電路設(shè)計的電磁輻射抑制方法

1、通訊產(chǎn)品電路設(shè)計中的電磁波輻射和輻射抗擾性問題研究1 引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為高科技產(chǎn)品的代表之一通訊產(chǎn)品，其發(fā)展速度日新月異，從傳統(tǒng)的傳送單純話音的窄帶業(yè)務(wù)到傳送話音、數(shù)據(jù)和視頻等的綜合寬帶業(yè)務(wù)，對信號傳輸質(zhì)量和傳輸速度的要求也越來越高，這就不可避免地給通訊產(chǎn)品帶來了許多電磁兼容性（EMC）問題，特別是通訊產(chǎn)品的電磁波輻射和輻射抗擾性問題百表現(xiàn)尤為突出。通過對本公司通訊產(chǎn)品的電磁波輻射和輻射抗擾性問題進(jìn)行詳細(xì)地分析，在通訊產(chǎn)品的電路設(shè)計階段總結(jié)出一系列解決此類問題的方法，下面逐一進(jìn)行詳細(xì)論述。2 差模輻射和共模輻射要想解決電路中的電磁波輻射和輻射抗擾性問題，首先應(yīng)了解輻射的機(jī)理，在通

2、訊產(chǎn)品中，通常輻射的根源在其數(shù)字電路部分，而數(shù)字電路的輻射按其方式可分為差模輻射和共模輻射。差模輻射是由于電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路造成的，如圖1所示。這些環(huán)路相當(dāng)于正在工作的小天線，向空間輻射磁場。差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時，設(shè)電流為，面積為的小環(huán)，在自由空間為的遠(yuǎn)場，測得的電場為： （式1） 其中電場 頻率 面積 電流 距離 測量天線與輻射平面的夾角式1適用于放置在自由空間且表面無反射的小環(huán)，通訊產(chǎn)品在進(jìn)行測試時并非處于自由空間，而是在地面上進(jìn)行的，附加的地面反射會使測得的輻射增加6dB。因此，考慮到這一因素，式1必須乘上系數(shù)2。如果對地面反射作出修正并假設(shè)為最大輻射方向，則式1可

3、改寫為： （式2）由式2可以看出，差模輻射與環(huán)路電流和環(huán)面積成正比，與電流頻率的平方成正比。共模輻射是由于電路中存在不希望的電壓降造成的，此電壓降使系統(tǒng)中某些部分處于高電位的共模電壓，當(dāng)外部電纜與系統(tǒng)連接時，外部電纜在共模電壓的作用下被激勵，形成輻射電場的天線，如圖2所示。通訊產(chǎn)品的共模輻射來自系統(tǒng)中的電纜，共模輻射可以用電壓（對地電壓）激勵的短（長度小于波長）單極天線來模擬。對于接地平面上長度為的短單極天線來說，在遠(yuǎn)場處測量的電場強(qiáng)度幅值為： （式3） 式中電場 頻率 電纜中的共模電流 天線長度 測試距離如果發(fā)射在最大方向上，則式3可寫為： （式4）式4表明輻射與頻率、天線長度及流經(jīng)天線的共

4、模電流的幅度成正比。3 差模輻射和共模輻射的抑制31 差模輻射的抑制 由以上對差模輻射的分析可知，差模輻射的抑制可以通過減少環(huán)路電流幅度、電流頻率和減少電流環(huán)面積來實現(xiàn)。而在通訊產(chǎn)品的電路設(shè)計中，設(shè)計方案一經(jīng)確定，其電流頻率和電流幅度也已基本確定，控制差模輻射的方法就是減小電流環(huán)的面積。在實際的電路設(shè)計中，就是以此為原則來進(jìn)行差模輻射抑制的，應(yīng)將信號線和相關(guān)的接地回路緊挨在一起敷設(shè)。下面詳細(xì)說明電路設(shè)計中具體采用的防差模輻射措施。311 印制板電源線的差模輻射抑制由式2可知，在印制電路板上電源線與接地線的環(huán)繞區(qū)域越大，其輻射的能量也越大，所以應(yīng)設(shè)法使電源線與地線所包圍的環(huán)路面積最小，但在進(jìn)行印

5、制板設(shè)計時，不可能照顧到所有的電源線環(huán)路，有的環(huán)路面積無法減小或面積的減小幅度受限制，可以采用在環(huán)路有源器件的電源端和地端接入一個0.1的瓷介電容，以此來縮短有源器件在電源線上引起的差模輻射電流的環(huán)路路徑。實踐證明，這樣可以有效地抑制電源線的差模輻射。在通訊電路中，采用了大量的動態(tài)RAM和肖特基TTL器件，這類器件隨工作狀態(tài)的變化其電源沖擊電流較大，根據(jù)“電流突變大的地方就是輻射干擾強(qiáng)烈的地方”的原則，電源線就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，因此應(yīng)設(shè)法抑制電源線的輻射。具體的做法是在此類器件的電源端與地之間并接旁路電容，經(jīng)實踐可并接一個0.1的瓷介電容和10的鉭電容，從而降低了電源線的阻抗，使電源沖擊電流限

6、制在很小的環(huán)路內(nèi)，電路工作穩(wěn)定。為防止印制板上的高頻信號耦合到電源線并對外產(chǎn)生高頻輻射，或防止通過外界引入帶有高頻干擾信號的電源線，在電源信號線靠近輸入輸出插座的地方接入EMI濾波器。312 印制板時鐘線的差模輻射抑制在通訊產(chǎn)品電路中，時鐘電流是第一輻射源，一個具有2ns上升沿的時鐘信號輻射能量的帶寬可達(dá)160MHz，其可能輻射帶寬可達(dá)十倍頻，即1.6GHz。所以最關(guān)鍵的是減少載有系統(tǒng)時鐘電流的環(huán)面積，而不用對每個獨立的環(huán)都進(jìn)行處理。通訊產(chǎn)品電路的時鐘頻率最高可達(dá)幾千，它的全部能量都集中在由基頻和諧波頻率組成的窄帶內(nèi)，來自時鐘的輻射超過任何其他部分的輻射。因而在印制板的設(shè)計中對時鐘源及布線應(yīng)注

7、意以下幾點：a 作為印制板上的時鐘源晶振應(yīng)盡量靠近被驅(qū)動的芯片，使晶振的時鐘信號線盡可能短，從而減少時鐘信號線作為輻射天線的長度，進(jìn)而減少了時鐘的電流環(huán)面積。對于單層板來說，所有的時鐘信號線都應(yīng)用地線包圍，而且時鐘信號線距離地線應(yīng)盡可能近，這樣就減少了時鐘電流的環(huán)路面積。對于多層板，時鐘線應(yīng)走在印制板的兩個地層之間，這樣既減少了時鐘電流的環(huán)路面積，又通過兩層地平面形成屏蔽，防止時鐘信號線向外界產(chǎn)生輻射，反過來也提高了時鐘信號的輻射抗擾性。對于ddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd

8、dddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd。但對于長度不大于時鐘帶寬的短SMT時鐘引線，應(yīng)直接布線在印制板頂層（即無過孔的“微帶線”）例如，對上升時間，帶寬，從而的或。b 對于外部電路引到印制板上或從印制板引到外部的時鐘信號線，不要采用向多個部件直接串行連接稱為菊花式連接，而應(yīng)該在靠近時鐘信號輸入輸出的接插件處經(jīng)斯密特觸發(fā)器等緩存器后分別向其它多個部件直接提供時鐘信號。由于從外部引來的時鐘線傳輸距離較長，時鐘信號在傳輸?shù)倪^程中會發(fā)生延遲，當(dāng)延遲達(dá)到一定數(shù)值時，就要進(jìn)行阻抗匹配以免發(fā)生終端反射使時鐘信號抖動或發(fā)生過沖，造成時鐘信號畸變，影響電

9、路的正常工作，解決的措施是在時鐘信號的終端或始端加入阻抗匹配電路來消除信號畸變，阻抗匹配方法有串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、戴維南網(wǎng)絡(luò)、RC 網(wǎng)絡(luò)、二極管陣等。另外，應(yīng)注意外部時鐘信號進(jìn)入印制板時也要用地線包圍或走在兩個地平面之間。通過以上方法不僅降低了外部時鐘信號的輻射能量，而且大大提高了外部時鐘信號線的輻射抗擾性。c 為了限制時鐘信號對印制板的引出線耦合，時鐘電路應(yīng)遠(yuǎn)離輸入/輸出引線或電路的地方；為了減少串?dāng)_，時鐘信號線不應(yīng)在長距離內(nèi)與信號線或數(shù)據(jù)總線并行走線。 d 時鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，應(yīng)盡量布設(shè)在印制板靠近中央的部位，但是一定要遠(yuǎn)離敏感電路和低頻電路。 e 時鐘布線經(jīng)連接器輸出

10、時，連接器上的插針要在時鐘線插針周圍布滿接地插針，這樣也可以減小時鐘電流的環(huán)路面積。313 印制電路背板的差模輻射抑制在通訊產(chǎn)品的數(shù)字電路系統(tǒng)中，除了時鐘信號線的輻射以外，用來連接各功能板信號的背板常常是主要的差模發(fā)射源，與背板相連引線的長度也是影響發(fā)射大小的因素。背板上通常布有多種時鐘線、各種信號線以及公共地回路線。當(dāng)系統(tǒng)有工作地（模擬地和數(shù)字地）、保護(hù)地、-48V地、機(jī)殼地時，應(yīng)將連接微小信號不產(chǎn)生噪聲的工作地作為內(nèi)部的地層，為系統(tǒng)電路提供相對較為“干凈”的地回路。背板上的時鐘線是某個或幾個功能印制板時鐘引線的延伸，相當(dāng)于加長的差模輻射發(fā)射天線，在實際設(shè)計時應(yīng)注意此類時鐘信號線的輻射發(fā)射問

11、題，在背板上時鐘線等高頻強(qiáng)信號線和易受干擾的微弱信號線，應(yīng)布在背板內(nèi)部的兩個地層之間，并且強(qiáng)弱信號線應(yīng)分屬不同的內(nèi)部信號層，如果必須在同一層布線，應(yīng)分開在不同區(qū)域，中間應(yīng)用地線隔離開。只有一個內(nèi)部地層的背板，應(yīng)將時鐘信號線布在靠近內(nèi)部地層的元件面一側(cè)。不要在內(nèi)部地層上布線，保證印制板內(nèi)部地層盡量完整，提高地層作為屏蔽層的屏蔽效能，這樣不但可以抑制背板的差模輻射，而且也可以大大提高背板的輻射抗擾性。314 印制板信號互連電纜的差模輻射抑制印制板上的信號互連電纜也是差模輻射的一個發(fā)射源，電纜的作用是提供一條與信號路徑相鄰的地回路，以減小環(huán)形區(qū)域的面積，如何端接信號回路決定著互連電纜的差模輻射能力。

12、減小差模輻射能力的強(qiáng)弱順序依次為同軸電纜、三芯電纜、雙絞線和帶狀線。同軸電纜帶有良好的屏蔽層且屏蔽層兩端接地，可以在高頻段提供實質(zhì)上的零環(huán)形區(qū)域，這時應(yīng)對屏蔽層的端接予以特別的考慮，屏蔽層端接不恰當(dāng)（如辮線狀），則會產(chǎn)生差模向共模的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而引起電纜的共模輻射。三芯電纜是傳輸高頻時鐘信號的理想互連電纜，與同軸電纜相比，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，屏蔽性能卻不相上下。屏蔽雙絞線的兩根導(dǎo)線終端應(yīng)不分開，以便其維持較小的環(huán)形區(qū)域，減少屏蔽雙絞線差模輻射。對于帶狀電纜，具體傳輸信號時在電纜中指配多根地線，采用地-信號-地-信號-地的相間配置方式或地-信號-信號-地-信號-信號-地的方式布線，也可以采用帶有金屬

13、屏蔽層的屏蔽帶狀電纜，以減小信號電流環(huán)形區(qū)域的面積。由于光纖能夠提供寬頻帶、短傳輸延遲的信號互連，并且無輻射，對相關(guān)連的電纜也不敏感，所以使用光纖是另一種較為有效的方法，它一般應(yīng)用在較大的通訊電路系統(tǒng)中。315 多層印制板的差模輻射抑制在現(xiàn)在的通訊產(chǎn)品中，由于信號的處理日益復(fù)雜，傳輸速率也愈來愈快，印制板的分層應(yīng)采用多層板，多層印制板的設(shè)計旨在減少元器件及電路所產(chǎn)生的電磁漏泄，使得設(shè)備正常工作時能有效抑制電路的差模輻射，特別是高速信號在多層板中的差模輻射問題應(yīng)引起足夠的重視，在實際的多層印制板設(shè)計時，對其中差模輻射的抑制可按照以下方法進(jìn)行。a 通訊產(chǎn)品多層板分層應(yīng)盡量對稱分布，不應(yīng)將多于兩個的

14、信號層相鄰放置，最好將內(nèi)部信號層成對地對地對稱放置，一種信號的所有走線都應(yīng)有共同的返回地層，高速信號的布線應(yīng)安排在同一對信號層內(nèi)，除非有些信號需要連線到SMT器件，我們應(yīng)盡量減少外層的信號布線。b 如果是在一個電源層有多個電源供電，在各個電源金屬線之間必須鋪設(shè)地線將它們隔開，以免導(dǎo)致各電源之間的AC耦合；也可以增加額外的電源層和地層，只要保證在兩個電源層之間沒有成對的信號層即可。c 多層板中數(shù)字電路和模擬電路應(yīng)分開，有條件時將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。如果一定要安排在同層；可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補(bǔ)救。d 具體電路中印制板分層應(yīng)符合下述原則： 單層板五層板：元件面信號層-地層

15、-電源層-地層-焊接面信號層；七層板：元件面信號層-地層-信號層-地層-電源層-地層-焊接面信號層；九層坂：元件面信號層-地層-信號層-地層-信號層-地層-電源層-地層-焊接面信號層； 雙層板 四層：元件面信號層-地層-電源層-焊接面信號層； 六層：元件面信號層-地層-信號層-電源層-地層-焊接面信號層； 八層：元件面信號層-地層-信號層-地層-電源層-信號層-地層-焊接面信號層；十層：元件面信號層-地層-信號層-信號層-地層-電源層-信號層-信號層-地層-焊接面信 號層；上述分層措施使電源線和信號線盡量靠近接地回路，減少了環(huán)流面積和相互之間的串?dāng)_，從而有效地抑制印制板的差模輻射。由于地線層還

16、形成一個有效的電磁屏蔽層，不用的表層區(qū)域都可以大面積敷設(shè)地層。 e 在多層印制板設(shè)計中對印制線條間距和邊距必須滿足以下兩個基本原則： 20H原則 ：所有的具有一定電壓的印制板都會向空間輻射電磁能量，為減小這個效應(yīng)，印制板的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的接地板的物理尺寸小20H，其中H是兩個印制板面的間距。在一定頻率下，兩個金屬板的邊緣場會產(chǎn)生輻射；減小一塊金屬板的邊界尺寸使其比另一個接地板小，輻射將減小。當(dāng)尺寸小10H時，輻射強(qiáng)度開始下降，當(dāng)尺寸小20H時，輻射強(qiáng)度下降70，當(dāng)尺寸小100H時，輻射強(qiáng)度下降98。根據(jù)20H原則，按照一般典型印制板尺寸，20H一般為3mm左右。2W原則：當(dāng)兩條印制線間

17、距比較小時，兩線之間會發(fā)生電磁串?dāng)_，串音會使有關(guān)電路功能失常。為避免發(fā)生這種干擾，應(yīng)保持任何線條問距不小于二倍的印制線條寬度，即不小于2W，W為印制線路的寬度。印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求，太寬會減少布線的密度，增加成本；太窄會影響傳輸?shù)浇K端的信號的波形和強(qiáng)度。3 2 共模輻射的抑制由式2和式4聯(lián)立可得： （式5） 式中和分別為產(chǎn)生同樣大小輻射所需的差模電流和共模電流。由此可見，產(chǎn)生同樣大小的場強(qiáng)所需的差模電流幅度要比共模電流的輻度高三個數(shù)量級，即幾微安的共模電流和幾毫安的差模電流產(chǎn)生同數(shù)量的輻射發(fā)射。因而，在同樣的條件下，共模輻射的強(qiáng)度比差模輻射要大，所以共模輻射的抑制比差模輻射要難得

18、多。系統(tǒng)的共模輻射來自系統(tǒng)中的電纜，考慮到抑制無用的共模電流是控制共模輻射的關(guān)鍵，實際設(shè)計電路時應(yīng)采用以下幾種方法：a 盡量減小地電位電壓印制板采用接地平面可以有效地減小地電位電壓；采用工作地、保護(hù)地、機(jī)殼地分別接至匯流條，并通過匯流條接入大地，也能有效地降低地電位電壓。b 電纜的屏蔽和去耦 電纜的屏蔽是一種降低共模輻射的方法，對于電纜屏蔽而言，最重要的是屏蔽層的端接，屏蔽層的端接是指電纜屏蔽層兩端往什么地方接，怎樣接。 當(dāng)電纜長度為信號波長的1/4時，在其屏蔽層上產(chǎn)生駐波，成為噪聲發(fā)射天線。此時，為抑制噪聲發(fā)射，應(yīng)采用屏蔽層兩端接地。例如信號頻率超過30MHz和長度超過1m、高頻集膚效應(yīng)嚴(yán)重

19、時，若屏蔽層兩端接地，則地電位差或接地環(huán)路引起的高頻電流僅在屏蔽層外表面流動，大大減小對內(nèi)部芯線的感應(yīng)作用，所以屏蔽電纜的屏蔽層宜采用兩端接地。屏蔽層的地應(yīng)是一個無噪聲的地（即這個地不會被數(shù)字邏輯噪聲污染），對于屏蔽機(jī)箱，這個地可以是機(jī)箱外壁；對于非屏蔽機(jī)箱，這個地可以是一塊專門設(shè)置的金屬板；或者是線路板上的一塊專門設(shè)計的無噪聲I/O地，在線路板上設(shè)計I/O地的方法是將I/O接III口連接器部位的區(qū)域與線路板其它部分隔開，在這個區(qū)域建立一個獨立的低電感的I/O地，只允許I/O線上的去耦電容和電纜屏蔽層與之相聯(lián)系，將這個地只通過一點與線路板其它部分的數(shù)字地連接起來，這根連接線稱為橋。這樣就不會有任何邏輯地電流流過并污染無噪聲的I/O地，I/O地的示意具體見圖3所示。電纜的屏蔽層有兩種類型，一種對信號來說就是回路線，另一種屏蔽層只起到控制噪聲干擾的作用；屏蔽層的作用實際是為共模電流提供了一條低阻抗的回路。同軸電纜的屏蔽層類型屬于第一種，由于同軸電纜的屏蔽