電路板級的電磁兼容設(shè)計

為了進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計并符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者需要將輻射（從產(chǎn)品中泄露的射頻能量）減到最小，增強(qiáng)其對輻射（進(jìn)入產(chǎn)品中的射頻能量）的易感性和抗干擾能力。如圖一所示，發(fā)射和抗干擾都可以根據(jù)輻射和傳導(dǎo)的耦合來分類。輻射耦合在高頻中十分常見，而傳導(dǎo)耦合路徑在低頻中更為常見。

2． 電磁兼容性的費用

最經(jīng)濟(jì)有效的電磁兼容性設(shè)計方法，是在設(shè)計的早期階段充分考慮評估電磁兼容性的技術(shù)要求（見圖2）。

要讓設(shè)計者在最初選擇元件、設(shè)計電路和設(shè)計PCB布線時，就把電磁兼容性作為主要的設(shè)計依據(jù)是不大現(xiàn)實的。但是，如果設(shè)計者能牢記這篇文章的建議，那么，就能減少不合理的元件選擇、電路設(shè)計和PCB布線的情況出現(xiàn)。

第二部分 — 元件的選擇和電路設(shè)計技術(shù)

元件的選擇和電路設(shè)計是影響板級電磁兼容性性能的主要因素。每一種電子元件都有它各自的特性，因此，要求在設(shè)計時仔細(xì)考慮。下面將討論一些常見的用來減少或抑制電磁兼容性的電子元件和電路設(shè)計技術(shù)。

? 元件組

有兩種基本的電子元件組：有引腳的和無引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果，尤其在高頻時。該引腳形成了一個小電感，大約是1nH/mm/引腳。引腳的末端也能產(chǎn)生一個小電容性的效應(yīng)，大約有4pF。因此，引腳的長度
應(yīng)盡可能的短。與有引腳的元件相比，無引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一些。其典型值為：0.5nH的寄生電感和約0.3pF的終端電容。從電磁兼容性的觀點看，表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。

1．電阻

由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點，因此，表面貼裝電阻總是優(yōu)于有引腳電阻。

對于有引腳的電阻，應(yīng)首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線繞電阻。

由于在相對低的工作頻率下（約MHz數(shù)量級），金屬膜電阻是主要的寄生元件，因此其適合用于高功率密度或和高準(zhǔn)確度的電路中。線繞電阻有很強(qiáng)的電感特性，因此在對頻率敏感的應(yīng)用中不能用它。它最適合用在大
功率處理的電路中。

在放大器的設(shè)計中，電阻的選擇非常重要。在高頻環(huán)境下，電阻的阻抗會因為電阻的電感效應(yīng)而增加。因此，增益控制電阻的位置應(yīng)該盡可能的靠近放大器電路以減少電路板的電感。

在上拉/下拉電阻的電路中，晶體管或集成電路的快速切換會增加上升時間。為了減小這個影響，所有的偏置電阻必須盡可能靠近有源器件及他的電源和地，從而減少PCB連線的電感。在穩(wěn)壓（整流）或參考電路中，直流偏置電阻應(yīng)盡可能地靠近有源器件以減輕去耦效應(yīng)（即改善瞬態(tài)響應(yīng)時間）。

在RC濾波網(wǎng)絡(luò)中，線繞電阻的寄生電感很容易引起本機(jī)振蕩，所以必須考慮由電阻引起的電感效應(yīng)。

2．電容

由于電容種類繁多，性能各異，選擇合適的電容并不容易。但是電容的使用可以解決許多EMC問題。接下來的幾小節(jié)將描述幾種最常見的電容類型、性能及使用方法。鋁質(zhì)電解電容通常是在絕緣薄層之間以螺旋狀纏繞金屬箔而制成，這樣可在單位體積內(nèi)得到較大的電容值，但也使得該部分的內(nèi)部感抗增加。鉭電容由一塊帶直板和引腳連接點的絕緣體制成，其內(nèi)部感抗低于鋁電解電容。陶質(zhì)電容的結(jié)構(gòu)是在陶瓷絕緣體中包含多個平行的金屬片。其主要寄生為片結(jié)構(gòu)的感抗，并且通常這將在低于MHz的區(qū)域造成阻抗。絕緣材料的不同頻響特性意味著一種類型的電容會比另一種更適合于某種應(yīng)用場合。鋁電解電容和鉭電解電容適用于低頻終端，主要是存儲器和低頻濾波器領(lǐng)域。在中頻范圍內(nèi)（從KHz到MHz），陶質(zhì)電容比較適合，常用于去耦電路和高頻濾波。特殊的低損耗（通常價格比較昂貴）陶質(zhì)電容和云母電容適合于甚高頻應(yīng)用和微波電路。為得到最好的EMC特性，電容具有低的ESR（EquivalentSeries Resistance，等效串聯(lián)電阻）值是很重要的，因為它會對信號造成大的衰減，特別是在應(yīng)用頻率接近電容諧振頻率的場合。

a）旁路電容

旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來減小對電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10至470μF范圍內(nèi)。若PCB板上有許多集成電路、高速開關(guān)電路和具有長引線的電源，則應(yīng)選擇大容量的電容。

b）去耦電容

有源器件在開關(guān)時產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。實際上，旁路電容和去耦電容都應(yīng)該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪聲。去耦電容的取值大約是旁路電容的1/100到1/1000。為了得到更好的EMC特性，去耦電容還應(yīng)盡可能地靠近每個集成塊（IC），因為布線阻抗將減小去耦電容的效力。陶瓷電容常被用來去耦，其值決定于最快信號的上升時間和下降時間。例如，對一個33MHz的時鐘信號，可使用4.7nF到100nF的電容；對一個100MHz時鐘信號，可使用10nF的電容。選擇去耦電容時，除了考慮電容值外，ESR值也會影響去耦能力。為了去耦，應(yīng)該選擇ESR值低于1歐姆的電容。

c）電容諧振

接下來簡單討論一下如何根據(jù)諧振頻率選擇旁路電容和去耦電容的值。如圖3所示，電容在低于諧振頻率時呈現(xiàn)容性，而后，電容將因為引線長度和布線自感呈現(xiàn)感性。表1列出了兩種陶瓷電容的諧振頻率，一種具有標(biāo)準(zhǔn)的0.25英寸的引腳和3.75nH的內(nèi)部互連自感，另一種為表面貼裝類型并具有1nH的內(nèi)部自感。我們看到表面貼裝類型的諧振頻率是通孔插裝類型的兩倍。

另一個影響去耦效力的因素是電容的絕緣材料（電介質(zhì)）。去耦電容的制造中常使用鋇鈦酸鹽陶瓷（Z5U）和鍶鈦酸鹽（NPO）這兩種材料。Z5U具有較大的介電常數(shù)，諧振頻率在1MHz到20MHz之間。NPO具有較低的介電常數(shù)，但諧振頻率較高（大于10MHz）。因此Z5U更適合用作低頻去耦，而NPO用作50MHz以上頻率的去耦。

常用的做法是將兩個去耦電容并聯(lián)。這樣可以在更寬的頻譜分布范圍內(nèi)降低電源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。多個去耦電容的并聯(lián)能提供6dB增益以抑制有源器件開關(guān)造成的射頻電流。

多個去耦電容不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減小引線自感，因此也就能更有效的改善去耦能力。兩個電容的取值應(yīng)相差兩個數(shù)量級以提供更有效的去耦（如0.1 μF + 0.001 μF并聯(lián)）。需要注意的是數(shù)字電路的去耦，低的ESR值比諧振頻率更為重要，因為低的ESR值可以提供更低阻抗的到地通路，這樣當(dāng)超過諧振頻率的電容呈現(xiàn)感性時仍能提供足夠的去耦能力。

3．電感

電感是一種可以將磁場和電場聯(lián)系起來的元件，其固有的、可以與磁場互相作用的能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似，聰明地使用電感也能解決許多EMC問題。下面是兩種基本類型的電感：開環(huán)和閉環(huán)。它們的不同在于內(nèi)部的磁場環(huán)。在開環(huán)設(shè)計中，磁場通過空氣閉合；而閉環(huán)設(shè)計中，磁場通過磁芯完成磁路。如圖4所示.

電感比起電容和電阻而言的一個優(yōu)點是它沒有寄生感抗，因此其表面貼裝類型和引線類型沒有什么差別。
開環(huán)電感的磁場穿過空氣，這將引起輻射并帶來電磁干擾（EMI）問題。在選擇開環(huán)電感時，繞軸式比棒式或螺線管式更好，因為這樣磁場將被控制在磁芯（即磁體內(nèi)的局部磁場）。