電磁兼容EMC基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)技巧
雖然經(jīng)常用作同義詞，但電磁兼容性（EMC）實(shí)際上是輻射和傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）的控制; 而糟糕的EMC是PCB重新設(shè)計(jì)的主要原因之一。實(shí)際上，估計(jì)有50％的首次運(yùn)行的電路板發(fā)生故障，因?yàn)樗鼈円窗l(fā)出不需要的EM和/或?qū)λ舾?。這很可能是因?yàn)槟承┬袠I(yè)（例如醫(yī)療和航空航天）的嚴(yán)格法規(guī)，或者因?yàn)檎陂_發(fā)的產(chǎn)品要加入歷史上一直考慮EMC設(shè)計(jì)的產(chǎn)品線。例如，移動(dòng)電話開發(fā)人員生活和呼吸無(wú)線連接，并且精通小化不必要輻射的風(fēng)險(xiǎn)。
EMC問(wèn)題嚴(yán)重的是那些用于白色家電的PCB的設(shè)計(jì)者 - 例如烤面包機(jī)，冰箱和洗衣機(jī) - 它們加入了與物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線連接的眾多互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，由于涉及的產(chǎn)品產(chǎn)量大，重新設(shè)計(jì)PCB可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)布延遲。更糟糕的是，產(chǎn)品召回可能會(huì)對(duì)公司的聲譽(yù)和財(cái)務(wù)造成嚴(yán)重?fù)p害。
所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就綜合考慮周全EMC問(wèn)題，會(huì)給您的產(chǎn)品設(shè)計(jì)節(jié)省很多費(fèi)用！
噪音來(lái)自哪里？
考慮到EMC的設(shè)計(jì)并不缺乏指導(dǎo)，許多公司都有自己的內(nèi)部PCB設(shè)計(jì)和EMC規(guī)則，指導(dǎo)也可以來(lái)自外部來(lái)源，例如立法機(jī)構(gòu)，IC供應(yīng)商和客戶。但是，以面值接受所有指南可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度防御的EMC策略，并導(dǎo)致項(xiàng)目延遲。應(yīng)單獨(dú)評(píng)估規(guī)則以確定它們是否適用于當(dāng)前設(shè)計(jì)。
也就是說(shuō)，自己具備一點(diǎn)EMC設(shè)計(jì)基本常識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有很大班助，例如，為了抑制PCB上的噪聲源，您應(yīng)該：
1.保持時(shí)鐘頻率盡可能低，上升邊緣盡可能慢(在需求規(guī)格范圍內(nèi));
2.將時(shí)鐘電路放置在電路板中央，除非時(shí)鐘必須離開電路板(在這種情況下，時(shí)鐘必須靠近相關(guān)連接器);
3.安裝時(shí)鐘晶體與面板齊平并研磨;
4.保持時(shí)鐘循環(huán)區(qū)域盡可能小;
5.將I/O驅(qū)動(dòng)器定位在信號(hào)進(jìn)入/離開板的點(diǎn)附近;和
6.過(guò)濾所有進(jìn)入板的信號(hào)。
雖然上述措施將有助于緩解一些常見的EMI問(wèn)題，但每個(gè)有源PCB仍將輻射EM能量。這是因?yàn)槊總€(gè)電流都產(chǎn)生磁場(chǎng)，每次充電都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)?？傒椛鋵⑹切盘?hào)環(huán)路差模輻射，共模輻射（電壓和電流驅(qū)動(dòng)）和配電系統(tǒng)（PDS）產(chǎn)生的輻射之和。
你應(yīng)該更詳細(xì)地研究這些：
1、差模輻射是由傳輸線環(huán)路引起的，信號(hào)產(chǎn)生的是差分電流（見圖1）。對(duì)策包括使用屏蔽層（Vcc或接地），在內(nèi)層放置關(guān)鍵信號(hào)（也稱為條帶線），避免信號(hào)的長(zhǎng)并行運(yùn)行，如上所述，小化環(huán)路面積并保持信號(hào)上升和下降時(shí)間與可能。
圖1：差模輻射
2、共模輻射通常是更為關(guān)鍵的EMC設(shè)計(jì)方面，因?yàn)镋MI在遠(yuǎn)場(chǎng)中更“可見”。它由寄生電流（例如，通過(guò)磁通耦合的開關(guān)電流或感應(yīng)電流）或寄生電壓（例如到有源IO信號(hào)的串?dāng)_電壓）產(chǎn)生。對(duì)策包括去除那些寄生電流和電壓的來(lái)源 - 從而避免快速切換信號(hào)之間的串?dāng)_ - 以及更智能的元件布局和布線，以避免磁通耦合和包裹效應(yīng)。
圖2：共模輻射
3、對(duì)于PDS，它可以輻射，因?yàn)镻CB本質(zhì)上是一個(gè)LCR諧振器，包括電感元件（軌道），電容（接地和電壓平面就像電容器的極板）和電阻。PDS EMI的對(duì)策包括降低電路板阻抗，避免電感并確保足夠的去耦。
此外，IC也是EMI的來(lái)源，并將有助于PCB的EM配置文件。在IC選擇期間必須考慮到這一點(diǎn)，芯片供應(yīng)商應(yīng)該能夠?yàn)槟峁┯嘘P(guān)電路EMI行為的信息。
規(guī)則檢查器和模擬
許多PCB設(shè)計(jì)工具包括EMC規(guī)則檢查器，檢查包括查看可能發(fā)生信號(hào)串?dāng)_的實(shí)例的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幾何（由于并行路由的跡線），很少或沒有屏蔽的情況，以及可能需要去耦的情況。
這些規(guī)則將包含許多EMC工程師的“技術(shù)訣竅”。但是，了解它們的起源以及CAD工具供應(yīng)商如何實(shí)現(xiàn)它們非常重要; 并且您有權(quán)要求查看供應(yīng)商的規(guī)則書。這些工具還應(yīng)該可以突出顯示EMI抑制和EMC完整性至關(guān)重要的PCB區(qū)域 - 您可以告訴工具您的優(yōu)先級(jí)。
但是，我們不要忘記，這些都是布局后檢查。好以EMI和EMC為設(shè)計(jì)理念，而不是進(jìn)行試錯(cuò)練習(xí)。此外，如果有任何可能的EM輻射水平，您將收到很少的指導(dǎo)。
要進(jìn)行更高級(jí)的分析，需要進(jìn)行模擬，與EMC設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器一樣，結(jié)果的意義和價(jià)值將取決于電路板的數(shù)字表示及其行為的呈現(xiàn)程度，當(dāng)然還有各種EM方程作為軟件算法實(shí)現(xiàn)的程度。同樣，工具供應(yīng)商應(yīng)該能夠提供信息。您還應(yīng)該采取一些有代表性的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證模擬方法，并編制指標(biāo)作為解釋未來(lái)結(jié)果的基礎(chǔ)。
市場(chǎng)上有許多數(shù)字3D EM仿真工具，其中一些專用于天線設(shè)計(jì)等特定活動(dòng)，它們非常適合假設(shè)研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。他們可以為給定結(jié)構(gòu)建模所有EMI效應(yīng)，但它們確實(shí)需要相當(dāng)大的計(jì)算能力（內(nèi)存和CPU時(shí)間），并且往往會(huì)花費(fèi)很多。此外，需要深入了解EMI以理解結(jié)果，因?yàn)橛袝r(shí)難以單獨(dú)使用3D EM結(jié)果來(lái)解釋特定輻射峰值的原因。
但是，對(duì)于白色家電中使用的PCB類型，我們并不尋求優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)或產(chǎn)生特定的射頻曲線; 我們只是希望驗(yàn)證電路板設(shè)計(jì)是否具有良好的EMC - 并且具有良好EMC規(guī)則檢查器的PCB設(shè)計(jì)CAD工具就足夠了。
如何設(shè)計(jì)電磁干擾EMI？
盡管EMC沒有靈丹妙藥，但良好的設(shè)計(jì)工作應(yīng)包括識(shí)別寄生EMI天線，如電偶極子。此外，識(shí)別當(dāng)前路徑，因?yàn)殡娏髟谘h(huán)中流動(dòng)并始終尋找阻力小的路徑。因此，計(jì)劃適當(dāng)?shù)姆祷芈窂剑ㄗ⒁?地面'不是EMC工程中可接受的技術(shù)術(shù)語(yǔ)）并避免交叉分裂/間隙（即使是差分對(duì)）和返回路徑不連續(xù)（見圖3）。
圖3：在頂部圖中，參考層從地平面變?yōu)殡妷浩矫?，用于部分跡線。這產(chǎn)生了EMI天線。保持相同的參考平面，如下圖所示，避免/減少返回路徑的不連續(xù)性。
總而言之，好以EMC為設(shè)計(jì)目標(biāo)，而不是冒險(xiǎn)重新設(shè)計(jì)電路板，但您必須清楚地了解哪些EMC規(guī)則適用于您的項(xiàng)目。此外，在PCB設(shè)計(jì)CAD工具中嵌入EMC分析功能可以在制造電路板后大大降低EMC合規(guī)性失敗的風(fēng)險(xiǎn); 但請(qǐng)確保該工具的規(guī)則檢查程序基于經(jīng)過(guò)充分記錄和驗(yàn)證的EMC原則和解釋。除非a）您信任模擬器并且b）您對(duì)結(jié)果的感受有所了解，否則永遠(yuǎn)不要模擬。
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