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濾波、接地、屏蔽、PCB布局，從四個(gè)視角看EMC設計
日期：2024-06-25 11:24
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摘要：
電磁干擾的主要方式是傳導干擾、輻射干擾、共阻抗耦合和感應耦合。對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波，輻射干擾采用屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。本文從濾波設計、接地設計、屏蔽設計和PCB布局布線(xiàn)技巧四個(gè)角度，介紹EMC的設計技巧。
一、EMC濾波設計技巧
EMC設計中的濾波器通常指由L，C構成的低通濾波器。濾波器結構的選擇是由"*大不匹配原則"決定的。即在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖1是利用*大不...
電磁干擾的主要方式是傳導干擾、輻射干擾、共阻抗耦合和感應耦合。對這幾種途徑產(chǎn)生的干擾我們應采用的相應對策：傳導采取濾波，輻射干擾采用屏蔽和接地等措施，就能夠大大提高產(chǎn)品的抵抗電磁干擾的能力，也可以有效的降低對外界的電磁干擾。本文從濾波設計、接地設計、屏蔽設計和PCB布局布線(xiàn)技巧四個(gè)角度，介紹EMC的設計技巧。
一、EMC濾波設計技巧
EMC設計中的濾波器通常指由L，C構成的低通濾波器。濾波器結構的選擇是由"*大不匹配原則"決定的。即在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖1是利用*大不匹配原則得到的濾波器的結構與ZS和ZL的配合關(guān)系，每種情形給出了2種結構及相應的衰減斜率(n表示濾波器中電容元件和電感元件的總數)。
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其中：l和r分別為引線(xiàn)的長(cháng)度和半徑。寄生電感會(huì )與電容產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即自諧振，在自諧振頻率fo處，去耦電容呈現的阻抗*小，去耦效果*好。但對頻率f高于f／o的噪聲成份，去耦電容呈電感性，阻抗隨頻率的升高而變大，使去耦或旁路作用大大下降。實(shí)踐中，應根據噪聲的*高頻率fmax來(lái)選擇去耦電容的自諧振頻率f0，*佳取值為fo=fmax。
去耦電容容量的選擇 在數字系統中，去耦電容的容量通常按下式估算：
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二、EMC接地設計
接地是*有效的抑制騷擾源的方法，可解決50%的EMC問(wèn)題。系統基準地與大地相連，可抑制電磁騷擾。外殼金屬件直接接大地，還可以提供靜電電荷的泄漏通路，防止靜電積累。
在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：
（1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地
在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用單點(diǎn)接地。當信號工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。當工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。
（2）將數字電路與模擬電路分開(kāi)
電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
（3）盡量加粗接地線(xiàn)
若接地線(xiàn)很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三位于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3mm。
（4）將接地線(xiàn)構成閉環(huán)路
設計只由數字電路組成的印制電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地結上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
三、EMC屏蔽設計
屏蔽就是以金屬隔離的原理來(lái)控制某一區域的電場(chǎng)或磁場(chǎng)對另一區域的干擾。它包括兩個(gè)含義：一是將電路、電纜或整個(gè)系統的干擾源包圍起來(lái)，防止電磁干擾向外擴散；二是用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁干擾的影響。屏蔽按照機理可以分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽、電磁場(chǎng)屏蔽三種不同方式。
電場(chǎng)屏蔽電子設備中的電場(chǎng)通常是交變電場(chǎng)，因此可以將兩個(gè)系統間的電場(chǎng)感應認為是兩個(gè)系統之間分布電容Cj的耦合，如圖2所示。
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則接受器上的感應電壓為
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由此可知，要使接受器的感應電壓Us減小，Zp應盡可能的小。所以，屏蔽體必須選擇導電性能良好的材料，而且須有良好的接地。否則，因為Cl>Cj，C2>Cj，若屏蔽體的接地電阻較大，將使屏蔽體加入后造成的干擾反而變得更大。
磁場(chǎng)屏蔽是指對低頻磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)的屏蔽。
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低頻磁場(chǎng)的屏蔽采用高導磁率的鐵磁性材料。利用鐵磁性材料的高導磁率對干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，使通過(guò)空氣的磁通大為減少，從而降低對**擾源的影響，起到磁場(chǎng)屏蔽的作用。由于是磁分路，所以屏蔽材料屏蔽材料 的磁導率U越高，屏蔽罩屏蔽罩越厚，磁分路流過(guò)的磁通越多，屏蔽效果越好。
高頻磁場(chǎng)的屏蔽采用低電阻率的良導體作為屏蔽材料屏蔽材料。外界高頻磁場(chǎng)在屏蔽體中產(chǎn)生渦流，渦流形成的磁場(chǎng)抑制和抵消外界磁場(chǎng)，從而起到了屏蔽的作用。與低頻磁屏蔽不同，由于高頻渦流的趨膚效應，屏蔽體的尺寸并不是屏蔽效果的關(guān)鍵所在，而且屏蔽體接地與否和屏蔽效果也沒(méi)有關(guān)系。但對于高頻磁屏蔽的金屬良導體而言，若有良好的接地，則同時(shí)具備了電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽的效果。所以，通常高頻磁屏蔽的屏蔽體也應接地。
電磁場(chǎng)屏蔽電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體對電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)加以屏蔽，一般用來(lái)對高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。由前述可知，對于頻率較高的干擾電壓，選擇良導體制作屏蔽體，且有良好的接地，則可起到對電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行屏蔽的效果。但是必須注意，對高頻磁場(chǎng)屏蔽的渦流不僅對外來(lái)干擾產(chǎn)生抵制作用，同時(shí)還可能對被屏蔽體保護的設備內部帶來(lái)不利的影響，從而產(chǎn)生新的干擾。
四、PCB設計之布局布線(xiàn)策略
1. 選擇合理的導線(xiàn)寬度
由于瞬變電流在印制線(xiàn)條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線(xiàn)的電感成分造成的，因此應盡量減小印制導線(xiàn)的電感量。印制導線(xiàn)的電感量與其長(cháng)度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線(xiàn)對抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線(xiàn)、行驅動(dòng)器或總線(xiàn)驅動(dòng)器的信號線(xiàn)常常載有大的瞬變電流，印制導線(xiàn)要盡可能地短。對于分立組件電路，印制導線(xiàn)寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿(mǎn)足要求；對于集成電路，印制導線(xiàn)寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。
2. 采用正確的布線(xiàn)策略
布線(xiàn)時(shí)需要注意的幾個(gè)方面：
（1）保持環(huán)路面積*小，降低干擾對系統的影響，提高系統的抗干擾性能。并聯(lián)的導線(xiàn)緊緊放在一起，使用一條粗導線(xiàn)進(jìn)行連接，信號線(xiàn)緊挨地平面布線(xiàn)可以降低干擾。電源與地之間增加高頻濾波電容。
（2）使導線(xiàn)長(cháng)度盡可能的縮短，減小印制板的面積，降低導線(xiàn)上的干擾。
（3）采用完整的地平面設計，采用多層板設計，鋪設地層，便于干擾信號泄放。
（4）使電子元件遠離可能會(huì )發(fā)生放電的平面如機箱面板、把手、螺釘等，保持機殼與地良好接觸，為干擾提供良好的泄放通道。對敏感信號包地處理，降低干擾。
（5）盡量采用貼片元器件。
（6）模擬地與數字地在PCB與外界連接處進(jìn)行一點(diǎn)接地。
（7）高速邏輯電路應靠近連接器邊緣，低速邏輯電路和存儲器則應布置在遠離連接器處，中速邏輯電路則布置在高速邏輯電路和低速邏輯電路之間。
（8）電路板上的印制線(xiàn)寬度不要突變，拐角應采用圓弧形，不要直角或尖角。
（9）時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)也盡可能靠近地線(xiàn)，并且走線(xiàn)不要過(guò)長(cháng)，以減小回路的環(huán)面積。
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3. 印制電路板的尺寸與器件的布置
印制電路板大小要適中，過(guò)大時(shí)印制線(xiàn)條長(cháng)，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過(guò)小，則散熱不好，同時(shí)易受臨近線(xiàn)條干擾。在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路，如有可能，應另做電路板。
