元器件的電磁兼容特性

1、元器件的電磁兼容性能1、器件的頻率特性電磁干擾通常是電路元器件按正常規(guī)則工作時(shí)，器件的“非預(yù)期 特性”所造成的結(jié)果。隨著工作頻率的增加，各種無源器件都存在著寄生參數(shù)：在高頻 環(huán)境下，實(shí)際電阻等效于電阻與寄生電容并聯(lián)后，再與寄生電感串聯(lián) 的結(jié)構(gòu)；實(shí)際電容等效于寄生電感、寄生電阻和電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)；實(shí) 際電感則等效于電感和寄生電容并聯(lián)后，再與寄生電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。 同樣的道理，印制板上的導(dǎo)線在高頻狀態(tài)下，已經(jīng)不再是一端阻抗為 0歐姆的導(dǎo)線，而是可以等效為一個(gè)傳輸線模型；當(dāng)導(dǎo)線長度超過一 定長度時(shí)，則可以等效為一根輻射天線。更為嚴(yán)格的是，隨著頻率的進(jìn)一步上升，比如從射頻波段到微波 波段，以至于毫米波波段

2、，無源器件的等高頻等效模型都會(huì)發(fā)生變化。 這就不難理解，在不同的頻率下，電路中耦合電容造成的信號(hào)功率損 耗是不一樣的。同樣，對(duì)于有源器件，當(dāng)器件工作在較高的頻率上時(shí)，器件也存 在著寄生電阻、寄生電感、寄生電容等；然而，器件的高頻寄生參數(shù) 常常被硬件設(shè)計(jì)師所忽略。其實(shí)，有源器件的引腳效應(yīng)、裝配工藝效 應(yīng)、器件輻射效應(yīng)、器件電磁場分布效應(yīng)以及器件的溫度效應(yīng)都會(huì)引 起器件的高頻等效參數(shù)發(fā)生很大的變化，從而產(chǎn)生EMC方面的問題。有源器件在EMC方面的“不可估計(jì)性”比無源器件更難以把握。綜上所述，理解并充分掌握器件的高頻工作特性對(duì)設(shè)計(jì)出符合EMC要 求的產(chǎn)品具有重大意義。由于電路中器件的連接關(guān)系主要是通

3、過無源器件來實(shí)現(xiàn)的，并且 無源器件的高頻特性相對(duì)來講更容易把握一些；同時(shí)，有源器件的電 磁兼容性能可以通過無源器件的參數(shù)效應(yīng)來綜合，因此本章節(jié)主要討 論無源器件與電磁兼容之間的關(guān)系。常用無源器件在不同工作頻率的頻率特性如圖1所示：圖 1 無源器件的頻率特性2、電阻與電磁兼容由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點(diǎn)；因此，表面貼裝電阻 優(yōu)于插裝電阻。對(duì)于插裝電阻，應(yīng)首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻， 最后是繞線電阻。在較低的工作頻率下（約MHz數(shù)量級(jí)），金屬膜電阻是主要的寄 生元件，但其過載能力強(qiáng)，所以它一般適合用在大功率電路中。繞線電阻有較大的寄生電感，所以應(yīng)當(dāng)避免在頻率敏感的電路中 應(yīng)用，它適于在

4、大功率處理電路中應(yīng)用。在放大電路設(shè)計(jì)中，電阻的選擇極為重要。在高頻范圍內(nèi)，由 于電阻及其引線引入的寄生電感會(huì)導(dǎo)致阻抗增大，因此，增益調(diào)整的 電阻應(yīng)選用高頻寄生電感較小的電阻，并盡可能地放置在靠近放大電 路的地方，以減小引線電感的影響。在設(shè)有上拉/下拉電阻的數(shù)字電路中，晶體管或者IC電路的快速 通斷會(huì)引起開關(guān)噪聲。為了降低這種影響，所有的偏置電阻都盡可能 地放在靠近這些有源器件的地方。在RC濾波網(wǎng)絡(luò)中，必須考慮電路的感性影響，因?yàn)槔@線電阻的寄生電感與電容會(huì)產(chǎn)生諧振，在諧振頻率上產(chǎn)生插入增益。3、電容與電磁兼容電容是解決EMC問題的重要器件之一，不同類型的電容有不同的 物理特性；因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)需

5、要選用合適的電容。常用電容的類型、 特性及其用途說明如下：鋁電解電容通常是由電解質(zhì)中螺旋狀的金屬箔繞制而成，每單位 體積的電容值很高，但高頻寄生電感很大。鉭電解電容由帶直接焊盤和腳位連接的塊電解質(zhì)構(gòu)成，其高頻 寄生電感比鋁電解電容小。陶瓷電容由陶瓷介質(zhì)包含多層的平行的金屬片組成，其主要寄 生參數(shù)為多層片結(jié)構(gòu)的感抗，這在低于MHz的頻率范圍內(nèi)會(huì)造成阻抗?？傮w來說，鋁電解電容和鉭電解電容適用于低頻電路，主要用 于儲(chǔ)能和低頻濾波；陶瓷電容適合中頻（KHzMHz）電路，主要用于 去耦和高頻濾波。低損耗陶瓷電容和云母電容主要用于甚高頻或者射 頻微波電路。5、電感與電磁兼容和電容一樣，電感也是解決EMC問

6、題的重要器件之一。其工作原 理是，利用電感增大回路的阻抗，以減小回路中的干擾電流，從而達(dá) 到抑制干擾的目的。電感可分為兩種基本類型：開環(huán)電感和閉環(huán)電感。它們的區(qū)別 在于磁場的環(huán)路不同。在開環(huán)電感中，磁場通過空氣和中心材料完成 環(huán)路，而對(duì)閉環(huán)電感，磁場通過它自身的中心材料完成磁環(huán)路。與電容相比，引線的寄生電感不會(huì)導(dǎo)致電感失效，所以插裝電感 和貼片電感幾乎沒有什么不同。開環(huán)電感存在漏磁現(xiàn)象。開環(huán)電感的選取，繞線筒形狀的電感 要比直桿形狀和螺線管形狀的電感都 要好，因?yàn)樗拇艌霰豢刂圃诖判緝?nèi)。對(duì)于閉環(huán)電感，磁場被限制在中心材料內(nèi)，而且不易受空間電磁 場的影響，所以閉環(huán)電感用在電路設(shè)計(jì)中更理想。6、封

7、裝與電磁兼容在 PCB 設(shè)計(jì)當(dāng)中，器件封裝在抑制電磁干擾方面扮演著重要的 角色。器件封裝的引線電感是產(chǎn)生電磁干擾的重要因素，可能導(dǎo)致地電 位不均勻或者形成小環(huán)天線等。其中引線長度對(duì)引線電感的影響最 大。設(shè)計(jì)器件封裝時(shí)，還要考慮盡量減小環(huán)路面積。PCB上的環(huán)路面 積是電路走線和電流返回路徑之間區(qū)域的總面積，面積較大的環(huán)路是 產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)主要因素。將電源和接地引腳放在封裝的中心 （而不是在對(duì)角），或者使它們?cè)谖锢砩舷嗷ヅR近，或者成對(duì)分布， 可以減小環(huán)路面積。器件封裝設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：a）表面貼裝的集成電路因?yàn)槠渚哂械偷姆庋b寄生效應(yīng)和小的環(huán)路 面積，因而應(yīng)優(yōu)先選用；b）優(yōu)先選用塑料四方形扁

8、平封裝厚度較小的器件，以減小引線高 度；c）優(yōu)先選擇電源和接地管腳位于封裝中央且相對(duì)分布的器件（見 圖 2），使得器件電源管腳與接地管腳間形成的環(huán)路面積最小；d）選用電源和接地管腳成對(duì)分配且相鄰分布的邏輯器件（見圖 3），將降低電源和地之間的環(huán)路電感，有助于減少電源總線上的電 壓瞬變；e）優(yōu)先選擇信號(hào)返回管腳與信號(hào)管腳均勻分布以及為時(shí)鐘等關(guān) 鍵信號(hào)線配置了專門的信號(hào)返回管腳的器件（見圖 4）；f）使用具有金屬封裝外殼的器件（如振蕩器）時(shí)，并用盡可能多的低阻抗連線將金屬外殼或封裝接至接地參考電位面；g）無鉛封裝相對(duì)有鉛封裝來說有更小的寄生效應(yīng)，所以器件封裝的選擇順序是首選無鉛封裝器件，其次是徑向

9、的有鉛封裝器件，最后才是軸向的有鉛封裝器件；ven1ven11 4 !XV圖 2 器件電源與接地之間的回路面積示意圖圖 3 器件電源與接地管腳的均勻分布示意圖7、器件邊沿速率與電磁兼容快速器件的上升時(shí)間或下降時(shí)間（統(tǒng)稱轉(zhuǎn)換時(shí)間）一般也較短。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，意味著信號(hào)的高頻分量越多。器件邊沿速率與頻譜包 絡(luò)的關(guān)系見附錄A。如果系統(tǒng)對(duì)速度要求相當(dāng)高，則必須使用快速器件；如果慢速 器件可以滿足系統(tǒng)的要求，就應(yīng)使用慢速器件。為減少器件產(chǎn)生的高 頻干擾，邏輯器件的選用應(yīng)該遵循以下原則：在滿足功能要求的前提下，使用邊沿速率盡可能低的元器件。8、可編程邏輯器件與電磁兼容可編程邏輯器件狀態(tài)切換時(shí)引起的輸入電流變

10、化是PCB上重要的 噪聲源?？紤]到邏輯器件的功耗，選用可編程邏輯器件時(shí)應(yīng)該遵循以下原 則：a）選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流更小的器件（考慮在最大 容性負(fù)載條件下器件所有管腳同時(shí)切換時(shí)的最大沖擊電流，而不是平 均值或者靜態(tài)值）；b）盡可能選用具有最低驅(qū)動(dòng)電壓（VCC）的芯片；c）應(yīng)盡可能選擇電源和接地引腳分布均勻的可變稱邏輯器件。9、接地散熱器與電磁兼容由于在設(shè)計(jì)中越來越多的使用高功率、高速率的處理器，因此， 需要使用散熱器解決這些器件的散熱問題。高頻器件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的射頻噪聲，由于晶片到 PCB 參考平 面的距離比到散熱器的距離更大，晶片內(nèi)部產(chǎn)生的共模噪聲無法耦合 到接地參考電位面，轉(zhuǎn)而耦合到散熱器上，假如散熱器沒有接地，就 會(huì)將耦合的射頻能量輻射到空間中，其作用相當(dāng)于一個(gè)天線，產(chǎn)生電 磁干擾。接地散熱器設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：a）對(duì)具有陶瓷外売和頂部帶有金屬的器件，要提供接地的散熱器；b）用盡可能多的低阻抗連線將散熱器接至機(jī)売或PCB的接地參