电磁兼容整改小技巧

电磁兼容设计通常要运用各项控制技术，一般来说，越接近EMI源，实现EM控制所需的成本就越小。PCB上的集成电路芯片是EMI最主要的能量来源，因此，如果能够深入了解集成电路芯片的内部特征，可以简化PCB和系统级设计中的EMI控制。

在考虑EMI控制时，设计工程师及PCB板级设计工程师首先应该考虑IC芯片的选择。集成电路的某些特征如封装类型、偏置电压和芯片的：工艺技术(例如CMoS、ECI、刀1)等都对电磁干：扰有很大的影响。下面将着重探讨IC对EMI控制的影响。

1．集成电路EMl来源

PCB中集成电路EMI的来源主要有：数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑高之间转换过程中，输出端产生的方波信号频率导致的EMl

2 信号电压和信号电流电场和磁场芯片自身的电容和电感等。集成电路芯片输出端产生的方波中包含频率范围宽广的正弦谐波分量，这些正弦谐波分量构成工程师所关心的EMI频率成分。最高EMI频率也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间(而不是信号频率)的函数。

计算EMI发射带宽的公式为：f＝0．35／Tr

式中，厂是频率，单位是GHz；7r是信号上升时间或者下降时间，单位为ns。

从、L：述么：式中可以看出，如果电路的开关频率为50MHz，而采用的集成电路芯片的上升时间是1ns，那么该电路的最高EMI发射频率将达到350MHz，远远大于该电路的开关频率。而如果汇的—上升时间为5肋Fs，那么该电路的最高EMI发射频率将高达700MHz。

电路中的每一个电压值都对应一定的电流，同样每一个电流都存在对应的电压。当IC的输出在逻辑高到逻辑低或者逻辑低到逻辑高之间变换时，这些信号电压和信号电流就会产生电场和磁场，而这些电场和磁场的最高频率就是发射带宽。电场和磁场的强度以及对外辐射的百分比，不仅是信号上升时间的函数，同时也取决于对信号源到负载点之间信号通道上电容和电感的控制的好坏，因此，信号源位于PCB板的汇内部，而负载位于其他的IC内部，这些IC可能在PCB上，也可能不在该PCB上。为了有效地控制EMI，不仅需要关注汇；芭片自身的电容和电感，同样需要重视PCB上存在的电容和电感。

当信号电压与信号回路之间的锅合不紧密时，电路的电容就会减小，因而对电场的抑制作用就会减弱，从而使EMI增大；电路中的电流也存在同样的情况，如果电流同返回路径之间锅合不；佳，势必加大回路上的电感，从而增强了磁场，最终导致EMI增加。这充分说明，对电场控制不佳通常也会导致磁场抑制不佳。用来控制电路板中电磁场的措施与用来抑制IC封装中电磁场的措施大体相似。正如同PCB设计的情况，IC封装设计将极大地影响EMI。

电路中相当一部分电磁辐射是由电源总线中的电压瞬变造成的。当汇的输出级发：跳变并驱动相连的PCB线为逻辑“高”时，汇芯片将从电源中吸纳电流，提供输出级月需的能量。对于IC不断转换所产生的超高频电流而言，电源总线姑子PCB上的去辊网络止于汇的输出级。如果输出级的信号上升时间为1．0ns，那么IC要在1．0ns这么短的时P内从电源上吸纳足够的电流来驱动PCB上的传输线。电源总线上电压的瞬变取决于电源j线路径上的申。感、吸纳的电流以及电流的传输时间。电压的瞬变由下面的公式所定义：

式中，L是电流传输路径上电感的值；dj表示信号上升时间间隔内电流的变化；dz表示d流的传输时间(信号的上升时间)的变化。

由于IC管脚以及内部电路都是电源总线的一部分，而且吸纳电流和输出信号的上于时间也在一定程度上取决于汇的工艺技术，因此选择合适的汇就可以在很大程度上控伟上述公式中提到的三个要素。

封装特征在电磁干扰控制中的作用

IC封装通常包括硅基芯片、一个小型的内部PCB以及焊盘。硅基芯片安装在小型64PCB上，通过绑定线实现硅基芯片与焊盘之间的连接，在某些封装中也可以实现直接连接小型PCB实现硅基芯片上的信号和电源与汇封装上的对应管脚之间的连接，这样就实到了硅基芯片上信号和电源节点的对外延伸。因此，该汇的电源和信号的传输路径包括馅基芯片、与小型PCB之间的连线、PCB走线以及汇封装的输入和输出管脚。对电容和宅感(对应于电场和磁场)控制的好坏在很大程度上取决于整个传输路径设计的好坏，某些设计特征将直接影响整个IC芯片封装的电容和电感。

先看硅基芯片与内部小电路板之间的连接方式。许多的汇芯片都采用绑定线来实颈硅基芯片与内部小电路板之间的连接，这是一种在硅基芯片与内部小电路板之间的极细6t电线。这种技术之所以应用广泛是因为硅基芯片和内部小电路板的热胀系数(CU)相近‘芯片本身是一种硅基器件，其热胀系数与典型的PCB材料(如环氧树脂)的热胀系数有相大的差别。如：果硅基芯片的电气连接点直接安装在内部小PCB上的话，那么在一段相对较短的时间之后，IC封装内部温度的变化导致热胀冷缩，这种方式的连接就会因为断裂而失效。绑定线是一种适应这种特殊环境的引线方式，它可以承受较大负荷的弯曲变形而不容易断裂。

采用绑定线的问题在于，每一个信号或者电源线的电流环路面积的增加将导致电感值升高。获得较低电感值的优良设计就是实现硅基芯片与内部PCB之间的直接连接，也就是说硅基芯片的连接点直接联结在PCB的焊盘上。这就要求选择使用一种特殊的PCB板基材料，这种材料应该具有极低的热膨胀系数。而选择这种材料将导致汇芯片整体成本的增加，因而采用这种工艺技术的芯片并不常见，但是只要这种将硅基芯片与载体PCB直接连接的IC存在：并且在设计方案中可行，那么采用这样的IC器件就是较好的选择。

一般来说，在汇封装设计中，降低电感并且增大信号与对应回路之间或者电源与地之间电容是选择集成电路芯片过程的首要考虑因素。举例来说，小间距的表面贴装与大间距的表面贴装：工艺相比，应该优先考虑选择采用小间距的表面贴装工艺封装的汇芯片，而这两种类型的表面贴装工艺封装的IC芯片都优于过孔引线类型的封装。BGA封装的汇芯片同任何常用的封装类型相比具有最低的引线电感。从电容和电感控制的角度来看，小型的封装和更细的间距通常总是代表性能的提高。

引线结构设计的一个重要特征是管脚的分配。由于电感和电容值的大小都取决于信号或者是电源与返回路径之间的接近程度，因此要考虑足够多的返回路径。

电源管脚和地管脚应该成对分配，每一个电源管脚都应该有对应的地管脚相邻分布，而且在这种引线结构中应该分配多个电源管脚和地管脚对。这两方面的特征都将极大地降低电源和地之间的环路电感，有助于减少电源总线上的电压瞬变，从而降低EAdI。由于习惯上的原因，现在市场上的许多汇芯片并没有完全遵循上述设计规则，但IC设计和生产厂商都深刻理解这种设计方法的优点，因而在新的IC芯片设计和发布时IC厂商更关注电源的连接。

理想情况下，需要为每一个信号管脚都分配一个相邻的信号返回管脚(如地管脚)。实际情况并非如此，众多的IC厂商是采用其他折中方法。在BGA封装中，一种行之有效的设计方法是在每组八个信号管脚的中心设置一个信号的返回管脚，在这种管脚排列方式下，每一个信号与信号返回路径之间仅相差一个管脚的距离。而对于四方扁平封装(QFP)或者其他鸥翼(gullw切g)型封装形式的IC来说，在信号组的中心放置一个信号的返回路径是不现实的，即便这样也必须保证每隔4到6个管脚就放置一个信号返回管脚。需要注意的是，不同的汇工艺技术可能采用不同的信号返回电压。有的IC使用地管脚(如TIL器件)作为信号的返回路径，而有的IC则使用电源管脚(如绝大多数的ECI‘器件)作为信号的返回路径，也有的IC同时使用电源管脚和地管脚(比如大多数的CMoS器件)作为信号的返回路径。因此设计工程师必须熟悉设计中使用的IC芯片逻辑系列，了解它们的相关工作情况。

IC芯片中电源和地管脚的合理分布不仅能够降低EMI，而且可以极大地改善地弹反射(ground boltnce)效果。当驱动传输线的器件试图将传输线下拉到逻辑低时，地弹反射却仍然维持该传输线在逻辑低闭值电平之上，地弹反射可能导致电路的失效或者出现故障。

IC封装中另一个需要关注的重要问题是芯片内部的PCB设计，内部PCB通常也是IC封装中最大的组成部分，在内部PCB设计时如果能够实现电容和电感的严格控制，将极大地改善系统的整体EMI性能。如果这是一个两层的PCB板，至少要求PCB板的一面为连续的地平面层，PCB板的另一面是电源和信号的布线层。更理想的情况是四层的PCB板，中间的两层分别是电源和地平面层，外面的两层作为信号的布线层。由于汇封装内部的PCB通常都非常薄，四层板结构的设计将引出两个高电容、低电感的布线层，它特别适合于电源分配以及需要严格控制的进出该封装的输入输出信号。低阻抗的平面层可以极大地降低电源总线亡的电压瞬变，从而极大地改善EMI性能。这种受控的信号线不仅有利于降低EMI，同样对于确保进出汇的信号的完整性也起到重要的作用。

电磁兼容整改小技巧:

1）差模干扰与共模干扰

**1.1差模干扰：**存在于L-N线之间，电流从L进入，流过整流二极管正极，再流经负载，通过热地，到整流二极管，再回到N，在这条通路上，有高速开关的大功率器件，有反向恢复时间极短的二极管，这些器件产生的高频干扰，都会从整条回路流过，从而被接收机检测到，导致传导超标。

**1.2共模干扰：**共模干扰是因为大地与设备电缆之间存在寄生电容,高频干扰噪声会通过该寄生电容，在大地与电缆之间产生共模电流，从而导致共模干扰。

下图为差模干扰引起的传导FALL数据，该测试数据前端超标，为差模干扰引起：

下图为开关电源EMI原理部分：

图中CX2001为安规薄膜电容（当电容被击穿或损坏时，表现为开路）其跨在L线与N线之间，当L-N之间的电流，流经负载时，会将高频杂波带到回路当中。此时X电容的作用就是在负载与X电容之间形成一条回路，使的高频分流，在该回路中消耗掉，而不会进入市电，即通过电容的短路交流电让干扰有回路不串到外部。

对差模干扰的整改对策：

1. 增大X电容容值

2. 增大共模电感感量，利用其漏感，抑制差模噪声（因为共模电感几种绕线方式，双线并绕或双线分开绕制，不管哪种绕法，由于绕制不紧密，线长等的差异，肯定会出现漏磁现象，即一边线圈产生的磁力线不能完全通过另一线圈，这使得L-N线之间有感应电动势，相当于在L-N之间串联了一个电感）

下图为共模干扰测试FALL数据：

电源线缆与大地之间的寄生电容，使得共模干扰有了回路，干扰噪声通过该电容，流向大地，在LISN-线缆-寄生电容-地之间形成共模干扰电流，从而被接收机检测到，导致传导超标（这也可以解释为什么有的主板传导测试时，不接地通过，一夹地线就超标。USB模式下不接地时，电流回路只能通过L-二极管-负载-热地-二极管-N,共模电流不能回到LISN，LISN检测到的噪声较小，而当主板的冷地与大地直接相连时，线缆与大地之间有了回路，此时若共模噪声未被前端LC滤波电路吸收的话，就会导致传导超标）

对共模干扰的整改对策：

1. 加大共模电感感量

2. 调整L-GND，N-GND上的LC滤波器，滤掉共模噪声

3. 主板尽可能接地，减小对地阻抗，从而减小线缆与大地的寄生电容。

2）产品电磁兼容骚扰源有：

1、设备开关电源的开关回路：骚扰源主频几十kHz到百余kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。

2、设备直流电源的整流回路：工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz；开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。

3、电动设备直流电机的电刷噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。

4、电动设备交流电机的运行噪声：高次谐波可延伸到数十MHz。

5、变频调速电路的骚扰发射：开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。

6、设备运行状态切换的开关噪声：由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。

7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰：骚扰源主频几十kHz到几十MHz，高次谐波可延伸到数百MHz。

8、微波设备的微波泄漏：骚扰源主频数GHz。

9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射：骚扰源主频几十kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。

10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波：骚扰源主频数十MHz到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。

11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路：骚扰源主频数十MHz到数百MHz（经内部倍频主频可达数GHz），高次谐波可延伸到十几GHz。