又受到EMI的干擾，因此電子裝置的設(shè)計，應(yīng)該既不受外在EMI干擾源的影響，本身也不應(yīng)成為EMI的干擾源，此一設(shè)計理念即為電磁相容性(electromagneticcompatibility,EMC)。大多數(shù)電子設(shè)備的EMI是藉由傳導(dǎo)性方式接收，少數(shù)則來自無線電頻率之輻射接收。在數(shù)位電路中，最臨限(mostcritical)的信號通常最易受到EMI的干擾，例如重置、中斷以及控制線路信號。在類比電路中，類比低階放大器、信號轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償電路等，則對噪音干擾最為敏感。

 

6、解決EMC的系統(tǒng)設(shè)計

電子設(shè)備的電磁相容性(EMC)應(yīng)被視為系統(tǒng)規(guī)格來預(yù)先考慮而非事后補(bǔ)救。一個電子設(shè)備如果它與環(huán)境不會相互影響，即具備電氣相容性。如果PCB設(shè)計工程師未能在設(shè)計初期及慎重考慮此一問題，那么雖然因忽略EMI的設(shè)計而縮短了設(shè)計時間，并且完成功能測試而量產(chǎn)，然而在產(chǎn)品上市之后，不明的EMI干擾現(xiàn)象就非預(yù)期地出現(xiàn)了。這種產(chǎn)品危機(jī)的解決方法通常會受到相當(dāng)?shù)拇煺?，增加不必要的虛耗及產(chǎn)品后續(xù)改善時間的延長，這都浪費(fèi)時間、金錢與耐性，其結(jié)果常導(dǎo)致產(chǎn)品的失敗。
 

EMC應(yīng)該如同其他被確認(rèn)的系統(tǒng)規(guī)格一樣納入系統(tǒng)里的設(shè)計規(guī)格，事實(shí)上有些機(jī)構(gòu)，像是美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)、軍方及國際性機(jī)構(gòu)都為一般電腦設(shè)備設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)這些規(guī)格事先納入考慮，并設(shè)計產(chǎn)品原型加以測試。因此，EMC在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮，而非在問題發(fā)生后才加?xùn)|拼西湊的加以補(bǔ)救，EMC的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)成為一種符合經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計觀念。

電磁干擾的防治雖然有很多方法，但主要可歸納為兩種不同的型式：降低電磁干擾的散布與提高增電磁干擾的免疫能力。經(jīng)由適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計可以抑制電磁干擾的散布；如果問題仍然持續(xù)，就得研究不同方式的屏蔽去包住發(fā)射體。電路對噪音的敏感性可藉由電路設(shè)計的加強(qiáng)以及使用屏蔽物來降低電路對電磁干擾敏感性。以下有關(guān)PCB設(shè)計布局技術(shù)的討論著重于以PCB的布線原則來降低發(fā)射體噪音的強(qiáng)度與提升電路對噪音的免疫能力。