對于數字電路PCB設計中的EMI控制技術原理介紹

引言

隨著IC 器件集成度的提高、設備的逐步小型化和器件的速度愈來愈高，電子產品中的EMI問題也更加嚴重。從系統設備EMC /EMI設計的觀點來看，在設備的PCB設計階段處理好EMC/EMI問題，是使系統設備達到電磁兼容標準最有效、成本最低的手段。本文介紹數字電路PCB 設計中的EMI控制技術。

1 EMI 的產生及抑制原理

EMI的產生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統造成的。它包括經由導線或公共地線的傳導、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式。EMI 的危害表現為降低傳輸信號質量，對電路或設備造成干擾甚至破壞，使設備不能滿足電磁兼容標準所規定的技術指標要求。

為抑制EMI，數字電路的EMI設計應按下列原則進行：

* 根據相關EMC/EMI 技術規范，將指標分解到單板電路，分級控制。

* 從EMI 的三要素即干擾源、能量耦合途徑和敏感系統這三個方面來控制，使電路有平坦的頻響，保證電路正常、穩定工作。

* 從設備前端設計入手，關注EMC/EMI 設計，降低設計成本。

2 數字電路PCB 的EMI 控制技術

在處理各種形式的EMI 時，必須具體問題具體分析。在數字電路的PCB設計中，可以從下列幾個方面進行EMI 控制。

2.1 器件選型

在進行EMI 設計時，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時間為5ns 的器件換成上升時間為2.5ns 的器件，EMI 會提高約4倍。EMI 的輻射強度與頻率的平方成正比，最高EMI 頻率(fknee)也稱為EMI 發射帶寬，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數：

fknee =0.35/Tr(其中Tr 為器件的信號上升時間)

這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz 到幾個GHz，在這個頻段上，波長很短，電路板上即使非常短的布線也可能成為發射天線。當EMI 較高時，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應盡量使用低速芯片，采用合適的驅動/接收電路。另外，由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設計中，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產生EMI 輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數小于QFP 封裝。

2.2 連接器的選擇與信號端子定義

連接器是高速信號傳輸的關鍵環節，也是易產生EMI 的薄弱環節。在連接器的端子設計上可多安排地針，減小信號與地的間距，減小連接器中產生輻射的有效信號環路面積，提供低阻抗回流通路。必要時，要考慮將一些關鍵信號用地針隔離。

2.3 疊層設計

在成本許可的前提下，增加地線層數量，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI 輻射。對于高速PCB，電源層和地線層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。2.4 布局

根據信號電流流向，進行合理的布局，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI的關鍵。布局的基本原則是：

* 模擬信號易受數字信號的干擾，模擬電路應與數字電路隔開;

* 時鐘線是主要的干擾和輻射源，要遠離敏感電路，并使時鐘走線最短;

* 大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區域，同時應考慮散熱和輻射的影響;

* 連接器盡量安排在板的一邊，并遠離高頻電路;

* 輸入/輸出電路靠近相應連接器，去耦電容靠近相應電源管腳;

* 充分考慮布局對電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區域邊界布放，以有效降低平面分割對EMI 的影響;