e小白網(wǎng)址：www.e-xiaobai.com

系統(tǒng)或設(shè)備在其本身電磁環(huán)境中能夠正常工作且沒有對(duì)同一環(huán)境下工作的別的系統(tǒng)或設(shè)備造成不能接受的電磁干擾。由此可知，電磁兼容涵蓋兩個(gè)方面的內(nèi)容：1、系統(tǒng)或設(shè)備本身要有特定的能在電磁環(huán)境下有效工作的抗干擾能力。2、系統(tǒng)或設(shè)備在正常工作的時(shí)輻射的電磁干擾不能對(duì)同處在同一環(huán)境下工作的其他裝置產(chǎn)生不可抗拒的電磁干擾。系統(tǒng)或設(shè)備滿足以上兩個(gè)條件時(shí)，其才會(huì)被認(rèn)定具有電磁兼容性。由此我們把電磁兼容(EMC)拆分為電磁靈敏度(EMS)與電磁干擾(EMI)，其中EMI又可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。比如，在高速PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電路的耦合引腳、各類高頻元器件和高頻信號(hào)線等都有機(jī)會(huì)成為具有發(fā)射天線特點(diǎn)的輻射源，進(jìn)而向外界輻射電磁場(chǎng)并干擾本系統(tǒng)或之外其他系統(tǒng)或設(shè)備的正常有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁兼容的涵蓋范圍如下圖所示：

1.EMI的三要素

EMI需要在一定的條件下才會(huì)發(fā)生作用，這樣的條件包括干擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備，也被稱為EMI的三要素，只有這三個(gè)條件同時(shí)滿足，才會(huì)產(chǎn)生EMI影響問題。

1.1干擾源

電磁干擾源主要包括自然電磁干擾源和人為電磁干擾源。自然電磁干擾源包括大氣噪聲、太陽噪聲、宇宙噪聲、雷電噪聲、熱噪聲等；人為電磁千擾源主要包括家用電器、民用設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)與醫(yī)療高頻儀器、高壓電力電子系統(tǒng)、無線電發(fā)射與按收設(shè)備、高速數(shù)字電路系統(tǒng)等。在高速PCB及電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，影響其他PCB或電子系統(tǒng)的正常工作的輻射干擾源常常是高速的信號(hào)線、芯片(IC)的引腳等。

1.2耦合途徑

EMI的耦合途徑可根據(jù)傳播方式來劃分，即為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。其中，傳導(dǎo)耦合指的是一個(gè)電路上的干擾噪聲，沿著導(dǎo)電介質(zhì)耦合到另一個(gè)電路上的耦合方式。而輻射耦合指的是一個(gè)電路上的干擾噪聲，通過空間耦合到另一個(gè)電路上的耦合方式。

1.3敏感設(shè)備

容易受到電磁干擾的系統(tǒng)或設(shè)備被稱為敏感設(shè)備。一個(gè)很小的元器件或電路板組件，或是一個(gè)較大型的電子系統(tǒng)都可以成為敏感設(shè)備。一般說來，低電壓、小信號(hào)的設(shè)備都是敏感設(shè)備。我們之所以要針對(duì)敏感設(shè)備，重視其元器件和結(jié)構(gòu)的使用，是因?yàn)樵谝粋€(gè)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，采用不同的元器件、不同的結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)電子設(shè)備的抗干擾能力產(chǎn)生不同的影響。

2.高速PCB板EMI理論分析?

2.1無源器件的高頻特性

隨著電路系統(tǒng)和元器件的信號(hào)頻率越來越高、時(shí)鐘上升沿越來越陡峭，電路中即使非常短的布線也有可能成為電磁天線，向空間輻射，從而形成EMI輻射。大部分的原因就是有些無源元器件的隱藏特性會(huì)在某些特定的工作環(huán)境中呈現(xiàn)出來。在高頻環(huán)境下，無源器件的等效模型如下表所示。

如果電路在設(shè)計(jì)的時(shí)候寄生電感和電容值選擇不合理或者PCB走線不合理，就有很大機(jī)率構(gòu)成一個(gè)電磁天線，并且向外輻射電磁干擾信號(hào)。普通系統(tǒng)或設(shè)備的輻射天線的工作頻率都是固定的，一般都是波長(zhǎng)的1/4或1/2，這樣組成的發(fā)射器才能更加有效。但是在工程實(shí)踐中PCB設(shè)計(jì)的工作頻率一般要盡可能比固定頻率波長(zhǎng)的1/20要小，這樣的設(shè)計(jì)才能使成為潛在發(fā)射源的機(jī)率降到最低。

2.2EMI輻射原理

2.2.1電偶極子的電磁輻射

電偶極子的輻射原理圖如下圖所示，原理是一小截載流導(dǎo)線，也叫電流元，其長(zhǎng)度△l和橫向尺寸都要遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)。如果我們假設(shè)沿△l方向上的電流強(qiáng)度是均勻分布的，由于△l的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)中任何點(diǎn)到電偶極子的距離，即可認(rèn)為場(chǎng)中任意點(diǎn)與電偶極子的距離是相等的。由于△l的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)或場(chǎng)的輻射半徑，所以我們?cè)跍y(cè)算PCB上某一條信號(hào)傳輸路徑的電磁輻射問題時(shí)可以用電偶極子模型來等效。

如上圖所示，電偶極子的中心和直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，△l的方向上的電流沿y軸方向均勻分布。若對(duì)電偶極子上電流作正弦(或余弦)分解，即I=Imsinwt，則電偶極子在系統(tǒng)或設(shè)備工作環(huán)境中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)(E和H)也同樣是時(shí)間的正弦(或余弦)函數(shù)。如果我們將理想空間的電荷密度ρ、電導(dǎo)率σ和傳導(dǎo)電流密度Jc都設(shè)定為零，那么由Maxwell方程組可求得電偶極子周圍的電磁場(chǎng)為：

其中Im△l為電偶極子的電矩(A·m)；r為從坐標(biāo)原點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離(m)；k為波數(shù)(電磁波傳播單位長(zhǎng)度所引起的相位變化)，若設(shè)電磁波的波長(zhǎng)為λ，則k=2π/λ(rad/m)

我們依據(jù)觀察點(diǎn)到電偶極子的距離遠(yuǎn)近的不同，將電偶極子周圍的場(chǎng)區(qū)的劃分為近場(chǎng)區(qū)、轉(zhuǎn)換區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

近場(chǎng)區(qū)

在距離電偶極子區(qū)域比較近的場(chǎng)區(qū)，r <<λ/2π，kr <<1，此時(shí)場(chǎng)區(qū)的性質(zhì)為感應(yīng)場(chǎng)，電偶極子主要取決于1/kr的高次項(xiàng)，由上式可知其電場(chǎng)和磁場(chǎng)的模值為：

可見，在近場(chǎng)區(qū)干擾分量中，電場(chǎng)的衰減規(guī)律是1/r3，而磁場(chǎng)的衰減規(guī)律是1/r2。

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

在遠(yuǎn)離電偶極子的區(qū)域，r >>λ/2π，kr >>1，場(chǎng)強(qiáng)隨傳播距離的增大而減小，為輻射場(chǎng)。此時(shí)電偶極子場(chǎng)區(qū)性質(zhì)主要由1/kr的低次項(xiàng)決定，由上式可知其電場(chǎng)和磁場(chǎng)的模值為：

轉(zhuǎn)換區(qū)

r≈λ/2π的場(chǎng)區(qū)兼具以上兩個(gè)場(chǎng)區(qū)的特性。

2.2.2磁偶極子的電磁輻射

磁偶極子的模型如下圖所示。磁偶極子的電磁輻射原理是一個(gè)無限小的線性磁流元，也叫電流環(huán)。根據(jù)電磁場(chǎng)理論我們可知，磁是由變化電流的電場(chǎng)產(chǎn)生的，磁南極和磁北極總是同時(shí)存在的，不存在真正的磁單極子，但我們可以把一個(gè)有限小的電流環(huán)等效為一個(gè)磁偶極子。針對(duì)研究對(duì)象的不同，我們可以做以下設(shè)定：半徑為r(2πr <<λ)的電流環(huán)，如下圖所示，其電流I為均勻分布，即電流傳輸路徑上大小和相位均一樣。

將電流元換為電流環(huán)，直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)與電流環(huán)的中心重合，并使Z軸垂直于電流環(huán)截面，如下圖所示。

參照電偶極子的電磁輻射方程，將應(yīng)用在電流元的電磁場(chǎng)理論計(jì)算應(yīng)用到電流環(huán)的計(jì)算中，得到磁偶極子遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)模值為：

所以據(jù)此理論，當(dāng)PCB中的電流信號(hào)傳輸構(gòu)成回路時(shí)，可以將其電流產(chǎn)生的電磁輻射效應(yīng)等效于磁偶極子的模型來計(jì)算。

2.3高速PCB中的高頻電磁輻射

高速PCB上的輻射來源主要是：PCB上的走線和I/O電纜。且首要的輻射源就是電纜輻射帶來的。雖然有些電纜傳輸信號(hào)的頻率很低，但是由于電纜是輻射能力非常高的電磁天線，以至于高頻信號(hào)在PCB上傳輸時(shí)會(huì)耦合到電纜上，產(chǎn)生強(qiáng)度很高的高頻輻射。高頻輻射按干擾電流在導(dǎo)線上傳輸方式的不同可分為共模輻射和差模輻射。干擾電流大小和方向均相同是共模電流。電流大小相同、方向相反是差模電流。差模輻射是由差模電流激勵(lì)引起，而共模輻射由共模電流激勵(lì)引起，如下圖所示。針對(duì)共模和差模產(chǎn)生的輻射，我們可以根據(jù)導(dǎo)線電流在PCB板上傳輸?shù)穆窂讲煌ㄟ^等效為電偶極子和磁偶極子的模型來分析。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，PCB 上EMI電磁干擾最主要的來源是共模電流所產(chǎn)生的輻射干擾。

2.3.1差模輻射

差模電流在電路中傳輸會(huì)形成回流環(huán)，進(jìn)而形成差模輻射。由于此回流環(huán)相當(dāng)于一個(gè)小的電磁環(huán)路發(fā)射天線，因此，我們可以采用小環(huán)天線(磁偶極子)模型來分析差模輻射。差模電流的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度為：

其中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，其單位是V/m；f為差模電流回路的電流頻率，單位是Hz；A為電流環(huán)面積，其單位是cm2；I為電流環(huán)回路的差模電流，單位是A；r為輻射源到被干擾設(shè)備的距離，即觀察點(diǎn)到電流環(huán)路的距離，單位是m；θ為矢量與Z軸的夾角。

工程實(shí)踐應(yīng)用環(huán)境中常以最壞情況作為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，即反射波的相位和直射波的相位同相，發(fā)射波長(zhǎng)是直射波長(zhǎng)的兩倍。設(shè)sinθ=1，因?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，地面總是不可避免的會(huì)產(chǎn)生反射，所以實(shí)際的計(jì)算最大值有增加一倍的可能性，即

我們國(guó)家電磁特性性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：r的取值按軍用和民用的不同，取值也不同，取值范圍1m~30m。由上式可以知道，電場(chǎng)強(qiáng)度E與電流環(huán)回路的差模電流頻率f的平方、電流環(huán)回路的差模電流強(qiáng)度I、電流回路的面積A成正比。所以我們可以采取以下抑制差模干擾的措施：縮小電流環(huán)回路的面積、減小差模電流強(qiáng)度的大小以及降低差模電流回路的電流頻率。

2.3.2共模輻射

采用電偶極子天線模型來分析共模輻射。經(jīng)由電偶極子天線(I/O帶狀電纜)所輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

其中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位是V/m；f為共模電流的頻率，單位是Hz；I為共模電流的強(qiáng)度，單位是A；l為I/O電偶極子天線的高度(參考點(diǎn)為地端)，單位是m；r為測(cè)量天線到與電偶極子之間的距離，單位是m；θ為矢量與Z軸的夾角。

抑制共模干擾的最主要方法就是要抑制共模電流的大小，方法如下：

(1）充分降低激勵(lì)天線的地電位。

(2）添加共模扼流圈，將共模電流旁路到地。

(3）使用差分式電路。

(4）PCB布線布局時(shí)，遠(yuǎn)離高頻線、不和產(chǎn)生干擾的設(shè)備共用同一個(gè)電源。

2.3.3共模輻射與差模輻射的比較

共模輻射是由電路上的共模電流和接地噪聲引起的，差模輻射是由電路上的差模電流所引起的。盡管共模電流的大小比差模電流的大小要小的多，但是共模電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)。很小的共模電流所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度能等同于很大的差模電流所輻射的強(qiáng)度，即較小的共模電流就能引起很強(qiáng)的輻射，產(chǎn)生這種情況的主要原因是由于共模電流的磁力線在射頻的返回傳輸路徑中不能被消除且差模輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨頻率增加而增加，但是其增加的速度沒有共模輻射的強(qiáng)度隨頻率增加的快。