IC電路中電源系統(tǒng)的EMC研究

　　隨著電子、電力電子、電氣設(shè)備的應用范圍越來越廣泛，設(shè)備運行中產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿了整個設(shè)備空間，形成了復雜的電磁環(huán)境從而造成了電磁干擾等情況。尤其在電源電路中，電磁環(huán)境最復雜，所受的干擾影響也最嚴重。本文中將就高速數(shù)字電路電源系統(tǒng)的EMC設(shè)計做深入研究，商討避免或減少電磁干擾的方法。
　　一、 電磁兼容的相關(guān)知識
　　國家標準GB/T4765-1995《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容所下的定義：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。”
　　二、 電源系統(tǒng)的電磁干擾方式
　　電源干擾的復雜性原因之一是包含了許多可變的因素。首先，電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在，這是根據(jù)電磁干擾噪聲對于電路作用的形態(tài)來進行劃分的，如圖1所示。任何電路中都存在共模和差模電流。共模和差模電流決定了傳播的電磁能量的大小。如果給定一對導線，一個返回參考平面，那么這兩種模式中至少有一種將會存在，但通常是共存。一般來說，差模信號攜帶數(shù)據(jù)或有用信息，而共模信號是差模信號的負面效果，不包含有用信息，是輻射的主要來源，解決起來相當?shù)穆闊?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/180350.htm

圖1共模與差模干擾示意圖

三、 電源系統(tǒng)的電磁干擾類型
　　造成電源干擾復雜性的第二個原因是干擾表現(xiàn)的形式很多，從持續(xù)期很短的尖峰干擾直至電網(wǎng)完全失電，其中也包括了電壓的變化（如電壓跌落、浪涌和中斷）、頻率變化、波形失真（包括電壓和電流的）、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等。我們根據(jù)國內(nèi)外的抗擾度測試的一系列標準和實際應用中常常出現(xiàn)的問題，總結(jié)了電源干擾的常見起因，如表1所示。

　　四、 電磁干擾的途徑
　　從電磁兼容標準來說，電磁干擾基本上被分成傳導噪聲和輻射噪聲。這也是一種直觀分類，一種是接觸性的干擾，一種是非接觸性。電磁干擾就其實際作用于電路的機理有四種傳輸方式：傳導耦合，電磁場耦合，磁場耦合和電場耦合，如圖2所示。

圖2耦合方式
　　1 抗干擾措施
　　因為直流穩(wěn)壓電源既是一個敏感器件也是一個噪聲源，因此我們就有如下的濾波策略：一個是對電源系統(tǒng)的前端入口處進行濾波。因為外界對電源系統(tǒng)的影響基本上都是通過入口的電源線引入到電源系統(tǒng)中的。無論是傳導噪聲，還是輻射噪聲都是會耦合到電源線上。因此，該處的濾波要精心處理。二是電源系統(tǒng)的出口，一般來說，這里不應該有太多問題，因為我們選擇和設(shè)計電源時，都要基于一定的參數(shù)和性能指標。但是為了解如何能夠達到最佳的電源性能，需要考慮出口的濾波性能。
　　如圖3所示是對所有可能噪聲干擾路徑的噪聲抑制的方法。這就分成兩種方法，一種是EMI濾波器，一種是屏蔽。屏蔽更多是涉及到機殼整體的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，往往對系統(tǒng)的布局布置有更多考慮。從電路設(shè)計的角度，我們更多的是要考慮EMI濾波器。因為更為廣泛的干擾都是從線路上溢出或是從線路上的耦合中產(chǎn)生的，因此在線路上的濾波對輻射的抑制效果更明顯一點。

圖3抗干擾措施
　　2 電源系統(tǒng)的板級電磁兼容設(shè)計
　　在電源設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)就是電源系統(tǒng)的板級電路設(shè)計問題，這也是從電源技術(shù)的選擇、電源架構(gòu)的搭建、電源器件的定型，以及電源濾波的設(shè)計等一系列的概念設(shè)計（原理設(shè)計）問題走向了最終的物理實現(xiàn)（PCB 設(shè)計）的過程。
　　在設(shè)計數(shù)字電路系統(tǒng)中，我們要通過電源分配系統(tǒng)（Power Distribution System）達到兩個基本的目的：為數(shù)字信號轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的電壓參考，為所有邏輯器件分配電源。
　　在實際的電路設(shè)計中，要達到這兩個目的已經(jīng)越來越復雜了。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，信號完整性問題變得非常的突出。一個非常重要的問題就是電源分配系統(tǒng)的軌道塌陷（Rail Collapse）。由于電源技術(shù)呈現(xiàn)出低電壓、開關(guān)電源開關(guān)頻率高頻化等一些不利于解決信號完整性的狀況，電源完整性被作為一個新的研究方向被提了出來。
　　通常電源完整性問題主要有兩個途徑來解決：優(yōu)化電路板的層疊設(shè)計及布局布線和增加去耦電容。
　　下面主要介紹增加去耦電容的方法。
　?。?）去耦的原理
　　去耦電容就像是靠近需求點的能量存儲器一樣。通過在器件附近的電源和地之間添加去耦電容，可在快速突發(fā)周期內(nèi)來提供獨立于電源的能量，通過足夠的儲量保證所需要的電壓對于一個給定的電流 I，紋波電壓或電壓降可以用公式（1）表述：

　　公式（2）說明了吸取電流導致的電壓降V。正如大多數(shù)的CMOS電路，IC只有在晶體管開關(guān)時才會汲取電流。這意味著當IC開關(guān)時就汲取電流，會產(chǎn)生一個電壓降而造成電源分布系統(tǒng)的電源紋波噪聲。進一步看，隨著處理器速度的增加，紋波噪聲也會由于更多的邏輯狀態(tài)吸收電流而相應的大量增加。
　　隨著電路系統(tǒng)時鐘頻率的增加，很多情況就不能按照理想的電容器來考慮了。一個實際的電容不論是陶瓷電容還是電解電容，都可以被簡化成一個串聯(lián)RLC的模型。一個電容模型包括自身的電容C，還包括了等效的串聯(lián)電感 ESL 和等效串聯(lián)電阻ESR這兩個重要的參數(shù)。這個串聯(lián)模型的阻抗幅值是：

　　等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感都是實際電容的寄生參數(shù)。