资深工程师教你如何优化设计来减少RE超标

再设计过程中，如何优化设计，减少辐射发射（RE）的带来的影响呢？什么事电磁辐射及分类：电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁辐射是以一种看不见、摸不着的特殊形态存在的物质。人类生存的地球本身就是一个大磁场，它表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射，太阳及其他星球也从外层空间源源不断地产生电磁辐射。围绕在人类身边的天然磁场、太阳光、家用电器等都会发出强度不同的辐射。电磁辐射（有时简称EMR）的形式为在真空中或物质中的自传播波。电磁辐射有一个电场和磁场分量的振荡，分别在两个相互垂直的方向传播能量。电磁辐射波的频率或波长分为不同类型，主要包括（按序增加频率）：无线电波、微波、太赫兹辐射、红外辐射、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等。其中，无线电波的波长最长而伽马射线的波长最短。除X射线和伽玛射线之外的电磁辐射都具有较弱电离能力，即非电离辐射。电磁辐射所衍生的能量，取决于频率的高低：频率愈高，能量愈大。频率极高的X光和伽玛射线可产生较大的能量，能够破坏合成人体组织的分子。事实上，X光和伽玛射线的能量之巨，足以令原子和分子电离化，故被列为“电离”辐射。这两种射线虽具医学用途，但照射过量将会损害健康。X光和伽玛射线所产生的电磁能量，有别于射频发射装置所产生的电磁能量。射频装置的电磁能量属于频谱中频率较低的那一端，不会电离物质，而会改变分子或原子之旋转，振动或价层电子轨态，故被列为“非电离”辐射。那么哪里会有电磁辐射呢？其实人体内外均布满由天然和人造辐射源所发出的电能量和磁能量。自然电磁辐射源：(1)雷电(2)太阳黑子活动(3)宇宙射线(4)太阳风暴等人为电磁辐射源：(1)电脑、电视、音响、微波炉、电冰箱等家用电器；(2)手机、传真机、通讯站等通讯设备；(3)高压电线以及电动机、电机设备等；(4)飞机、电气铁路等；(5)广播、电视发射台、手机发射基站、雷达系统等；(6)电力产业的机房、卫星地面工作站、调度指挥中心等；(7)应用微波和X射线等的医疗设备等；自然界的电磁辐射源，很难人为的影响，但是日常的电子产品，我们可以通过优化设计，预处理等办法，将电磁辐射值控制在安全范围内。电子电气设备的电磁辐射发射（RE）是产品“3C认证”测试项目的重要内容之一。RE测试频率通常为30MHz~1GHz，在半电波暗室中进行。当设备的电磁辐射发射量超过相关电磁兼容标准规定的限值后，如何正确判断超标的原因和应当采取何种相应的对策是工程师们十分关注的问题，那么到底应该怎样来判断超标的原因呢？首先，定位—没有定位过程的优化就像无头苍蝇一样到处乱撞，有时候即使问题搞定了，工程师们也不知道哪些优化措施是必须的，哪些是多余的（带来附加成本）；定位有两种手段：一种是直觉判断，需要完全依靠工程师积累的EMC经验来判断，另一种是比较测试，依靠测试仪器和EMC经验的结合来对问题进行详细的定位判断。以下几种RE超标定位流程小编得之不易，希望能够辅助设计者更加准确的找到RE超标的源头所在。找到了原因，下一步就是确定应对之策。常用的措施：减小高频信号频率、减小高频电流回路面积、减小共阻抗藕合或感应藕合、选用低速、低辐射器件、选用屏蔽机箱、屏蔽电缆和I/O滤波器等。设计优化：1、方案结构设计：主要部件、集成电路的选型主要考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力，尽量选用本身发射小的芯片；所选器件不工作在非线性区，以免产生谐波分量成为干扰源；考虑电源电路防外部骚扰包括浪涌、快速脉冲群、静电、电压跌落、电压变化等；使数字信号波形产生过冲，应使无用的谐波振荡幅度最小，使无用的高次谐波成分最少；集总参数电路增加阻尼、减小Q值，防止振荡。2、PCB的设计:尽量减小所有的高速信号及时钟信号线构成的环路面积，连接线要尽可能短，并使信号线紧邻地回路；使用小型化器件和多层线路板，多层印制板可紧缩布线空间，高频特性好；印制板层数选择应考虑关键信号的屏蔽和隔离要求；印制板分层原理与布置印刷电路、布置排线的原理一样，即元件面下面为地平面，关键电源平面与其对应的地平面相邻；布线设计考虑的顺序为：电源和地/时钟线/信号线，布线应该短、直、粗、均，不应有“之”字形，用圆角代替尖锐走线，尽可能加宽电源和地的布线，电源和地层的分割尽量符合微带线和带状线要求；走线尽可能远离骚扰源，布线考虑铁氧体材料的使用，预留磁珠和贴片滤波器的位置，以备按需加减。3、电与接地、高速信号线路及内部线缆的设计:芯片间使用低阻抗地连接(地平面），不同芯片供电脚间阻抗尽量小，芯片供电脚与地间接高频旁路电容，供电布线预留磁珠和贴片滤波器的位置，以备按需加减；布线、I/O排线的核心原则就是减小电流环面积，布置排线的原理与印制板分层原理一样；关键电源线与其对应的地线相邻，其余的信号层特别是高速信号、时钟信号线与地线相邻，尽量避免两信号线相邻；为避免接地线长度过长，可采用多点就近接地，接地线高频阻抗要小；减小电缆的天线效应及减小偶极子天线效应，跨线、I/O排线采用屏蔽性能好的线缆；I/O接口注意高速电路阻抗匹配，减小、消除反射。4、屏蔽设计:屏蔽好的要求有三：完整的电连续体；滤波措施；良好的接地。5、输入/输出的滤波设计：传导骚扰问题处理的方法主要是低通滤波，综合运用抑制传导发射和辐射发射的技术措施，如屏蔽、去藕和滤波；滤波电路与负载的阻抗失配越大，滤波器衰减电磁骚扰的效果越好；减共模和差模电容，加减共模和差模线圈，调整电容和线圈匝数，共模和差模插入损耗对频率的曲线都可改变；电源滤波器安装位置应靠近电源线入口处，如能与接口一体化更好。除了以上设计优化之外，元器件的选择也很重要，电路的基本元件满足电磁特性的程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。选择合适的电磁元件的主要准则包括带外特性和电路装配技术。因为是否能够实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。而在许多情况下，电路装配又决定着带外响应（例如引线长度）和不同电路元件之间互相耦合的程度。具体规则是：⑴在高频时，和引线型电容器相比，应优先使用引线电感小的穿心电容器或支座电容器来滤波。⑵在必须使用引线式电容时，应考虑引线电感对滤波效率的影响。⑶铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器。⑷使用寄生电感和电容量小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段。⑸大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插损，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。⑹使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插损。⑺尽量使用屏蔽的继电器并使屏蔽壳体接地。⑻选用有效地屏蔽、隔离的输入变压器。⑼用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应接地。⑽设备内部的互连信号线必须使用屏蔽线，以防它们之间的骚扰耦合。⑾为使每个屏蔽体都与各自的插针相连，应选用插针足够多的插头座。电子线路设计的准则是设计者往往只考虑产品的功能，而没有将功能和电磁兼容性综合考虑，因此产品在完成其功能的同时，也产生了大量的功能性骚扰及其它骚扰。而且，不能满足敏感度要求。虽然不同的产品有不同的侧重点，但从设计的角度看，应该走不出上述范畴。