EMI抑制

EMI抑制日常生活中，我们常常可以看到这样的现象，当把手机放置在音箱旁，接电话的时候，音箱里面会发出吱吱的声音，或者当我们在测试一块电路板上的波形时，忽然接到同事的电话，会发现接电话瞬间我们示波器上的波形出现变形，这些都是电磁干扰的特征。电磁干扰不但会影响系统的正常工作，还可能给电子电器造成损坏，甚至对人体也有害处，因此尽可能降低电磁干扰已经成为大家关注的一个焦点，诸如FCC、CISPR、VCCI等电磁兼容标准的出台开始给电子产品的设计提出了更高的要求。虽然人们对电磁兼容性的研究要远远早于信号完整性理论的提出，但作为高速设计一部分，我们习惯地将EMI问题也列入信号完整性分析的一部分。本章将全面分析电磁干扰和电磁兼容的概念、产生及抑制，重点针对高速PCB的设计。4.1EMI/EMC的基本概念电磁干扰即EMI(ElectromagneticInterference)，指系统通过传导或者辐射，发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为所有的电子产品都会不可避免地产生一定的电磁干扰，为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力，人们提出了电磁兼容这个概念。美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992都提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(ElectromagneticCompatibility)。对于电磁兼容性，必须满足一下三个要素：1.电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如，大的，一个房间甚至宇宙；小的，可以是一块集成电路板。2.电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体。3.必须存在一定的媒体(耦合途径)将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间，也可以是公共电网或者公共阻抗。对于EMI，可以按照电磁干扰的途径(详细的分类参见附录一)来分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果骚扰源不是处在一个全封闭的金属外壳内，它就可以通过空间向外辐射电磁波，其辐射场强取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效阻抗，以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳带有缝隙与孔洞，则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时，则可形成干扰子辐射源向四周辐射，辐射场中金属物还可以形成二次辐射；传导干扰，顾名思义，骚扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射，也可以通过公共阻抗耦合，或接地回路耦合，将干扰带入其他电路，传导干扰是电磁干扰的一种重要形式；感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径，当骚扰源的频率较低时，骚扰电源的辐射能力有限。同时骚扰又不直接与其他导体连接，此时电磁骚扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合，将电磁能转移到其他导体上去，在邻近导体内感应出骚扰电流或者电压。感应耦合可以通过导体间的电容耦合的形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。4.2EMI的产生我们来分析一下EMI的产生，忽略自然干扰的影响，在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。4.2.1电压瞬变对于电磁干扰的分析，可以从电磁能量外泄方面来考虑，如果器件向外泄露的能量越少，我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说，产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道，数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的，而是融合了很多高次谐波分量，这些谐波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定，信号上升和下降速率越快，即开关频率越高，则产生的能量越多。所以，如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变，将会产生严重的电磁辐射，这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常，高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算：F=1/πTr，F为开关电路产生的最高EMI频率，单位为GHz，Tr为信号的上升时间或者下降时间，单位为ns。图1-4-1理想信号回流示意图图1-4-1实际情况中的信号回流对高频信号回流的理解不能有一个思维定势，认为回流必须完全存在于信号走线正下方的参考平面上。事实上，信号回流的途径是多方面的：参考平面，相邻的走线，介质，甚至空气都可能成为它选择的通道，究竟哪个占主要地位归根结底看它们和信号走线的耦合程度，耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。比如在多层PCB设计中，参考平面离信号层很近，耦合了绝大部分的电磁场，99％以上的信号能量将集中在最近的参考平面回流，由于信号和地回流之间的环路面积很小，所以产生的EMI也很低。但如果由于相邻的参考平面上存在缝隙等非理想因素，这就导致了回流的面积增大，低电感的耦合作用减弱，将会有更多的回流通过其它途径或者直接释放到空中，这就会导致EMI的大大增加。我们参考图1-4-3来分析信号回流对EMI的影响，可以看到：信号和回流外部区域，由于磁场的极性相反，可以相互抵消，而中间部分是加强的，这也是对外辐射的主要来源。很明显，我们只要缩短信号和回流之间的距离，就可以更好的抵消外围的电磁场，同时也能降低中间加强部分的面积，大大抑制EMI。图1-4-3信号回路的磁场耦台分析4.2.3共模和差摸EMI当两条或者多条信号线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候，就会产生共模干扰。共模特性表现为这些导线组中的感生电流方向全部相同，而产生的磁场也是他们相同方向磁场的迭加，增大了磁场强度，向外辐射能量的大天线就是这样形成的。在共模的情况下，会导致磁场强度的变大和电场强度减小，这样就相当于增加了传输线的电感和减小传输线的电容值。因此，如果传输线的阻抗变大，电磁场能量外泄增加，电磁干扰也变大。电源线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的干扰，就叫做差模干扰。电流流向负载时，会产生等值的回流，这两个方向相反的电流，当回流电流完全居于传输电流下方的时候，就形成了标准的差模信号。由于它们相互之间产生的磁场方向相反，因而可以抵消大部分的磁场，抑制了磁场的外泄比率，而其中残留的电磁场就形成了差模EMI。图1-4-4电场感应示意图其中A为干扰源，B为受感应设备，其中Ua和Ub之间的关系为Ub=C1*Ua/(C1+C2)C1为A、B之间的分布电容；C2为受感应设备的对地电容。根据示意图和等式，为了减弱B上面的地磁感应，使用的方法有1.增大A和B之间的距离，减小C1。2.减小B和地之间的距离，增大C2。3.在AB之间放置一金属薄板或将A使用金属屏蔽罩罩住A，C1将趋向0数值。相对来说1和2比较容易理解，这里主要针对第3种方法进行分析。由图1-4-5可以看出，插入屏蔽板后(屏蔽板接地)。就造成两个分布电容C3和C4，其中C3被屏蔽板短路到地，它不会对B点的电场感应产生影响。而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容，C3和C4，实际上是处在并联的位置上。这样，B设备的感应电压ub'应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1'与并联电容C2和C4的分压，即Ub=C1'*Ua/(C1'+C2+C4)图1-4-5加入金属板后的电场感应图由于C1'远小于为屏蔽的C1，所以在B的感应电压就会减小很多。因此，很多时候都采用这种接地的金属罩作为屏蔽物。以下是对电场屏蔽的几点要点总结：1.屏蔽金属板放置靠近受保护设备比较好，这样将获得更大的C4，减小电场感应电压。2.屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响，例如，全封装的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽罩可以有最好的电场屏蔽效果，而且开孔或者带缝隙的屏蔽罩，其屏蔽效能会受到不同程度的影响.3.屏蔽板的材料以良性导体为佳。对厚度并无特殊要求。4.3.1.2磁场屏蔽由于磁场屏蔽通常是对直流或很低频场的屏蔽，其效果和电场屏蔽和电磁场屏蔽相比要差很多，磁场屏蔽的主要手段就是依赖高导磁材料具有的低磁阻，对磁通起分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。对于磁场屏蔽需要注意的几点：1.减小屏蔽体的磁阻(通过选用高导磁率材料和增加屏蔽体的厚度)2.被屏蔽设备和屏蔽体间保持一定距离，减少通过屏蔽设备的磁通。3.对于不可避免使用缝隙或者接风口的，尽量使缝隙或者接风口呈条形，并且顺沿着电磁线的方向，减少磁通。4.对于强电场的屏蔽，可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易到达饱和的高导磁材料。因为第一次屏蔽削弱部分，第二次削弱大部分，如果都使用高导磁，会造成进入一层屏蔽的在一层和二层间造成反射。如果要屏蔽内部的磁场，则相反。而屏蔽体一般通过非磁性材料接地。4.3.1.3电磁场屏蔽电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻隔电磁场在空间传播的一种措施。和前面电场和磁场的屏蔽机理不同，电磁屏蔽对电磁波的衰减有三个过程：1.当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗不连续，对入射波产生反射，这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度，只需要交界面上的不连续。2.进入屏蔽体的电磁波，在屏蔽体中被衰减。3.穿过屏蔽层后，到达屏蔽层另一个屏蔽体，由于阻抗不连续，产生反射，重新回到屏蔽体内。从上面三个过程看来，电磁屏蔽体对电磁波的衰减主要是反射和吸收衰减。4.3.1.4电磁屏蔽体和屏蔽效率屏蔽效率是对屏蔽体进行性能评估的一个指数，它的表达式为：SE(db)=A+R+B1)其中A为吸收损耗，吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗可以通过下面的公式计算：AdB=1.314(f*σ*μ)1/2*tf：频率(MHz)μ：铜的导磁率σ：铜的导电率t：屏蔽体厚度图1-4-6电容的等效模型其中等效串联电阻我们称之为ESR，等效串联电感我们称之为ESL，我们可以计算出这个等效电容的谐振频率为：Fr=1/2π√LC电容的滤波原理就是通过这个频率来确定。小于谐振频率的时，电容体现为容性，而当频率大于谐振频率的时，电容就体现为感性。所以，我们在滤除较为低频的噪声的时候，就应当选择电容值比较高的电容，想滤去频率较高的噪声，比如我们前面所说的EMI，则应该选择数值比较小的电容。所以，在实际中，我们通常放置一个1uf到10uf左右的去耦电容在每个电源输出管脚处，来抑制低频成分，而选取O.01uf到O.1uf左右的去耦电容来滤除高频部分(对去耦电容的特性分析请参考第五章电源完整性分析)。为了获得最佳的EMI抑制效果，我们最好能在每组电源和地的引脚都能安装一个电容，但是如果电源在流出引脚前在Ic内部已经放置去耦电容，那么在引脚处就不必在和每个地之间连接一个电容了．但是这样对IC芯片的成本会相应提高。图1-4-7是一个放置耦合电容和不放置耦合电容的EMI仿真比较图1-4-7去耦电容对抑制EMI的作用4.3.2.2EMI滤波器EMI滤波一般是用在对电源线的滤波，它是用来隔离电路板或者系统内外的电源，它的作用是双向的，即可以作为输出滤波，也可以作为输入滤波．EMI滤波器是由电感和电容组成。比较常见的几种EMI滤波器有：穿心电容，L型滤波器，Ⅱ型滤波器，T型滤波器等。对于不同滤波器的选择，我们通常是通过滤波器接入端的阻抗大小来决定。如果电源线两端都为高阻，那么易选用穿心电容和Ⅱ型滤波器，但是Ⅱ型滤波器的衰减速度比穿心电容大；如果两端阻抗相差比较大，适宜选择L型滤波器，其中电感接入低阻如果两端都为低阻抗，那么就选用T型滤波器。4.3.2.3磁性元件磁性元件是由铁磁材料构成的，有来抑制EMI，最常见的磁性元件有磁珠，磁环，扁平磁夹子。磁环和磁夹子一般用在连接线上，如图1-4-8所示。图1-4-8磁性元件示意图磁性元件的工作原理很简单，就是相当于在传输线上串入一电感，厂家一般会提供与图1-4-9类似的特性图，设计者必须根据需求来选择相应的磁性元件，在下图中，线上串接一个磁性元件的插入损耗可由下面这个公式计算得出：Loss(dB)=20log[(Zs+Zf+Z1)／(Zs+Z1)]图1-4-9磁性元件的特性图由于磁性元件并不增加线路中的直流阻抗，这使得它非常适合用在电源线上做EMI抑制器件。由于磁珠很小也很容易处理，