内嵌式PCB中电磁兼容设计与电磁干扰

内嵌式PCB中电磁兼容设计与电磁干扰

高牧天

（泰安众诚自动化设备股份有限公司271000）

摘要：本文对PCB电磁兼容性问题进行理论分析。阐明了在PCB中的电磁干扰本质和电磁干扰条件，分析了PCB中两种主要的辐射干扰，以及抑制干扰的措施。

关键词：PCB；电磁兼容；干扰辐射

在印制线路板（PCB）上有很多情况可以引起EMI，这是因为元件在特定情况下都有其隐藏特性。在高频段，一个电阻器相当于一个电感串联上一个电阻与电容的并联结构；一个电容相当于一个电感、电阻和电容器的串联；一个电感相当于一个电阻串上一个电感与电容的并联结构，而变压器则由电阻、电容和互感线圈的负责组合构成。认识到元件的高频寄生特性，并在PCB设计阶段采取措施，有效地解决此类电磁兼容问题是非常重要的。

1PCB设计

PCB上的电路虽然各式各样，但就布线和设计而言总是有些共同的原则应该遵守。在PCB布线时通常先确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号。在设计PCB时，需要了解电路板的设计信息，包括：1）PCB的层数。2）PCB的布局。3）PCB的轨迹。4）对元件、器件、IC、接插件和线缆等的选择。

但是，在PCB的设计过程中，我们很有可能对元器件和IC等本身的电磁模型的了解是一个盲区，这是电磁兼容最不易掌握的地方。做一个比喻，PCB的轨迹是路，元器件和IC等是车站码头、村落和城镇等。对于路的问题，应用传输线理论、天线理论等其它电磁理论就可以解决。对于IC等电磁模型的盲区，有两个方法可以应用1）要求厂家提供标准的模型。现在的IC设计是通过软件设计的，厂家应该有仿真和实测的模型。2）不考虑这个问题。在设计过程中，该有的外围元件统统加上；简化电磁兼容分析。任何PCB都有一个电源模块，电源的PCB一般是与电路母板分开设计的，电源PCB引起的干扰主要是传导性的。

在PCB中时钟电路是影响EMC性能的主要因素，时钟电路产生的信号一般是周期性的方波，其频谱是分立的，以基频的整数倍数展开，其分立频率越高，能量越小。振荡电路产生的信号一般是周期性的，有脉冲和连续波的，其频谱也是分立的。在电路中将产生两种信号：数字信号一般是非周期性信号，其频谱是连续的，脉冲宽度越窄，频谱越宽；模拟信号一般是窄带的，其电路的频谱特性一般是已知的。

因此，对PCB的电磁辐射机理，一般应从两个方面入手：频域和时域。对短脉冲所产生的辐射而形成的宽带干扰多从时域入手，但是分析的难度相对于频域而言要大些。

从电磁兼容的标准来看，在各个频率范围内来限定干扰电压或电流的峰值或均值，这是因为测量设备主要集中在频域测量。因此，解决电磁辐射干扰问题的一个关键点在于电磁辐射的频率、幅度等，来源于哪一个干扰源，再采取措施将干扰源产生的电磁辐射限定在一定范围之内。

2天线附近的电磁场分析

大多数电子硬件都包含了这样的一些部件：它们具有类似天线的特性，通过与电路相耦合的电场、磁场或电磁场而不经意地转移能量。其中电缆就是效率很高的电磁波接收天线和辐射天线，辐射骚扰大多是通过天线、电缆导线进入接收器的。对于辐射耦合，电磁场理论中近场与远场的概念是十分重要的。辐射远场区特点是在远场区，电场、磁场与电磁波的传播方向相互垂直，呈辐射场的性质；辐射近场区特点是辐射功率密度大于无功功率密度，这一点可从坡印亭（Poynting）矢量得到理解；感应近场区特点是无功功率密度大于辐射功率密度；近场天线因子在辐射发射的测量过程中，按照规则要求需要使用在不同的频率范围内不同的校准天线。依据不同的场距、频率和场地条件，天线因子是不同的。天线因子AF一般与在匹配负载（典型为50Ω）上的感应电压V和入射平面波的场强E有关。电磁干扰源与受扰装置间的耦合可以归纳为3个途径：辐射、感应和传导。辐射发生在远场的环境中，感应属于近场的环境。不管近场还是远场，统称为辐射EMI。工程实际中通常有区分标准，远大于该距离即为远场，反之为近场。表中给出了几个频率点的远、近场分界点。对于高速数字电路设计人员来说，当频率超过1GHz时，4.8cm的距离就要看作远场环境。

3PCB上的电磁干扰辐射

PCB上的辐射主要产生于两个源：一个是PCB走线，另一个是I/O电缆。电缆辐射往往是更主要的辐射源。因为电缆是效率很高的辐射天线，有些电缆尽管传输的信号频率很低，但由于PCB上的高频信号会耦合到电缆上，也会产生较强的高频辐射。PCB板上的辐射以共模和差模的方式辐射。干扰电流在导线上传输时也有两种方式：差模方式和共模方式。干扰电流在导线上传输时既能以差模方式出现，又能以共模方式出现。差模电流产生差模辐射，共模电流产生共模辐射，下面分别介绍差模辐射和共模辐射的特性。

当差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射，中环路相当于小环天线，能向空间辐射电场、磁场、或接收电场、磁场。电场强度与电流的大小以及电流回路的面积成正比，而路电流的频率平方成正比。因此可以直接得出抑制差模干扰的方法：（1）降低电路的工作频率；（2）减小信号环路的面积；（3）减小信号电流的强度；高速的处理速度是所有软件工程师所追求的，而高速的处理速度是靠高度的时钟频率来保证的，因此限制系统的工作频率有时是不允许的。这里所说的限制频率指的是减少不必要的高频成分，主要指r1/t频率以上的频率。信号电流的强度也是不能随便减小的，但有时缓冲器能够减小长线上的驱动电流。最现实有效的方法是控制信号环路的面积。通过减小信号的环路面积能够有效地减小环路的辐射，理论给出了不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积。这是对于10m处，电磁辐射极限值在30～230MHz之间为30dBV/m，在230～1000MHz之间37dBV/m的情况下的面积限制。但决不意味着只要电路满足了这个条件PCB就能满足EMI指标要求。因为线路板的辐射不仅有差模辐射，还有共模辐射，而共模辐射往往比差模辐射更强。但如果不满足这些条件，PCB肯定会产生超标电磁辐射。

共模辐射是由于接地电路中存在电压降，某些部位具有高电位的共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下产生共模电流，成为辐射电场的天线。多数共模辐射是由接地系统中存在电压降所造成的。共模辐射通常决定了产品的辐射性能。

减小共模辐射的基本方法是限制共模电流，为此需要做到以下几点：（1）尽量减小激励天线的源电压，即地电位；（2）提供电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈；（3）将共模电流旁路到地；（4）电缆屏蔽层与屏蔽壳体做360°端接。

4结语

本文详细阐述了PCB设计中电磁辐射辐射的干扰。介绍了PCB设计的特点，并对天线附近的场区进行了划分，阐述了PCB中的差模辐射和共模辐射的原理，为PCB设计分析提供了明确的理论指导。

参考文献：

[1]刘培国，侯冬云.电磁兼容基础.北京：电子工业出版社，2008，7

[2]王禹.电磁兼容技术.航空计算技术.Vol.31No2,2001.6