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数字电路的EMI控制技术
本文档主要介绍的是电路中存在的各类干扰,希望对大家有用
数字电路PCB的EMI控制技术
冼 明 肖文伟
随着IC器件集成度的提高、设备的逐步小型化和器件的速度愈来愈高,电子产品中的EMI问题也更加严重。从系统设备EMC/EMI设计的观点来看,在设备的PCB设计阶段处理好EMC/EMI问题,是使系统设备达到电磁兼容标准最有效、成本最低的手段。本文介绍数字电路PCB设计中的EMI控制技术。
一、EMI的产生及抑制原理
EMI的产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的。它包括经由导线或公共地线的传导、通过空间辐射或通过近场耦合三种基本形式。
EMI的危害表现为降低传输信号质量，对电路或设备造成干扰甚至破坏，使设备不能满足电磁兼容标准所规定的技术指标要求。
为抑制EMI，数字电路的EMI设计应按下列原则进行：
●根据相关EMC/EMI技术规范,将指标分解到单板电路,分级控制。
●从EMI的三要素即干扰源、能量耦合途径和敏感系统这三个方面来控制，使电路有平坦的频响，保证电路正常、稳定工作。
●从设备前端设计入手,关注EMC/EMI设计,降低设计成本。
二、数字电路PCB的 EMI控制技术
在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI控制。
1．器件选型
在进行EMI设计时，首先要考虑选用器件的速率。任何电路，如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件，EMI会提高约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI频率（fknee）也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：
fknee =0.35/Tr (其中Tr为器件的信号上升时间)
这种辐射型EMI的频率范围为30MHz到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时,电路容易丧失正常的功能。因此,在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下,应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。 另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI辐射的重要因素。一般地,贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA封装的寄生参数小于QFP封装。
2．连接器的选择与信号端子定义
连接器是高速信号传输的关键环节,也是易产生EMI的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针,减小信号与地的间距,减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积,提供低阻抗回流通路。必要时,要考虑将一些关键信号用地针隔离。
3．叠层设计
在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。
根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是：
●模拟信号易受数字信号的干扰,模拟电路应与数字电路隔开；
●时钟线是主要的干扰和辐射源,要远离敏感电路,并使时钟走线最短；
●大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响； ●连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路；
●输入/输出电路靠近相应连接器,去耦电容靠近相应电源管脚；
●充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI的影响；
●回流平面（路径）不分割。
●阻抗控制:高速信号线会呈现传输线的特性,需要进行阻抗控制，以避免信号的反射、过冲和振铃，降低EMI辐射。
●将信号进行分类，按照不同信号（模拟信号、时钟信号、I/O信号、总线、电源等）的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源与敏感系统尽可能分离，减小耦合。
●严格控制时钟信号(特别是高速时钟信号)的走线长度、过孔数、跨分割区、端接、布线层、回流路径等。
●信号环路，即信号流出至信号流入形成的回路，是PCB设计中EMI控制的关键，在布线时必须加以控制。要了解每一关键信号的流向，对于关键信号要靠近回流路径布线,确保其环路面积最小。
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数字电路PCB的EMI控制技术_电子/电路_工程科技_专业资料。简单介绍数字电路PCB的EMI控制技术数字电路 PCB 的 EMI 控制技术随着 IC 器件集成度的提高、 设备的逐步小...开关功率变换器的数字有源 EMI 控制技术摘要――本论文提出一项基于可编程逻辑...需要指出,仿真的目的不是比较转换电路 的不同而是比较在仿真和实验环境在 DAEF ...控制技术 技术概要 EMI 控制技术概要表 10.2 EMI 控制中,元件、印刷电路板、...?如果可以的话,使用单点接地(如:低频率) ?直流和交流电源,模拟信号、数字...印刷电路板LAYOUT技术 PART1:EMI和EMC纵缆 ???在现代电子设计中,EMI是一个主要...在数字电路中,许多临界信号容易收到EMI的干扰,如复位、 中断和控制信号。 运放...通常,高速数字电路的 EMI 发射带宽可以通过下面的...EMI 的控制措施 屏蔽:电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场...EMC详细的技术资料 82页 1下载券 EMC基础知识---...EMI滤波器的设计原理_电子/电路_工程科技_专业资料。...参考文献 1 沙占友.新编实用数字化测量技术.北京:...EMI信号的有效抑制[期刊论文]-电机与控制学报2006,...变频器电磁干扰(EMI)及其控制_机械/仪表_工程科技_...因此,变频器内部电路分布中同时存在模拟地线、数字...因此分析和研 究变频器的 EMI 及其抑制技术对确保...当 EMI 噪声影响到数字电路时,会引起逻辑关系出错,...驱动电路、控制电路、保护电路、输入输出电平检测电路...7 滤波器的技术参数及正确使用 (1)插入损耗是噪声...用扩频技术的 EMI 解决方案_信息与通信_工程科技_专业资料。TECHNICAL ANALYSIS ...富士通内 置采用电流 D/A 转换器的数字控制电路,输出时钟周期:T 参考时钟 1/...通常,高速数字电路的 EMI 发射带宽可以通过下面的...在 EMI 和阻抗的控制中,电感和电容的作用很大。 ...电磁干扰EMI及其抑制技术... 7页 免费 电磁干扰(EMI...如何实现数字电路PCB的EMI控制？
随着IC器件集成度的提高、设备的逐步小型化和器件的速度愈来愈高,电子产品中的EMI问题也更加严重。从系统设备EMC/EMI设计的观点来看,在设备的PCB设计阶段处理好EMC/EMI问题,是使系统设备达到电磁兼容标准最有效、成本最低的手段。本文介绍数字电路PCB设计中的EMI控制技术。
一、EMI的产生及抑制原理
EMI的产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的。它包括经由导线或公共地线的传导、通过空间辐射或通过近场耦合三种基本形式。EMI的危害表现为降低传输信号质量，对电路或设备造成干扰甚至破坏，使设备不能满足电磁兼容标准所规定的技术指标要求。
为抑制EMI，数字电路的EMI设计应按下列原则进行：
根据相关EMC/EMI技术规范,将指标分解到单板电路,分级控制。
从EMI的三要素即干扰源、能量耦合途径和敏感系统这三个方面来控制，使电路有平坦的频响，保证电路正常、稳定工作。
从设备前端设计入手,关注EMC/EMI设计,降低设计成本。
二、数字电路PCB的EMI控制技术
在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI控制。
1.器件选型
在进行EMI设计时，首先要考虑选用器件的速率。任何电路，如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件，EMI会提高约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI频率(fknee)也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：fknee =0.35/Tr (其中Tr为器件的信号上升时间)
这种辐射型EMI的频率范围为30MHz到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时,电路容易丧失正常的功能。因此,在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下,应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI辐射的重要因素。一般地,贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA封装的寄生参数小于QFP封装。
2.连接器的选择与信号端子定义
连接器是高速信号传输的关键环节,也是易产生EMI的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针,减小信号与地的间距,减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积,提供低阻抗回流通路。必要时,要考虑将一些关键信号用地针隔离。
3.叠层设计
在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。
根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是：
模拟信号易受数字信号的干扰,模拟电路应与数字电路隔开;
时钟线是主要的干扰和辐射源,要远离敏感电路,并使时钟走线最短;
大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响;
连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路;
输入/输出电路靠近相应连接器,去耦电容靠近相应电源管脚;
充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI的影响;
回流平面(路径)不分割。
阻抗控制:高速信号线会呈现传输线的特性,需要进行阻抗控制，以避免信号的反射、过冲和振铃，降低EMI辐射。
将信号进行分类，按照不同信号(模拟信号、时钟信号、I/O信号、总线、电源等)的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源与敏感系统尽可能分离，减小耦合。
严格控制时钟信号(特别是高速时钟信号)的走线长度、过孔数、跨分割区、端接、布线层、回流路径等。
信号环路，即信号流出至信号流入形成的回路，是PCB设计中EMI控制的关键，在布线时必须加以控制。要了解每一关键信号的流向，对于关键信号要靠近回流路径布线,确保其环路面积最小。
对低频信号,要使电流流经电阻最小的路径;对高频信号,要使高频电流流经电感最小的路径,而非电阻最小的路径(见图1)。对于差模辐射,EMI辐射强度(E)正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方。(其中I是电流、A是环路面积、f是频率、r是到环路中心的距离,k为常数。)
因此当最小电感回流路径恰好在信号导线下面时,可以减小电流环路面积,从而减少EMI辐射能量。
关键信号不得跨越分割区域。
高速差分信号走线尽可能采用紧耦合方式。
确保带状线、微带线及其参考平面符合要求。
去耦电容的引出线应短而宽。
所有信号走线应尽量远离板边缘。
对于多点连接网络，选择合适的拓扑结构，以减小信 号反射，降低EMI辐射。
6.电源平面的分割处理
电源层的分割
在一个主电源平面上有一个或多个子电源时,要保证各电源区域的连贯性及足够的铜箔宽度。分割线不必太宽,一般为20～50mil线宽即可,以减少缝隙辐射。
地线层的分割
地平面层应保持完整性,避免分割。若必须分割，要区分数字地、模拟地和噪声地,并在出口处通过一个公共接地点与外部地相连。
为了减小电源的边缘辐射,电源/地平面应遵循20H设计原则，即地平面尺寸比电源平面尺寸大20H(见图2)，这样边缘场辐射强度可下降70% 。
三、EMI的其它控制手段
1. 电源系统设计
设计低阻抗电源系统，确保在低于fknee频率范围内的电源分配系统的阻抗低于目标阻抗。
使用滤波器，控制传导干扰。
电源去耦。在EMI设计中,提供合理的去耦电容，能使芯片可靠工作，并降低电源中的高频噪声，减少EMI。由于导线电感及其它寄生参数的影响，电源及其供电导线响应速度慢，从而会使高速电路中驱动器所需要的瞬时电流不足。合理地设计旁路或去耦电容以及电源层的分布电容,能在电源响应之前，利用电容的储能作用迅速为器件提供电流。正确的电容去耦可以提供一个低阻抗电源路径，这是降低共模 EMI的关键。
接地设计是减少整板EMI的关键。
确定采用单点接地、多点接地或者混合接地方式。
数字地、模拟地、噪声地要分开,并确定一个合适的公共接地点。
双面板设计若无地线层,则合理设计地线网格很重要,应保证地线宽度&电源线宽度&信号线宽度。也可采用大面积铺地的方式,但要注意在同一层上的大面积地的连贯性要好。
对于多层板设计,应确保有地平面层,减小共地阻抗
3. 串接阻尼电阻
在电路时序要求允许的前提下，抑制干扰源的基本技术是在关键信号输出端串入小阻值的电阻，通常采用22～33Ω的电阻。这些输出端串联小电阻能减慢上升/下降时间并能使过冲及下冲信号变得较平滑，从而减小输出波形的高频谐波幅度，达到有效地抑制EMI的目的。
关键器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽网。
对关键信号的屏蔽，可以设计成带状线或在关键信号的两侧以地线相隔离。
扩展频谱(扩频)的方法是一种新的降低EMI的有效方法。扩展频谱是将信号进行调制,把信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上。实际上,该方法是对时钟信号的一种受控的调制,这种方法不会明显增加时钟信号的抖动。实际应用证明扩展频谱技术是有效的,可以将辐射降低7到20dB。
6.EMI分析与测试
完成PCB布线后,可以利用EM I仿真软件及专家系统进行仿真分析,模拟EMC/EMI环境，以评估产品是否满足相关电磁兼容标准要求。
利用电磁辐射扫描仪,对装联并上电后的机盘扫描,得到PCB中电磁场分布图(如图3,图中红色、绿色、青白色区域表示电磁辐射能量由低到高),根据测试结果改进PCB设计。
结语 ：随着新的高速芯片的不断开发与应用，信号频率也越来越高，而承载它们的PCB板可能会越来越小。PCB设计将面临更加严峻的EMI挑战，唯有不断探索、不断创新，才能使PCB板的EMC/EMI设计取得成功。
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如何解决多层PCB设计时的EMI
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如何解决多层PCB设计时的EMI
EMI（Electro-Magnetic Interference）即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。在多层PCB设计中如何解决EMI问题呢？一起来看看这篇EDN的网站的文章吧！
解决EMI问题的办法很多，现代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂层、选用合适的EMI抑制零配件和EMI仿真设计等。这篇文章从最基本的PCB布板出发，讨论PCB分层堆叠在控制EMI辐射中的作用和设计技巧。
电源汇流排在IC的电源引脚附近合理地安置适当容量的电容，可使IC输出电压的跳变来得更快。然而，问题并非到此为止。由于电容呈有限频率响应的特性，这使得电容无法在全频带上生成干净地驱动IC输出所需要的谐波功率。除此之外，电源汇流排上形成的瞬态电压在去耦路径的电感两端会形成电压降，这些瞬态电压就是主要的共模EMI干扰源。我们应该怎么解决这些问题？
就我们电路板上的IC而言，IC周围的电源层可以看成是优良的高频电容器，它可以收集为干净输出提供高频能量的分立电容器所泄漏的那部份能量。此外，优良的电源层的电感要小，从而电感所合成的瞬态信号也小，进而降低共模EMI。
当然，电源层到IC电源引脚的连线必须尽可能短，因为数位信号的上升沿越来越快，最好是直接连到IC电源引脚所在的焊盘上，这要另外讨论。
为了控制共模EMI，电源层要有助于去耦和具有足够低的电感，这个电源层必须是一个设计相当好的电源层的配对。有人可能会问，好到什么程度才算好？问题的答案取决于电源的分层、层间的材料以及工作频率(即IC上升时间的函数)。通常，电源分层的间距是6mil，夹层是FR4材料，则每平方英寸电源层的等效电容约为75pF。显然，层间距越小电容越大。
上升时间为100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的发展速度，上升时间在100到300ps范围的器件将占有很高的比例。对于100到300ps上升时间的电路，3mil层间距对大多数应用将不再适用。那时，有必要采用层间距小于1mil的分层技术，并用介电常数很高的材料代替FR4介电材料。现在，陶瓷和加陶塑料可以满足100到300ps上升时间电路的设计要求。
尽管未来可能会采用新材料和新方法，但对于今天常见的1到3ns上升时间电路、3到6mil层间距和FR4介电材料，通常足够处理高端谐波并使瞬态信号足够低，就是说，共模EMI可以降得很低。本文给出的PCB分层堆叠设计实例将假定层间距为3到6mil。
电磁屏蔽从信号走线来看，好的分层策略应该是把所有的信号走线放在一层或若干层，这些层紧挨着电源层或接地层。对于电源，好的分层策略应该是电源层与接地层相邻，且电源层与接地层的距离尽可能小，这就是我们所讲的“分层＂策略。
PCB堆叠什么样的堆叠策略有助于屏蔽和抑制EMI？以下分层堆叠方案假定电源电流在单一层上流动，单电压或多电压分布在同一层的不同部份。多电源层的情形稍后讨论。
4层板4层板设计存在若干潜在问题。首先，传统的厚度为62mil的四层板，即使信号层在外层，电源和接地层在内层，电源层与接地层的间距仍然过大。
如果成本要求是第一位的，可以考虑以下两种传统4层板的替代方案。这两个方案都能改善EMI抑制的性能，但只适用于板上元件密度足够低和元件周围有足够面积(放置所要求的电源覆铜层)的场合。
第一种为首选方案，PCB的外层均为地层，中间两层均为信号电源层。信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗低，且信号微带路径的阻抗也低。从EMI控制的角度看，这是现有的最佳4层PCB结构。第二种方案的外层走电源和地，中间两层走信号。该方案相对传统4层板来说，改进要小一些，层间阻抗和传统的4层板一样欠佳。
如果要控制走线阻抗，上述堆叠方案都要非常小心地将走线布置在电源和接地铺铜岛的下边。另外，电源或地层上的铺铜岛之间应尽可能地互连在一起，以确保DC和低频的连接性。
6层板如果4层板上的元件密度比较大，则最好采用6层板。但是，6层板设计中某些叠层方案对电磁场的屏蔽作用不够好，对电源汇流排瞬态信号的降低作用甚微。下面讨论两个实例。
第一例将电源和地分别放在第2和第5层，由于电源覆铜阻抗高，对控制共模EMI辐射非常不利。不过，从信号的阻抗控制观点来看，这一方法却是非常正确的。
第二例将电源和地分别放在第3和第4层，这一设计解决了电源覆铜阻抗问题，由于第1层和第6层的电磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果两个外层上的信号线数量最少，走线长度很短(短于信号最高谐波波长的1/20)，则这种设计可以解决差模EMI问题。将外层上的无元件和无走线区域铺铜填充并将覆铜区接地(每1/20波长为间隔)，则对差模EMI的抑制特别好。如前所述，要将铺铜区与内部接地层多点相联。
通用高性能6层板设计一般将第1和第6层布为地层，第3和第4层走电源和地。由于在电源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层，因而EMI抑制能力是优异的。该设计的缺点在于走线层只有两层。前面介绍过，如果外层走线短且在无走线区域铺铜，则用传统的6层板也可以实现相同的堆叠。
另一种6层板布局为信号、地、信号、电源、地、信号，这可实现高级信号完整性设计所需要的环境。信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对。显然，不足之处是层的堆叠不平衡。
这通常会给加工制造带来麻烦。解决问题的办法是将第3层所有的空白区域填铜，填铜后如果第3层的覆铜密度接近于电源层或接地层，这块板可以不严格地算作是结构平衡的电路板。填铜区必须接电源或接地。连接过孔之间的距离仍然是1/20波长，不见得处处都要连接，但理想情况下应该连接。
10层板由于多层板之间的绝缘隔离层非常薄，所以10或12层的电路板层与层之间的阻抗非常低，只要分层和堆叠不出问题，完全可望得到优异的信号完整性。要按62mil厚度加工制造12层板，困难比较多，能够加工12层板的制造商也不多。
由于信号层和回路层之间总是隔有绝缘层，在10层板设计中分配中间6层来走信号线的方案并非最佳。另外，让信号层与回路层相邻很重要，即板布局为信号、地、信号、信号、电源、地、信号、信号、地、信号。
这一设计为信号电流及其回路电流提供了良好的通路。恰当的布线策略是，第1层沿X方向走线，第3层沿Y方向走线，第4层沿X方向走线，以此类推。直观地看走线，第1层1和第3层是一对分层组合，第4层和第7层是一对分层组合，第8层和第10层是最后一对分层组合。当需要改变走线方向时，第1层上的信号线应藉由”过孔＂到第3层以后再改变方向。实际上，也许并不总能这样做，但作为设计概念还是要尽量遵守。
同样，当信号的走线方向变化时，应该藉由过孔从第8层和第10层或从第4层到第7层。这样布线可确保信号的前向通路和回路之间的耦合最紧。例如，如果信号在第1层上走线，回路在第2层且只在第2层上走线，那么第1层上的信号即使是藉由“过孔”转到了第3层上，其回路仍在第2层，从而保持低电感、大电容的特性以及良好的电磁屏蔽性能。
如果实际走线不是这样，怎么办？比如第1层上的信号线经由过孔到第10层，这时回路信号只好从第9层寻找接地平面，回路电流要找到最近的接地过孔(如电阻或电容等元件的接地引脚)。如果碰巧附近存在这样的过孔，则真的走运。假如没有这样近的过孔可用，电感就会变大，电容要减小，EMI一定会增加。
当信号线必须经由过孔离开现在的一对布线层到其他布线层时，应就近在过孔旁放置接地过孔，这样可以使回路信号顺利返回恰当的接地层。对于第4层和第7层分层组合，信号回路将从电源层或接地层(即第5层或第6层)返回，因为电源层和接地层之间的电容耦合良好，信号容易传输。
多电源层的设计如果同一电压源的两个电源层需要输出大电流，则电路板应布成两组电源层和接地层。在这种情况下，每对电源层和接地层之间都放置了绝缘层。这样就得到我们期望的等分电流的两对阻抗相等的电源汇流排。如果电源层的堆叠造成阻抗不相等，则分流就不均匀，瞬态电压将大得多，并且EMI会急剧增加。
如果电路板上存在多个数值不同的电源电压，则相应地需要多个电源层，要牢记为不同的电源创建各自配对的电源层和接地层。在上述两种情况下，确定配对电源层和接地层在电路板的位置时，切记制造商对平衡结构的要求。
总结鉴于大多数工程师设计的电路板是厚度62mil、不带盲孔或埋孔的传统印制电路板，本文关于电路板分层和堆叠的讨论都局限于此。厚度差别太大的电路板，本文推荐的分层方案可能不理想。此外，带盲孔或埋孔的电路板的加工制程不同，本文的分层方法也不适用。
电路板设计中厚度、过孔制程和电路板的层数不是解决问题的关键，优良的分层堆叠是保证电源汇流排的旁路和去耦、使电源层或接地层上的瞬态电压最小并将信号和电源的电磁场屏蔽起来的关键。理想情况下，信号走线层与其回路接地层之间应该有一个绝缘隔离层，配对的层间距(或一对以上)应该越小越好。根据这些基本概念和原则，才能设计出总能达到设计要求的电路板。现在，IC的上升时间已经很短并将更短，本文讨论的技术对解决EMI屏蔽问题是必不可少的。
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PCB 板 EMC/EMI 的设计技巧
EMI的产生及抑制原理详析
&数字电路PCB的 EMI控制技术详析
EMI的其它控制手段详析
EMI分析与测试详析
解决方案：
叠层设计、合理布局、布线
电源系统设计、接地、串接阻尼电阻、 屏蔽、扩频
随着IC 器件集成度的提高、设备的逐步小型化和器件的速度愈来愈高，电子产品中的EMI问题也更加严重。从系统设备EMC /EMI设计的观点来看，在设备的PCB设计阶段处理好EMC/EMI问题，是使系统设备达到电磁兼容标准最有效、成本最低的手段。本文介绍数字电路PCB设计中的EMI控制技术。
1 EMI的产生及抑制原理
EMI的产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的。它包括经由导线或公共地线的传导、通过空间辐射或通过近场耦合三种基本形式。EMI的危害表现为降低传输信号质量，对电路或设备造成干扰甚至破坏，使设备不能满足电磁兼容标准所规定的技术指标要求。
为抑制EMI，数字电路的EMI设计应按下列原则进行：
& *& 根据相关 EMC/EMI技术规范，将指标分解到单板电路，分级控制。
& *& 从EMI的三要素即干扰源、能量耦合途径和敏感系统这三个方面来控制，使电路有平坦的频响，保证电路正常、稳定工作。
& *& 从设备前端设计入手，关注EMC/EMI设计，降低设计成本。
2 数字电路PCB的 EMI控制技术
在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI控制。
2.1 器件选型
在进行EMI设计时，首先要考虑选用器件的速率。任何电路，如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件，EMI会提高约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI频率（fknee）也称为 EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：fknee =0.35/Tr （其中Tr为器件的信号上升时间）
这种辐射型 EMI的频率范围为30MHz到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时，电路容易丧失正常的功能。因此，在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下，应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI辐射的重要因素。一般地，贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA 封装的寄生参数小于QFP 封装。
2.2 连接器的选择与信号端子定义
连接器是高速信号传输的关键环节，也是易产生EMI的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针，减小信号与地的间距，减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积，提供低阻抗 回流通路。必要时，要考虑将一些关键信号用地针隔离。
2.3 叠层设计
在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。
根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是：
& *& 模拟信号易受数字信号的干扰，模拟电路应与数字电路隔开；
& *& 时钟线是主要的干扰和辐射源，要远离敏感电路，并使时钟走线最短；
& *& 大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响；
& *& 连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路；
& *& 输入/输出电路靠近相应连接器，去耦电容靠近相应电源管脚；
& *& 充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI的影响；
& *& 回流平面（路径）不分割。
& *& 阻抗控制：高速信号线会呈现传输线的特性，需要进行阻抗控制，以避免信号的反射、过冲和振铃，降低EMI辐射。
& *& 将信号进行分类，按照不同信号（模拟信号、时钟信号、I/O信号、总线、电源等）的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源与敏感系统尽可能分离，减小耦合。
& *& 严格控制时钟信号（特别是高速时钟信号）的走线长度、过孔数、跨分割区、端接、布线层、回流路径等。
& *& 信号环路，即信号流出至信号流入形成的回路，是PCB设计中EMI控制的关键，在布线时必须加以控制。要了解每一关键信号的流向，对于关键信号要靠近回流路径布线，确保其环路面积最小。
对低频信号，要使电流流经电阻最小的路径；对高频信号，要使高频电流流经电感最小的路径，而非电阻最小的路径（见图1）。对于差模辐射，EMI辐射强度（E）正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方。（其中I是电流、A是环路面积、f是频率、r是到环路中心的距离，k为常数。）
因此当最小电感回流路径恰好在信号导线下面时，可以减小电流环路面积，从而减少EMI辐射能量。
& *& 关键信号不得跨越分割区域。
& *& 高速差分信号走线尽可能采用紧耦合方式。
& *& 确保带状线、微带线及其参考平面符合要求。
& *& 去耦电容的引出线应短而宽。
& *& 所有信号走线应尽量远离板边缘。
& *& 对于多点连接网络，选择合适的拓扑结构，以减小信 号反射，降低EMI辐射。
经过反复的比较和遴选，《今日电子》和21ic中国电子网举办的2013年度产品奖正式揭晓…
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