EMI/EMC控制在“搖籃”中 可使電源設計事半功倍

來源：電源網  作者：佚名2014年09月05日 14:39

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[導讀] 差分信號的理論相當的簡單，當傳輸兩個信號時，將要傳送的信號加入于第二個信號之后，并使其等于第一個信號的負值，而來自于第一個信號是為正的;來自于第二個信號的返回電流卻是為負的。

關鍵詞：EMCEMI電源設計PCB

　　電子研發工程師最常采用的EMI/EMC防范措施不外乎是屏蔽、濾波、接地和布線，但是隨著電子系統的集成化，在考慮成本、質量、功能，又要兼顧產品推出速度的要求下，工程師們必須在設計初始階段就展開EMI/EMC預測分析和設計，避免在研發后期發生問題，采取挽救修補措施的被動控制方法，而收到事半功倍的效果。本文就介紹在產品設計之初，控制EMI/EMC所應考慮的問題。

　　1 PCB板設計

　　1.1 PCB板層數與功能分布

　　當設計一個電路板時，首先要考慮的是PCB板的層數及信號、電源、地的分布。層數的決定在于功能規格、噪聲抑制、信號種類、走線分布排列、阻抗匹配、有源組件密度、網絡數目等。在PCB層面壓制射頻輻射更勝于在機殼或金屬涂裝于塑料殼上下功夫。

　　表1顯示的是電路板層數與信號、電源、地的通用分配方式。這些分配方式并非一成不變的，可依功能要求及所須繞線層數（Rounting Layers）要求適當修改。須把握的重點是每一個繞線層必定要相鄰一個完整平面。

　　PCB一般都是偶數層，兩層板常用于低于10 kHz頻率要求。如果提供多于3個完整平面，即：一個電源兩個地，將最高速clock布線于相鄰ground plane且不相鄰于power plane，可得最佳之EMI效果。這是PCB上抑制EMI抑制的基本觀念。

　　1.2 電源及接地

　　高速PCB板設計最重要的考慮就是把電源電壓向各部分電路供電，將噪聲降為最低，它就如同開發一個無干擾電源。一個好的接地其阻抗應該為零，因此可以提供一個好的參考電壓給所有的電路，同時也不會有EMI的產生。實際上，真實的電源網絡中，由于有非零值傳遞延遲的電流存在，所以于其中應該是具有一些有限的阻抗，如電阻、電感、或是電容，它們是分散于整個電路板之中。

　　在高速PCB板中，另外一個問題是交流信號所產生的交變電磁場，電流流通于一個由導線所圍成的閉回路，它們會使得電路的串音，以及輻射更加的嚴重。分散電源的效能是受到板子上電路的不同電位所決定，設計的目的是盡可能降低電源網絡的阻抗。通常采用有兩種方法解決，分別為利用電源總線以及電源平面。

　　一般設計者傾向于使用電源總線，是因為它具有合理的成本，故為首選，但是電源總線是與信號線分享整個布局層，以及有許多的電源供應到所有的裝置。通常總線為既長又窄，所以它的阻抗比較大，這就是為什么電流受限制于總線所定義的路徑。由器件所產生的EMI，都是與電源總線上的器件有關聯。

　　至于電源平面因其充滿了整個布局層，并且電源平面的阻抗是為電源總線一小部分。在電源平面上，因為電流路徑沒有受到限制，所以噪聲電流是分散的。所沿行的路徑阻抗也較低，所以電源平面較電源總線安靜。電源平面的另外一個功能，是于系統中對于所有的信號提供均有一條返回路徑，可以用來限制許多高速噪聲的問題。

　　在低速時，電流流向最低電阻的路徑，在高速時，在所既給的返回電流路徑的電感是遠低于有效的電阻，高速返回電流是走最低電感的路徑，但此一路徑并非是最低電阻的路徑。此一最低電感返回路徑是被直接的放在一個信號導通器之下，并于返回電流路徑之間有一最小的總回路。電源平面提供給系統中所有的信號一個返回路徑，則電流就可以經由VCC或是接地返回。

　　1.3 終端

　　路線越短其傳輸延遲也越短，若是導線的長度超過電子上升邊緣長度的1/6，則信號延遲就大于傳輸時間的有效部份，所以信號路線必須被視為是一個傳輸線，一個不適當的終端傳輸線容易造成反射，進而破壞到信號。太短的終端線，會產生一個負的反射以減慢轉換時間，使數據流變慢;而太長的終端線，又會產生正反射其可被解釋為一個多任務信號，由于于此頻率下，具有高阻抗以及傳輸率，故可以與相鄰的路徑線路作有效的耦合。

　　在線路負載端的信號可以被組合形成環型，以降低系統的速度，它也可能會造成錯誤的時序，甚至于破壞系統的功能。故應該將終端線的終端電阻降低，或是限制于無反射之下，使其電阻值匹配于傳輸線的特性阻抗時才能有效抑制反射。

　　在平行終端之間并入一個具有負載特性的電阻器可以降低負載阻抗，但是它卻有一個缺點，就是于正電壓態輸出時，有較高的電流，此電流可以通過電源以及接地兩端電阻的使用，予以合理的降低，此兩電阻即是所謂的Thevenin等效應;雖然此一方法是很好，但是因為電阻是介于電源與接地之間，所以需要較大的電源供應電流。

　　另外一個技巧是并入電阻及電容，電容可使交流短路與直流開路，此一電路可以被參考且視為交流終端。負載終端技術的設計可以限制第一次反射。

　　另外的一個選擇方法是增加Zs使其等于Zo，并將Zs與電源相串聯，當加入Zs之后，會使電源產生一個新的阻抗Zo。我們也可以考慮同時在電源以及負載端使用終端器 ，使接收到的一半信號，并降低巨大的反射。在數字電路中，此一技術僅是被使用于連接有接收組件的線路。

　　手持式裝置會格外注重在印刷電路板上的EMI設計，在大多數情況下電路板的表面安裝組件產生的發射比電路板銅箔線產生的大。流過銅箔線的相同電流必須同樣流過IC，保證銅箔線及其最近的參考基準面之間的面積小于從芯片接腳到電路板并返回器件的電源和接地引腳的電流回路面積，可使芯片發出較銅箔線輻射更大的能量，此外，假如兩條銅箔線等長并載有相同的信號，在物理上位處高于最近實心基準面的銅箔線的輻射會較大。簡單地說，距離基準面越高，輻射越高。

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本文導航

• 第 1 頁：EMI/EMC控制在“搖籃”中 可使電源設計事半功倍

• 第 2 頁：2屏蔽措施的采用

• 第 3 頁：3 信號通路的考慮

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