引言
隨著IC 器件集成度的提高,、設(shè)備的逐步小型化和器件的速度愈來愈高,，電子產(chǎn)品中的EMI問題也更加嚴重。從系統(tǒng)設(shè)備EMC /EMI設(shè)計的觀點來看,，在設(shè)備的PCB設(shè)計階段處理好EMC/EMI問題,，是使系統(tǒng)設(shè)備達到電磁兼容標準最有效、成本最低的手段,。本文介紹數(shù)字電路PCB設(shè)計中的EMI控制技術(shù),。
1 EMI的產(chǎn)生及抑制原理
EMI的產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的。它包括經(jīng)由導(dǎo)線或公共地線的傳導(dǎo),、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式,。EMI的危害表現(xiàn)為降低傳輸信號質(zhì)量，對電路或設(shè)備造成干擾甚至破壞,，使設(shè)備不能滿足電磁兼容標準所規(guī)定的技術(shù)指標要求,。
為抑制EMI，數(shù)字電路的EMI設(shè)計應(yīng)按下列原則進行：
●根據(jù)相關(guān)EMC/EMI技術(shù)規(guī)范,，將指標分解到單板電路,，分級控制。
●從EMI的三要素即干擾源,、能量耦合途徑和敏感系統(tǒng)這三個方面來控制,，使電路有平坦的頻響，保證電路正常,、穩(wěn)定工作,。
●從設(shè)備前端設(shè)計入手，關(guān)注EMC/EMI設(shè)計,，降低設(shè)計成本,。
2 數(shù)字電路PCB的 EMI控制技術(shù)
在處理各種形式的EMI時，必須具體問題具體分析,。在數(shù)字電路的PCB設(shè)計中,，可以從下列幾個方面進行EMI控制,。
2.1 器件選型
在進行EMI設(shè)計時，首先要考慮選用器件的速率,。任何電路,，如果把上升時間為5ns的器件換成上升時間為2.5ns的器件，EMI會提高約4倍,。EMI的輻射強度與頻率的平方成正比,，最高EMI頻率（fknee）也稱為EMI發(fā)射帶寬，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數(shù)：fknee =0.35/Tr （其中Tr為器件的信號上升時間）
這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個GHz,，在這個頻段上,，波長很短，電路板上即使非常短的布線也可能成為發(fā)射天線,。當EMI較高時,，電路容易喪失正常的功能。因此,，在器件選型上,，在保證電路性能要求的前提下，應(yīng)盡量使用低速芯片,，采用合適的驅(qū)動/接收電路,。另外，由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容,，因此在高速設(shè)計中,，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產(chǎn)生EMI輻射的重要因素,。一般地,，貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數(shù)小于QFP 封裝,。
2.2 連接器的選擇與信號端子定義
連接器是高速信號傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié),，也是易產(chǎn)生EMI的薄弱環(huán)節(jié)。在連接器的端子設(shè)計上可多安排地針,，減小信號與地的間距,，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號環(huán)路面積，提供低阻抗 回流通路,。必要時,，要考慮將一些關(guān)鍵信號用地針隔離。
2.3 疊層設(shè)計
在成本許可的前提下,，增加地線層數(shù)量,，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射。對于高速PCB，電源層和地線層緊鄰耦合,，可降低電源阻抗,，從而降低EMI。
2.4 布局
根據(jù)信號電流流向,，進行合理的布局,，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵,。布局的基本原則是：
●模擬信號易受數(shù)字信號的干擾，模擬電路應(yīng)與數(shù)字電路隔開,；
●時鐘線是主要的干擾和輻射源,，要遠離敏感電路，并使時鐘走線最短,；
●大電流,、大功耗電路盡量避免布置在板中心區(qū)域，同時應(yīng)考慮散熱和輻射的影響,；
●連接器盡量安排在板的一邊,，并遠離高頻電路；
●輸入/輸出電路靠近相應(yīng)連接器,，去耦電容靠近相應(yīng)電源管腳,；
●充分考慮布局對電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區(qū)域邊界布放,，以有效降低平面分割對EMI的影響,；
●回流平面（路徑）不分割。
2.5 布線
●阻抗控制：高速信號線會呈現(xiàn)傳輸線的特性,，需要進行阻抗控制,，以避免信號的反射、過沖和振鈴,，降低EMI輻射,。
●將信號進行分類，按照不同信號（模擬信號,、時鐘信號,、I/O信號、總線,、電源等）的EMI輻射強度及敏感程度,，使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離，減小耦合,。
●嚴格控制時鐘信號（特別是高速時鐘信號）的走線長度,、過孔數(shù)、跨分割區(qū),、端接,、布線層,、回流路徑等。
●信號環(huán)路,，即信號流出至信號流入形成的回路,，是PCB設(shè)計中EMI控制的關(guān)鍵，在布線時必須加以控制,。要了解每一關(guān)鍵信號的流向,，對于關(guān)鍵信號要靠近回流路徑布線，確保其環(huán)路面積最小,。
對低頻信號,，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑；對高頻信號,，要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑,，而非電阻最小的路徑（見圖1）。對于差模輻射,，EMI輻射強度（E）正比于電流,、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。（其中I是電流,、A是環(huán)路面積,、f是頻率、r是到環(huán)路中心的距離,，k為常數(shù),。）
因此當最小電感回流路徑恰好在信號導(dǎo)線下面時，可以減小電流環(huán)路面積,，從而減少EMI輻射能量,。
●關(guān)鍵信號不得跨越分割區(qū)域。
●高速差分信號走線盡可能采用緊耦合方式,。
●確保帶狀線,、微帶線及其參考平面符合要求。
●去耦電容的引出線應(yīng)短而寬,。
●所有信號走線應(yīng)盡量遠離板邊緣,。
●對于多點連接網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu),，以減小信 號反射,，降低EMI輻射。
2.6 電源平面的分割處理
●電源層的分割
在一個主電源平面上有一個或多個子電源時,，要保證各電源區(qū)域的連貫性及足夠的銅箔寬度,。分割線不必太寬，一般為20～50mil線寬即可，以減少縫隙輻射,。
●地線層的分割
地平面層應(yīng)保持完整性,，避免分割。若必須分割,，要區(qū)分數(shù)字地,、模擬地和噪聲地，并在出口處通過一個公共接地點與外部地相連,。
為了減小電源的邊緣輻射,，電源/地平面應(yīng)遵循20H設(shè)計原則，即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H（見圖2）,，這樣邊緣場輻射強度可下降70% ,。
3 EMI的其它控制手段
3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計
●設(shè)計低阻抗電源系統(tǒng)，確保在低于fknee頻率范圍內(nèi)的電源分配系統(tǒng)的阻抗低于目標阻抗,。
●使用濾波器，控制傳導(dǎo)干擾,。
●電源去耦,。在EMI設(shè)計中，提供合理的去耦電容,，能使芯片可靠工作,，并降低電源中的高頻噪聲，減少EMI,。由于導(dǎo)線電感及其它寄生參數(shù)的影響,，電源及其供電導(dǎo)線響應(yīng)速度慢，從而會使高速電路中驅(qū)動器所需要的瞬時電流不足,。合理地設(shè)計旁路或去耦電容以及電源層的分布電容,，能在電源響應(yīng)之前，利用電容的儲能作用迅速為器件提供電流,。正確的電容去耦可以提供一個低阻抗電源路徑,，這是降低共模 EMI的關(guān)鍵。
3.2 接地
接地設(shè)計是減少整板EMI的關(guān)鍵,。
●確定采用單點接地,、多點接地或者混合接地方式。
●數(shù)字地,、模擬地,、噪聲地要分開，并確定一個合適的公共接地點,。
●雙面板設(shè)計若無地線層,，則合理設(shè)計地線網(wǎng)格很重要，應(yīng)保證地線寬度》電源線寬度》信號線寬度。也可采用大面積鋪地的方式,，但要注意在同一層上的大面積地的連貫性要好,。
●對于多層板設(shè)計，應(yīng)確保有地平面層,，減小共地阻抗,。
3.3 串接阻尼電阻
在電路時序要求允許的前提下，抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號輸出端串入小阻值的電阻,，通常采用22～33Ω的電阻,。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時間并能使過沖及下沖信號變得較平滑，從而減小輸出波形的高頻諧波幅度,，達到有效地抑制EMI的目的,。
3.4 屏蔽
●關(guān)鍵器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽網(wǎng)。
●對關(guān)鍵信號的屏蔽,，可以設(shè)計成帶狀線或在關(guān)鍵信號的兩側(cè)以地線相隔離,。
3.5 擴頻
擴展頻譜（擴頻）的方法是一種新的降低EMI的有效方法。擴展頻譜是將信號進行調(diào)制,，把信號能量擴展到一個比較寬的頻率范圍上,。實際上，該方法是對時鐘信號的一種受控的調(diào)制,，這種方法不會明顯增加時鐘信號的抖動,。實際應(yīng)用證明擴展頻譜技術(shù)是有效的，可以將輻射降低7到20dB,。
3.6 EMI分析與測試
●仿真分析
完成PCB布線后,，可以利用EM I仿真軟件及專家系統(tǒng)進行仿真分析，模擬EMC/EMI環(huán)境,，以評估產(chǎn)品是否滿足相關(guān)電磁兼容標準要求,。
●掃描測試
利用電磁輻射掃描儀，對裝聯(lián)并上電后的機盤掃描,，得到PCB中電磁場分布圖（如圖3,，圖中紅色、綠色,、青白色區(qū)域表示電磁輻射能量由低到高）,，根據(jù)測試結(jié)果改進PCB設(shè)計。
4 小結(jié)
隨著新的高速芯片的不斷開發(fā)與應(yīng)用,，信號頻率也越來越高,，而承載它們的PCB板可能會越來越小。PCB設(shè)計將面臨更加嚴峻的EMI挑戰(zhàn),，唯有不斷探索,、不斷創(chuàng)新,，才能使PCB板的EMC /EMI設(shè)計取得成功。