简述电磁兼容设计的常用方法1

人们在研发新产品时，往往急于实现产品的功能，于是沿用低频、低速时的经验，满足于利用软件将单片机、芯片和元器件连接起来，就希望实现产品功能、效能和性能，结果事与愿违，不仅只是在低水平徘徊，而且延误了宝贵的时间。

其实，随着集成电路时钟速率的提高，上升、下降沿速率加快，电源电压降低以及产品复杂性和密集度的提高、设计周期的不断缩短，沿用低频、低速时的经验已完全不能实现产品的功能、效能和性能。如果在产品设计的后期重新设计，则成本很高。如果延误日期，损失就更大。

因此，“第一时间推出产品”的设计目标，是生死攸关的竞争需要。要在第一时间实现产品规定功能、使产品效能得以充分发挥，并达到最高性能，就必须做好EMC设计。为了以最低的成本解决EMC问题，就必须在功能设计的同时，进行EMC设计，并选用正确的方法。

现在，产品设计的重点已从功能设计和逻辑设计，转移到EMC设计上来了。

进行电磁兼容设计的正确方法，应做到：标本兼治，重在治本。就是从治理电磁兼容问题的源头出发，按重要性为先后，分为若干层次进行设计，并加以综合分析，进行适当调整，直到完善：

并且在每一层进行接地、屏蔽和滤波的综合设计和软件抗骚扰设计。这就称为“电磁兼容分层与综合设计法”。可以做到电磁兼容试验一次成功。

“电磁兼容分层与综合设计法” 是本文作者在2000年5月“全国电磁兼容标准与质量认证研讨会”上，首次提出，至今已十余年。在全国推广十余年以来， 一批企业先后走出”测试修改法”导致电磁兼容试验失败的“怪圈”，做到在产品设计之初，就主动进行电磁兼容设计。而且，电磁兼容设计的投入仅需1％ （国内一般为5%至10%）。既降低了成本，又缩短了研发时间。同时，也使“电磁兼容分层与综合设计法”更加充实与完善，得到了全国许多企业和单位的认可。

第一层 有源器件的选型和印刷电路板设计

在电磁兼容问题的源头，根本上解决EMC问题，必须首先做好芯片的选型和印刷电路板设计。

一．有源器件的敏感度特性与发射特性

1. 电磁敏感度特性

模拟器件带内敏感度特性取决于灵敏度和带宽；带外敏感度特性用带外抑制特性表示。

逻辑器件带内敏感度特性取决于噪声容限或噪声抗扰度，带外敏感度特性也是用带外抑制特性表示。

2.电磁发射特性

逻辑器件是一种骚扰发射较强的最常见的宽带骚扰源。时钟波形的上升时间tr 越短，对应逻辑脉冲所占带宽越宽

BW=1/ptr

此带宽也是最高频率分量。实际辐射频率范围可能达到BW的十倍以上。通过器件手册可以查出tr的典型值。

人们普遍认为：在PCB设计中，需要考虑的关键问题是时钟频率，其实，时钟波形的上升时间tr才是最关键的因素。上升时间tr定义为从波形的10%处上升到90%处所需要的时间。如果在互连线的一端输入方波，要求在另一端也得到方波，则该互连线不仅必须能传输方波的基波，还必须能传输全部高次谐波，至少为15次谐波。这就是说，PCB的时钟频率并不重要，上升时间tr和需要重新产生的谐波才是最重要的。描述这个要求的词语就是带宽BW，也即最高频率分量。

3. △I 噪声电流、瞬态负载电流IL的产生和危害

当数字集成电路在加电工作时，它内部的门电路将会发生 “0”和“1”的变换，即开关状态。在变换的过程中，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，会有瞬间变化电流-浪涌电流di/dt从所接电源流入门电路，或从门电路流入地线，这个变化电流就是△I噪声的初始源，称△I噪声电流。如图1所示。

图1 △I噪声电流

设驱动线对地电容与驱动门输入电容之和为负载电容 Cs，平时被充电，其值为电源电压。驱动门由高电位翻转为低电位时Cs放电，放电电流称为瞬态负载电流：

IL = Cs×dv/dt

瞬态负载电流IL与△I噪声电流复合后，会产生更强的电磁骚扰发射。是阻碍实现产品规定功能、使产品效能得不到充分发挥的主要原因。由于PCB上，信号线、电源线和地线等都存在一定的引线电感L，瞬态负载电流IL与△I噪声电流复合后产生的瞬间变化电流di/dt，将通过引线电感L的感抗引起尖峰电压

V= - Ldi/dt

即△I噪声电压，称为同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise SSN），如图2所示，会引发地电位和电源电压的波动（Ground/Power Bounce），产生电磁骚扰发射。所以，引线电感L是产生传导骚扰和辐射骚扰的根源之一。

图2 尖峰电压

电磁骚扰发射的另一根源为等效电压源的源阻抗，也即电源分配系统输入阻抗Z，系统要求尖峰电压应在正常电源电压的±2.5%至±5%以内。等效于源阻抗Z要足够低

V= Z×ΔI

不论ΔI如何变化，都可保持V变化很小。这可通过安装去耦电容达到。

理想电源的源阻抗Z为零，电源平面上任何一点电位保持恒定。

4.掌握IC设计和封装特性抑制EMI

IC封装也是产生电磁骚扰的原因之一。IC封装包括芯片，内部PCB以及焊盘。直接影响IC封装的电容和电感。

芯片是作为系统的一部分而存在的，硅芯片必须采用某种封装，然后焊接到PCB板上。这一互连链，即芯片通过封装连接到PCB板上，本身就是一个复杂系统。

应将芯片设计、封装和印刷电路板作为一个系统来考虑。以保证最后组装和加电后能得到所期望的结果。最好的方法是，对所有这些进行并行设计、分析和验证。

封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放，固定，密封，保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其它器件建立连接。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好，引线电感越小。封装技术已经历了好几代的变迁：

1）通孔插入式封装（Through-hole Package）

DIP（Dual In-line Package） 双列直插式封装：上世纪 70年代的封装，最大引脚数64条。其芯片面积/封装面积为1:8.6，离1相差很远，说明封装效率很低，引线很长，引线电感很大；

PGA（Pin Grid Array）针栅阵列式封装，引脚中心距为2.54mm，引脚数为64-447。表面安装式PGA引脚中心距为1.27mm，引脚数为250-528，引线电感很大；

2）表面安装式封装（Surface Mounted Package ）

上世纪80年代出现了芯片载体封装，有陶瓷无引线芯片载体封装LCCC，塑料有引线芯片载体封装PLCC，小尺寸封装SOP（Small Outline Package），塑料四边引出扁平封装PQFP。芯片面积/封装面积为1:7.8，引线电感仍很大；

3）BGA封装与CSP封装

上世纪90年代随着集成技术的进步和深亚微米技术的使用，LSI，VLSI，ULSI相继出现，芯片集成度不断提高，对封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装简称BGA（Ball Grid Array Package）。成为CPU南北桥等VLSI芯片的高密度，高性能，多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。芯片面积/封装面积为1:4，引线电感有所减小；1994年9月诞生了一种新的封装形式命名为芯片尺封装，CSP（Chip Size Package或ChipScale Package），芯片面积/封装面积为1:1.1。也就是说，单个芯片有多大，封装尺寸就有多大，引线电感大大减小；

４）裸芯片组装

随着组装密度和IC的集成度的不断提高，为适应这种趋势，IC的裸芯片组装形式应运而生，并得到广泛应用。它是从已完工的晶圆（Water）上切下的芯片，不按传统之 IC 先行封装成体，而将芯片直接组装在电路板上，谓之 Bare Chip Assembly。早期的 COB （Chip on Board）做法就是裸芯片的具体使用，不过 COB 是将芯片的背面黏贴在板子上，再行引线及胶封。而新一代的 Bare Chip 却连引线也省掉，是以芯片正面的各电极点，直接反扣熔焊在板面各配合点上（ Flip Chip）。或以芯片的凸块扣接在载带自动键合（TAB）的内脚上，再以其外脚连接在 PCB 上。此二种新式组装法皆称为 裸芯片组装，寄生 C，L小。并且可节省整体成本约 30% 左右；

5）载带自动键合（TAB）：多接脚大型芯片组装：裸芯片贴装技术之一

载带基材为聚酰亚胺薄膜，表面覆盖上铜箔后，用化学法腐蚀出精细的引线图形。芯片在引出点上镀Au、Cu或Sn/Pn合金，形成高度为20-30mm的凸点电极。组装方法是将芯片粘贴在载带上，将凸点电极与载带的引线连接，然后用树脂封装。它适用于大批量自动化生产。TAB的引线间距可较QFP进一步缩小至0.2mm或更短。

6）系统芯片（SoC）

SoC就是将系统的全部功能模块集成到单一半导体芯片上。将一片SoC与现在的板卡相比，其中可能含有的功能模块有：CPU、RAM、ROM、DSP、无线模块、模拟和数字模块、网络模块、硬核等。

嵌入式片上系统将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系统的电路板变得简洁，减小体积和功耗，提高了可靠性。而且，通过改变内部工作电压，降低芯片功耗；减少芯片对外引脚数，简化制造过程；减少外围驱动接口单元与电路板之间的信号传递，加快数据处理速度；内嵌线路可避免外部电路板在信号传递时所造成的骚扰。

单芯片嵌入式微控制器（MicroController Unit，MCU）俗称单片机，将整个嵌入式微计算机系统集成到一块芯片中，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。

IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标。