EMI/EMC 设计秘籍–电子产品设计工程师必备手册

一 EMC 工程师必须具备的八大技能

EMC 工程师需要具备那些技能?从企业产品需要进行设计、整改认证的过 程看,EMC 工程师必须具备以下八大技能:

• (1)EMC 的基本测试项目以及测试过程掌握;
• (2)产品对应 EMC 的标准掌握;
• (3)产品的 EMC 整改定位思路掌握;
• (4)产品的各种认证流程掌握;
• (5)产品的硬件硬件知识,对电路(主控、接口)了解;
• (6)EMC 设计整改元器件(电容、磁珠、滤波器、电感、瞬态抑制器件等)使用掌握;
• (7)产品结构屏蔽设计技能掌握;
• (8)对 EMC 设计如何介入产品各个研发阶段流程掌握

二 EMC 常用元件介绍

2.1 共模电感

由于 EMC 所面临解决问题大多是共模干扰,因此共模电感也是我们常用的有力元件之 一!这里就给大家简单介绍一下共模电感的原理以及使用情况。
共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件,它由两个尺寸相同,匝数相同的 线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上,形成一个四端器件,要对于共模信号呈现出大 电感具有抑制作用,而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。原理是流过共模电 流时磁环中的磁通相互叠加,从而具有相当大的电感量,对共模电流起到抑制作用,而当两 线圈流过差模电流时,磁环中的磁通相互抵消,几乎没有电感量,所以差模电流可以无衰减 地通过。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差模 信号无影响。
共模电感在制作时应满足以下要求:

• (1)绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘,以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不 发生击穿短路;
• (2)当线圈流过瞬时大电流时,磁芯不要出现饱和;
• (3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘,以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿;
• (4)线圈应尽可能绕制单层,这样做可减小线圈的寄生电容,增强线圈对瞬时过电压的而授能力。

 
通常情况下,同时注意选择所需滤波的频段,共模阻抗越大越好,因此我们在选择共模电感时需要看器件资料,主要根据阻抗频率曲线选择。另外选择时注意考虑差模阻抗对信号 的影响,主要关注差模阻抗,特别注意高速端口。

2.2 磁珠:

在产品数字电路 EMC 设计过程中,我们常常会使用到磁珠,那么磁珠滤波地原理以及 如何使用呢?
铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金,这种材料具有很高的导磁率,他可以是电感的线圈 绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用,因为在 低频时他们主要程电感特性,使得线上的损耗很小。在高频情况下,他们主要呈电抗特性比 并且随频率改变。实际应用中,铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。实际上,铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联,低频下电阻被电感短路,高频下电感阻抗变得相 当高,以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置,高频能量在上面转化为热能,这 是由他的电阻特性决定的。
铁氧体磁珠与普通的电感相比具有更好的高频滤波特性。铁氧体在高频时呈现电阻性, 相当于品质因数很低的电感器,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高高 频滤波效能。 在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时 R 很小,磁芯的磁导率较高,因 此电感量较大,L 起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;并且这时磁芯的损耗较小,整 个器件是一个低损耗、高 Q 特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能 出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。 在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高, 磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小 但是,这时磁芯的损耗增加, 电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热 能的形式耗散掉。
铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体抑制元件,就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰,它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。
使用片式磁珠还是片式电感主要还在于实际应用场合。在谐振电路中需要使用片式电 感。而需要消除不需要的 EMI 噪声时,使用片式磁珠是最佳的选择。 片式磁珠和片式电感 的应用场合: 片式电感: 射频(RF)和无线通讯,信息技术设备,雷达检波器,汽车电 子,蜂窝电话,寻呼机,音频设备,PDAs(个人数字助理),无线遥控系统以及低压供电模 块等。片式磁珠: 时钟发生电路,模拟电路和数字电路之间的滤波,I/O 输入/输出内部连 接器(比如串口,并口,键盘,鼠标,长途电信,本地局域网),射频(RF)电路和易受干 扰的逻辑设备之间,供电电路中滤除高频传导干扰,计算机,打印机,录像机(VCRS), 电视系统和手提电话中的 EMI 噪声抑止。
磁珠的单位是欧姆,因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的 单位也是欧姆。磁珠的 DATASHEET 上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以 100MHz 为标准,比如是在 100MHz 频率的时候磁珠的阻抗相当于 1000 欧姆。针对我们所 要滤波的频段需要选取磁珠阻抗越大越好,通常情况下选取 600 欧姆阻抗以上的。
另外选择磁珠时需要注意磁珠的通流量,一般需要降额 80%处理,用在电源电路时要 考虑直流阻抗对压降影响。

2.3 滤波电容器

尽管从滤除高频噪声的角度看,电容的谐振是不希望的,但是电容的谐振并不是总是有 害的。当要滤除的噪声频率确定时,可以通过调整电容的容量,使谐振点刚好落在骚扰频率上。
在实际工程中,要滤除的电磁噪声频率往往高达数百 MHz,甚至超过 1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声,是因为两个原因,一个原因是电容引线电感造成电容谐振,对高频信号呈现较大的阻抗, 削弱了对高频信号的旁路作用;另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合,降低了滤波效果。
穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声,是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题,而且穿心电容可以直接安装在金属面板上,利用金属面板起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时,要注意的问题是安装问题。穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击,这在将穿心电容往金属面板上焊接。时造成很大困难。许多电容在焊接过程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时,只要有一个损坏,就很难修复,因为在将损坏的电容拆下时，会造成邻近其他电容的损坏。
随着电子设备复杂程度的提高,设备内部强弱电混合安装、数字逻辑电路混合安装的情 况越来越多,电路模块之间的相互骚扰成为严重的问题。解决这种电路模块相互骚扰的方法 之一是用金属隔离舱将不同性质的电路隔离开。但是所有穿过隔离舱的导线要通过穿心电 容,否则会造成隔离失效。当不同电路模块之间有大量的联线时,在隔离舱上安装大量的穿 心电容是十分困难的事情。为了解决这个问题,国外许多厂商开发了“滤波阵列板”,这是 用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件,使用滤波阵列板能够轻而易举地 解决大量导线穿过金属面板的问题。但是这种滤波阵列板的价格往往较高,每针的价格约 30 元。

三 EMI/EMC 设计经典 85 问

1、 为什么要对产品做电磁兼容设计?
答:满足产品功能要求、减少调试时间,使产品满足电磁兼容标准的要求,使产品不会对系统中的其它设备产生电磁干扰。
2、 对产品做电磁兼容设计可以从哪几个方面进行?
答:电路设计(包括器件选择)、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号 线/电源线滤波、电路的接地方式设计。
3、在电磁兼容领域,为什么总是用分贝(dB)的单位描述?
答:因为要描述的幅度和频率范围都很宽,在图形上用对数坐标更容易表示, 而 dB 就是用对数表示时的单位。
4、关于 EMC,我了解的不多,但是现在电路设计中数据传输的速率越来越快,我在制做 PCB 板的时候,也遇到了一些 PCB 的 EMC 问题,但是觉得太潜。我想好好在这方面学习学习,并不是随大流,大家学什么我就学什么,是自己真的觉得 EMC 在今后的电路设计中的重要性越来越大,就像我在前面说的,自己了解不深,不知道怎么入手,想问问,要在 EMC 方面做的比较出色,需要有哪 些基础知识,应该学习哪些基础课程。如何学习才是一条比较好的道路,我知道 任何一门学问学好都不容易,也不曾想过短期内把他搞通,只是希望给点建议, 尽量少走一些弯路。
答:关于 EMC 需要首先了解一下 EMC 方面的标准,如 EN55022(GB9254), EN55024,以及简单测试原理,另外需要了解 EMI 元器件的使用,如电容,磁 珠,差模电感,共模电感等,在 PCB 层面需要了解 PCB 的布局、层叠结构、高 速布线对 EMC 的影响以及一些规则。还有一点就是对出现 EMC 问题需要掌握 一些分析与解决思路。这些今后是作为一个硬件人员必须掌握的基本知识!
5、我是一个刚涉足 PCB 设计的新手,我想向您请教一下,要想做好 PCB 设计我应该多多掌握哪方面的知识?另外,在 PCB 设计中遇到的关于安规方面 的知识一般在哪里能找到?盼望您的指点,不胜感激!
答:对于 PCB 设计应该掌握:(1)熟悉与掌握相关 PCB 设计软件,如 POWERPCB/CANDENCE 等;(2)了解熟悉所设计产品的具体架构,同时熟悉 原理图电路知识,包含数字与模拟知识;(3)掌握 PCB 加工流程、工艺、可维护加工要求;(4)掌握 PCB 板高速信号完整性、电磁兼容(emi 与 ems)、SI、PI 仿真设计等相关的知识;(5)如果相关工作涉及射频,还需掌握射频知识;(6) 对于 PCB 设计地的按规知识主要看 GB4943 或 UL60950,一般的绝缘间距要求 通过查表可以得到!
6、电磁兼容设计基本原则
答:电子线路设计准则电子线路设计者往往只考虑产品的功能,而没有将功 能和电磁兼容性综合考虑,因此产品在完成其功能的同时,也产生了大量的功能 性骚扰及其它骚扰。而且,不能满足敏感度要求。电子线路的电磁兼容性设计应 从以下几方面考虑:元件选择在大多数情况下,电路的基本元件满足电磁特性的 程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。选择合适的电磁元 件的主要准则包括带外特性和电路装配技术。因为是否能实现电磁兼容性往往是 由远离基频的元件响应特性来决定的。而在许多情况下,电路装配又决定着带外 响应(例如引线长度)和不同电路元件之间互相耦合的程度。
具体规则是:

• (1)在高频时,和引线型电容器相比,应优先进用引线电感小 的穿心电容器或支座电容器来滤波;
• (2)在必须使用引线式电容时,应考虑引线电感对滤波效率的影响;
• (3)铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿, 因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里,应该使用固体电容器;
• (4)使用寄生电 感和电容量小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段;
• (5)大电感寄生电容大, 为了提高低频部分的插损,不要使用单节滤波器,而应该使用若干小电感组成的 多节滤波器;
• (6)使用磁芯电感要注意饱和特性,特别要注意高电平脉冲会降低 磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插损;
• (7)尽量使用屏蔽的继电器并使屏 蔽壳体接地;
• (8)选用有效地屏蔽、隔离的输入变压器;
• (9)用于敏感电路的电 源变压器应该有静电屏蔽,屏蔽壳体和变压器壳体都应接地;
• (10)设备内部的 互连信号线必须使用屏蔽线,以防它们之间的骚扰耦合;
• (11)为使每个屏蔽体 都与各自的插针相连,应选用插针足够多的插头座。

7、方波脉冲驱动电感传感器的问题
答:

• (1)信号测试过程中,尽量在屏蔽环境下进行,如果不便的话,至少要 屏蔽传感器和前级;
• (2)测试过程中尽量使用差分探头,或至少要尽可能减短探 头的接地线长度。这样能减少测试误差;
• (3)你的电路实际工作频率并不太高,可以通过布线减少振铃。为了噪声特性更好,应当考虑共模信号
• 抑制问题,必 要时插入共扼电抗器,同时注意整个工作环境中的开关电源噪声,以及避免电源 耦合;
• (4)如果传感器允许,可以使用电流放大模式,这有利于提高速度,降低 噪声。模拟开关尽量放到前置放大器之后,尽管多了一路前放,但性能提高不少, 而且降低调试难度;
• (5)如果十分介意波形,考虑额外的频率补偿。如果仅仅是 数字检测,则应当降低工作频率。总而言之,能低频则低频,能隔直则隔直;
• (6) 注意 AD 转换前的抗混叠滤波,以及软件滤波,提高数据稳定性。

8、GPS 电磁干扰现象表现:尤其是 GPS 应用在 PMP 这种产品,功能是 MP4、 MP3、FM 调频+GPS 导航功能的手持车载两用的 GPS 终端产品,一定得有一个 内置 GPS Antenna,这样 GPS Antenna 与 GPS 终端产品上的 MCU、SDROM、晶 振等元器件很容易产生 EMI/EMC 电磁干扰,致使 GPS Antenna 的收星能力下降 很多,几乎没办法正常定位。采取什么样的办法可以解决这样的 EMI/EMC 电磁 干扰?
答:可以在上面加上 ESD Filter,既有防静电又能抗电磁干扰。我们的手机 客户带 GPS 功能的就用的这个方法。做这些的厂家有泰克(瑞侃),佳邦,韩国ICT 等等很多。
9、板子上几乎所有的重要信号线都设计成差分线对,目的在增强信号抗干扰能力。那我一直有很多困惑的地方:(1)是否差分信号只定义在仿真信号或数 字信号或都有定义?(2)在实际的线路图中差分线对上的网罗如滤波器,应如 何分析其频率响应,是否还是与分析一般的二端口网罗的方法一样?(3)差分 线对上承载的差分信号如何转换成一般的信号?差分线对上的信号波形是怎样 的,相互之间的关系如何?
答:

• (1)差分信号只是使用两根信号线传输一路信号,依靠信号间电压差进 行判决的电路,既可以是模拟信号,也可以是数字信号。实际的信号都是模拟信 号,数字信号只是模拟信号用门限电平量化后的取样结果。因此差分信号对于数 字和模拟信号都可以定义;
• (2)差分信号的频率响应,这个问题好。实际差分端 口是一个四端口网络,它存在差模和共模两种分析方式。如下图所示。在分析频 率相应的时候,要分别添加同极性的共模扫频源和互为反极性的差模扫频源。而 相应端需要相应设置共模电压测试点 Vcm=(V1+V2)/2,和差模电压测试点Vdm=V1-V2。网络上有很多关于差分信号阻抗计算和原理的文章,可以详细了 解一下;
• (3)差分信号通常进入差分驱动电路,放大后得到差分信号。最简单的 就是差分共射镜像放大器电路了,这个在一般的模拟电路教材都有介绍。下图是 某差分放大器件的 spice 电路图和输出信号波形,一般需要他们完全反相,有足 够的电压差大于差模电压门限。当然信号不可避免有共模成分,所以差分放大器 一个很重要的指标就是共模抑制比 Kcmr=Adm/Acm。

10、我为单位的直流磁钢电机设计了一块调速电路,电源端以用 0.33uf+夏 普电视机电感+0.33uf 后不理想,后用 4 只电感串在 PCB 板电源端,但在 30~50MHz 之间超了 12db,该如何处理?
答:通常来讲,LC 或 PI 型滤波电路比单一的电容滤波或电感滤波效果要好。 您所谓的电源端以用 0.33uf+夏普电视机电感+0.33uf 后不理想不知道是什么意 思?是辐射超标吗?在什么频段?我猜测直流磁钢电机供电回路中,反馈噪声幅 度大,频率较低,需要感值大一点的电感滤波,同时采用多级电容滤波,效果会好一些。
11、最近正想搞个 0–150M,增益不小于 80 DB 的宽带放大器,请问在 EMC方面应该注意什么问题呢?
答 1:宽带放大器设计时特别要注意低噪声问题,比如要电源供给必须足够稳定等。
答 2:
(1)注意输入和数出的阻抗匹配问题,比如共基输入射随输出等;
(2)各级的退偶问题,包括高频和低频纹波等;
(3)深度负反馈,以及防止自激振荡 和环回自激等;
(4)带通滤波气的设计问题。
答 3:实在不好回答,看不到实际的设计,一切建议还是老生常谈:注意 EMC 的三要素,注意传导和辐射路径,注意电源分配和地弹噪声。150MHz 是 模拟信号带宽,数字信号的上升沿多快呢?如果转折频率也在 150MHz 以下,个 人认为,传导耦合,电源平面辐射将是主要考虑的因素,先做好电源的分配,分 割和去耦电路吧。80dB,增益够高的,做好前极小信号及其参考电源和地的隔 离保护,尽量降低这个部分的电源阻抗。
12、求教小功率直流永磁电机设计中 EMC 的方法和事项。生产了一款 90W 的直流永磁电机(110~120V,转速 2000/分钟)EMC 一直超标,生产后先把 16 槽改 24 槽,有做了轴绝缘,未能达标!现在又要设计生产 125W 的电机,如何处理?
答:直流永磁电机设计中 EMC 问题,主要由于电机转动中产生反电动势和换相时引起的打火。具体分析,可以使用 RMxpert 来设计优化电机参数, Maxwell2D 来仿真 EMI 实际辐射。
13、是否可用阻抗边界(Impedance)方式设定?或者用类似的分层阻抗 RLC 阻抗?又或者使用 designer 设计电路和 hfss 协同作业?
答:集中电阻可以用 RLC 边界实现;如果是薄膜电阻,可以用面阻抗或阻 抗编辑实现。
14、我现在在对外壳有一圈金属装饰件的机器做静电测试,测试中遇到:接 触放电 4k 时 32k 晶振没问题,空气放电 8k 停振的问题,如何处理?
答:有金属的话,空气放电和接触放电效果差不多,建议你在金属支架上喷 绝缘漆试试。
15、我们现在测量 PCB 电磁辐射很麻烦,采用的是频谱仪加自制的近场探头,先不说精度的问题,光是遇到大电压的点都很头疼,生怕频谱仪受损。不知能否通过仿真的方法解决。
答:首先,EMI 的测试包括近场探头和远场的辐射测试,任何仿真工具都不 可能替代实际的测试;其次,Ansoft 的 PCB 单板噪声和辐射仿真工具 SIwave 和 任意三维结构的高频结构仿真器 HFSS 分别可以仿真单板和系统的近场和远场 辐射,以及在有限屏蔽环境下的 EMI 辐射。仿真的有效性,取决于你对自己设 计的 EMI 问题的考虑以及相应的软件设置。例如:单板上差模还是共模辐射, 电流源还是电压源辐射等等。就我们的一些实践和经验,绝大多数的 EMI 问题 都可以通过仿真分析解决,而且与实际测试比较,效果非常好。
16、听说 Ansoft 的 EMC 工具一般仿真 1GHz 以上频率的,我们板上频率最 高的时钟线是主芯片到 SDRAM 的只有 133MHz,其余大部分的频率都是 KHz 级别的。我们主要用 Hyperlynx 做的 SI/PI 设计,操作比较简单,但是现在整板 的 EMC 依旧超标,影响画面质量。另外,你们的工具和 Mentor PADS 有接口吗?
答:Ansoft 的工具可以仿真从直流到几十 GHz 以上频率的信号,只是相对 其它工具而言,1GHz 以上的有损传输线模型更加精确。据我所知,HyperLynx 主要是做 SI 和 crosstalk 的仿真,以及一点单根信号线的 EMI 辐射分析,目前还没有 PI 分析的功能。影响单板的 EMC 的原因很多,解决信号完整性和串扰只是 解决 EMC 的其中一方面,电源平面的噪声,去耦策略,屏蔽方式,电流分布路 径等都会影响到 EMC 指标。这些都可以再 ansoft 的 SIwave 工具中,通过仿真 进行考察。补充说明,ansoft 的工具与 Mentor PADS 有接口。
17、请说明一下什么时候用分割底层来减少干扰,什么时候用地层分区来减 少干扰。
答:分割底层,我还没听说过,什么意思?是否能举个例子。地层分割,主 要是为了提高干扰源和被干扰体之间的隔离度,如数模之间的隔离。当然分割也 会带来诸如跨分割等信号完整性问题,利用 ansoft 的 SIwave 可以方便的检查任 意点之间的隔离度。当然提高隔离度,还有其它办法,分层、去耦、单点连接、 都是办法,具体应用的效果可以用软件仿真。
18、电容跨接两个不同的电源铜箔分区用作高频信号的回流路径,众所周知 电容隔直流通交流,频率越高电流越流畅,我的疑惑是现今接入 PCB 中的电平 大都是经过虑除交流的,那么如前所述电容通过的是什么呢?”交流的信号”吗?
答 1:这个问题很有点玄妙,没见过很服人的解释。对于交流,理想的是,电源和地“短路”,然而实际上其间的阻抗不可能真的是 0 欧。你说的电容,容 量不能太大,以体现出“低频一点接地,搞频多点接地”这一原则。这大概就是 该电容的存在价值。经常遇到这样的情况:2 个各自带有电源的部件连接后,产 生了莫名其妙的干扰,用个瓷片电容跨在 2 个电源间,干扰就没了。
答 2:该电容是用来做稳压和 EMI 用的,通过的是交流信号。“现今接入 PCB 中的电平大都是经过虑除交流的”的确如此,不过别忘了,数字电路本身就会产 生交流信号而对电源造成干扰,当大量的开关管同时作用时,对电源造成的波动 是非常大的。不过在实际中,这种电容主要是起到辅助的作用,用来提高系统的 性能,其它地方设计的好的话,完全可以不要。
答 3:交流即是变化的。对于所谓的直流电平,比如电源来说,由于布线存 在阻抗,当他的负载发生变化,对电源的需求就会变化,或大或小。这种情况下, “串联”的布线阻抗就会产生或大或小的压降。于是,直流电源上就有了交流的 信号。这个信号的频率与负责变化的频率有关。电容的作用在于,就近存储一定 的电荷能量,让这种变化所需要的能量可以直接从电容处获得。近似地,电容(这时可以看成电源啦)和负载之间好像就有了一条交流回路。电容起到交流回路的 作用,大致就是这样的吧……
19、公司新做了一款手机,在做 3C 认证时有一项辐射指标没过,频率为 50-60M,超过了 5dB,应该是充电器引起的,就加了几个电容,其它的没有, 电容有 1uF,100uF 的。请问有没有什么好的解决方案(不改充电器只更改手机 电路)。在手机板的充电器的输入端加电容能解决吗?
答 1:电容大的加大,小的改小,串个 BIT,不过是电池导致的可能性不是 很大。
答 2:你将变频电感的外壳进行对地短接和屏蔽试试。
20、PCB 设计如何避免高频干扰?
答:避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰,也就是所谓的串扰(Crosstalk)。可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离,或加 ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。
21、PCB 设计中如何解决高速布线与 EMI 的冲突?
答:因 EMI 所加的电阻电容或 ferrite bead, 不能造成信号的一些电气特性不符合规范。所以,最好先用安排走线和 PCB 叠层的技巧来解决或减少 EMI 的 问题,如高速信号走内层。最后才用电阻电容或 ferrite bead 的方式,以降低对信 号的伤害。
22、若干 PCB 组成系统,各板之间的地线应如何连接?
答:各个 PCB 板子相互连接之间的信号或电源在动作时,例如 A 板子有电 源或信号送到 B 板子,一定会有等量的电流从地层流回到 A 板子(此为 Kirchoff current law)。这地层上的电流会找阻抗最小的地方流回去。所以,在各个不管是 电源或信号相互连接的接口处,分配给地层的管脚数不能太少,以降低阻抗,这 样可以降低地层上的噪声。另外,也可以分析整个电流环路,尤其是电流较大的 部分,调整地层或地线的接法,来控制电流的走法(例如,在某处制造低阻抗, 让大部分的电流从这个地方走),降低对其它较敏感信号的影响。
23、PCB 设计中差分信号线中间可否加地线?
答:差分信号中间一般是不能加地线。因为差分信号的应用原理最重要的一 点便是利用差分信号间相互耦合(coupling)所带来的好处,如 flux cancellation,抗噪声(noise immunity)能力等。若在中间加地线,便会破坏耦合效应。
34、适当选择 PCB 与外壳接地的点的原则是什么?
答:选择 PCB 与外壳接地点选择的原则是利用 chassis ground 提供低阻抗的路径给回流电流(returning current)及控制此回流电流的路径。例如,通常在高频 器件或时钟产生器附近可以借固定用的螺丝将 PCB 的地层与 chassis ground 做连 接,以尽量缩小整个电流回路面积,也就减少电磁辐射。
25、在电路板尺寸固定的情况下,如果设计中需要容纳更多的功能,就往往 需要提高 PCB 的走线密度,但是这样有可能导致走线的相互干扰增强,同时走 线过细也使阻抗无法降低,请介绍在高速(>100MHz)高密度 PCB 设计中的技 巧?
答:在设计高速高密度 PCB 时,串扰(crosstalk interference)确实是要特别注意的,因为它对时序(timing)与信号完整性(signal integrity)有很大的影响。以下提供几个注意的地方:

• (1)控制走线特性阻抗的连续与匹配;
• (2)走线间距的大小。一般常看到的间距为两倍线宽。可以透过仿真来知道走线间距对时序及信号完整性的影响,找出可容忍的最小间距。不同芯片信号的结果可能不同;
• (3)选择适当的端接方式;
• (4)避免上下相邻两层的走线方向相同,甚至有走线正好上下重 迭在一起,因为这种串扰比同层相邻走线的情形还大;
• (5)利用盲埋孔 (blind/buried via)来增加走线面积。但是 PCB 板的制作成本会增加。 在实际执行 时确实很难达到完全平行与等长,不过还是要尽量做到。除此以外,可以预留差 分端接和共模端接,以缓和对时序与信号完整性的影响。

26、PCB 设计中模拟电源处的滤波经常是用 LC 电路。但是为什么有时 LC 比 RC 滤波效果差?
答:LC 与 RC 滤波效果的比较必须考虑所要滤掉的频带与电感值的选择是 否恰当。因为电感的感抗(reactance)大小与电感值和频率有关。如果电源的噪声 频率较低,而电感值又不够大,这时滤波效果可能不如 RC。但是,使用 RC 滤 波要付出的代价是电阻本身会耗能,效率较差,且要注意所选电阻能承受的功率。
27、PCB 设计中滤波时选用电感,电容值的方法是什么?
答:电感值的选用除了考虑所想滤掉的噪声频率外,还要考虑瞬时电流的反 应能力。如果 LC 的输出端会有机会需要瞬间输出大电流,则电感值太大会阻碍此大电流流经此电感的速度,增加纹波噪声(ripple noise)。电容值则和所能容忍 的纹波噪声规范值的大小有关。纹波噪声值要求越小,电容值会较大。而电容的 ESR/ESL 也会有影响。另外,如果这 LC 是放在开关式电源(switching regulation power)的输出端时,还要注意此 LC 所产生的极点零点(pole/zero)对负反馈控制 (negative feedback control)回路稳定度的影响。
28、EMI 的问题和信号完整性的问题,是相互关联的,如何在定义标准的过 程中,平衡两者?
答:信号完整性和 EMC 还处于草案中不便于公开,至信号完整性和 EMI 两者如何平衡,这不是测试规范的事,如果要达到二者平衡,最好是降低通信速 度,但大家都不认可。
29、PCB 设计中如何尽可能的达到 EMC 要求,又不致造成太大的成本压力?
答:PCB 板上会因 EMC 而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了 ferrite bead、choke 等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外,通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过 EMC 的要求。以下仅就PCB 板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应:

• (1)尽可能选用信号斜率(slew rate)较慢的器件,以降低信号所产生的高频成分;
• (2)注意高频器 件摆放的位置,不要太靠近对外的连接器;
• (3)注意高速信号的阻抗匹配,走线 层及其回流电流路径(return current path),以减少高频的反射与辐射;
• (4)在各器 件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别 注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需;
• (5)对外的连接器附近的 地可与地层做适当分割,并将连接器的地就近接到 chassis ground;
• (6)可适当 运用 ground guard/shunt traces 在一些特别高速的信号旁。但要注意 guard/shunt traces 对走线特性阻抗的影响;
• (7)电源层比地层内缩 20H,H 为电源层与地层 之间的距离。

30、PCB 设计中当一块 PCB 板中有多个数/模功能块时,常规做法是要将数 /模地分开,原因何在?
答:将数/模地分开的原因是因为数字电路在高低电位切换时会在电源和地 产生噪声,噪声的大小跟信号的速度及电流大小有关。如果地平面上不分割且由 数字区域电路所产生的噪声较大而模拟区域的电路又非常接近,则即使数模信号不交叉,模拟的信号依然会被地噪声干扰。也就是说数模地不分割的方式只能在 模拟电路区域距产生大噪声的数字电路区域较远时使用。
31、在高速 PCB 设计时,设计者应该从那些方面去考虑 EMC、EMI 的规则 呢?
答:一般 EMI/EMC 设计时需要同时考虑辐射(radiated)与传导(conducted)两个方面。前者归属于频率较高的部(>30MHz)后者则是较低频的部分(<30MHz)。所以不能只注意高频而忽略低频的部分。一个好的 EMI/EMC 设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置,PCB 迭层的安排,重要联机的走法,器件的选择等,如果这些没有事前有较佳的安排,事后解决则会事倍功半,增加成本。例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器,高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射,器件所推的信号之斜率(slew rate)尽量小以减低高频成分,选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声。另外,注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小(也就是回路阻抗 loop impedance 尽量小)以减少辐射。还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围。最后,适当的选择 PCB 与外壳的接地点(chassis ground)。
32、PCB 设计时,怎样通过安排迭层来减少 EMI 问题?
答:首先,EMI 要从系统考虑,单凭 PCB 无法解决问题。层叠对 EMI 来讲,我认为主要是提供信号最短回流路径,减小耦合面积,抑制差模干扰。另外地层 与电源层紧耦合,适当比电源层外延,对抑制共模干扰有好处。
33、PCB 设计时,为何要铺铜?
答:一般铺铜有几个方面原因:

• (1)EMC.对于大面积的地或电源铺铜,会 起到屏蔽作用,有些特殊地,如 PGND 起到防护作用;
• (2)PCB 工艺要求。一 般为了保证电镀效果,或者层压不变形,对于布线较少的 PCB 板层铺铜;
• (3) 信号完整性要求,给高频数字信号一个完整的回流路径,并减少直流网络的布线。 当然还有散热,特殊器件安装要求铺铜等等原因。

34、安规问题:FCC、EMC 的具体含义是什么?
答:FCC: federal communication commission 美国通信委员会;EMC: electro megnetic compatibility 电磁兼容。FCC 是个标准组织,EMC 是一个标准。标准颁布都有相应的原因,标准和测试方法。
35、在做 PCB 板的时候,为了减小干扰,地线是否应该构成闭和形式?
答:在做 PCB 板的时候,一般来讲都要减小回路面积,以便减少干扰,布地线的时候,也不 应布成闭合形式,而是布成树枝状较好,还有就是要尽可能 增大地的面积。
36、PCB 设计中,如何避免串扰?
答:变化的信号(例如阶跃信号)沿传输线由 A 到 B 传播,传输线 C-D 上会产生耦合信号,变化的信号一旦结束也就是信号恢复到稳定的直流电平时,耦合信号也就不存在了,因此串扰仅发生在信号跳变的过程当中,并且信号沿的变化(转换率)越快,产生的串扰也就越大。空间中耦合的电磁场可以提取为无数耦合电容和耦合电感的集合,其中由耦合电容产生的串扰信号在受害网络上可以
分成前向串扰和反向串扰 Sc,这个两个信号极性相同;由耦合电感产生的串扰信号也分成前向串扰和反向串扰 SL,这两个信号极性相反。耦合电感电容产生的前向串扰和反向串扰同时存在,并且大小几乎相等,这样,在受害网络上的前向串扰信号由于极性相反,相互抵消,反向串扰极性相同,叠加增强。串扰分析的 模式通常包括默认模式,三态模式和最坏情况模式分析。默认模式类似我们实际 对串扰测试的方式,即侵害网络驱动器由翻转信号驱动,受害网络驱动器保持初 始状态(高电平或低电平),然后计算串扰值。这种方式对于单向信号的串扰分 析比较有效。三态模式是指侵害网络驱动器由翻转信号驱动,受害的网络的三态 终端置为高阻状态,来检测串扰大小。这种方式对双向或复杂拓朴网络比较有效。 最坏情况分析是指将受害网络的驱动器保持初始状态,仿真器计算所有默认侵害 网络对每一个受害网络的串扰的总和。这种方式一般只对个别关键网络进行分 析,因为要计算的组合太多,仿真速度比较慢。
37、在 EMC 测试中发现时钟信号的谐波超标十分严重,只是在电源引脚上 连接去耦电容。在 PCB 设计中需要注意哪些方面以抑止电磁辐射呢?
答:EMC 的三要素为辐射源,传播途径和受害体。传播途径分为空间辐射 传播和电缆传导。所以要抑制谐波,首先看看它传播的途径。电源去耦是解决传 导方式传播,此外,必要的匹配和屏蔽也是需要的。
38、在 PCB 设计中,通常将地线又分为保护地和信号地;电源地又分为数 字地和模拟地,为什么要对地线进行划分?
答:划分地的目的主要是出于 EMC 的考虑,担心数字部分电源和地上的噪 声会对其它信号,特别是模拟信号通过传导途径有干扰。至于信号的和保护地的 划分,是因为 EMC 中 ESD 静放电的考虑,类似于我们生活中避雷针接地的作用。 无论怎样分,最终的大地只有一个。只是噪声泻放途径不同而已。
39、PCB 设计中,在布时钟时,有必要两边加地线屏蔽吗?
答:是否加屏蔽地线要根据板上的串扰/EMI 情况来决定,而且如对屏蔽地 线的处理不好,有可能反而会使情况更糟。
40、近端串扰和远端串扰与信号的频率和信号的上升时间是否有关系?是否 会随着它们变化而变化?如果有关系,能否有公式说明它们之间的关系?
答:应该说侵害网络对受害网络造成的串扰与信号变化沿有关,变化越快, 引起的串扰越大,(V=L*di/dt)。串扰对受害网络上数字信号的判决影响则与信 号频率有关,频率越快,影响越大。
41、在设计 PCB 板时,有如下两个叠层方案:
叠层 1>信号>地>信号>电源+1.5V>信号>电源+2.5V>信号>电源+1.25V>电源+1.2V>信号>电源 +3.3V>信号>电源+1.8V>信号>地>信号
叠层 2>信号>地>信号>电源+1.5V>信号>地>信号>电源 +1.25V+1.8V>电源+2.5V+1.2V>信号>地>信号>电源+3.3V>信号>地>信号。
哪一种叠层顺序比较优选?对于叠层 2,中间的两个分割电源层是否会对相 邻的信号层产生影响?这两个信号层已经有地平面给信号作为回流路径。
答:应该说两种层叠各有好处。第一种保证了平面层的完整,第二种增加了 地层数目,有效降低了电源平面的阻抗,对抑制系统 EMI 有好处。理论上讲, 电源平面和地平面对于交流信号是等效的。但实际上,地平面具有比电源平面更好的交流阻抗,信号优选地平面作为回流平面。但是由于层叠厚度因素的影响, 例如信号和电源层间介质厚度小于与地之间的介质厚度,第二种层叠中跨分割的 信号同样在电源分隔处存在信号回流不完整的问题。
42、在使用 protel 99se 软件设计 PCB 时,处理器的是 89C51,晶振 12MHZ 系统中还有一个 40KHZ 的超声波信号和 800hz 的音频信号,此时如何设计 PCB才能提供高抗干扰能力?对于 89C51 等单片机而言,多大的信号的时候能够影 响 89C51 的正常工作?除了拉大两者之间的距离之外,还有没有其它的技巧来 提高系统抗干扰的能力?
答:PCB 设计提供高抗干扰能力,当然需要尽量降低干扰源信号的信号变 化沿速率,具体多高频率的信号,要看干扰信号是那种电平,PCB 布线多长。 除了拉开间距外,通过匹配或拓扑解决干扰信号的反射,过冲等问题,也可以有 效降低信号干扰。
43、请问在 PCB 布线中电源的分布和布线是否也需要象接地一样注意。若 不注意会带来什么样的问题?会增加干扰么?
答:电源若作为平面层处理,其方式应该类似于地层的处理,当然,为了降 低电源的共模辐射,建议内缩 20 倍的电源层距地层的高度。如果布线,建议走 树状结构,注意避免电源环路问题。电源闭环会引起较大的共模辐射。
44、我做了个 TFT LCD 的显示屏,别人在做 EMC 测试时,干扰信号通过空间传导过来,导致屏幕显示的图象会晃动,幅度挺大的。谁能指点下,要怎么处理!是在几股信号线上加 干扰脉冲群,具体是叫什么名字我也不太清楚,干扰信号通过信号线辐射出来的。
答:如果是单独的 LCD,EMC 测试中的脉冲群试验几乎是过不去的,特别是用耦合钳的时候,会够你受的了。如果是仪器中用到了 LCD,就不难解决了, 例如信号线的退耦处理,导电膏适当减小 LCD 入口的阻抗,屏表面加屏蔽导电 丝网等。
45、前段时间 EMC 测试,GSM 固定无线电话在 100MHz-300MHz 之间有辐 射杂散现象。之后,公司寄给我两部喷有静电漆的屏蔽外壳话机,实验室不准换 整部话机,我就把喷有铁磁性材料的静电漆的外壳换到了要修改测试的话机上。 测试结果显示以前的杂散现象没有了,但是主频出现了问题,话机工作的主频是 902MHz,但在 905-910MHz 之间又出现了几个频率,基本情况就是这样。修改 过程中,我只换了外壳,电路板和其他硬件都没有做任何修改。
答:话机种类可以理解为:无线手机、无绳电话等等。需要明确一下:话机 的类型、主机工作频率范围以及机壳静电喷涂材料的类型:如铁磁类或非铁磁类 导电材料以及导电率等。
46、使用 Protel Dxp 实心敷铜时选 pour over all same net objects 有什么副作用?会不会引起干扰信号在整块板上乱窜,从而影响性能?我做的是一块低频的 数据采集卡,这个问题可能不需要担心,但还是想搞清楚。
答 1:对于模、数混合的 PCB 板,模、数、地建议分开,最后再同点接地, 如用“瓷珠”或 0 欧电阻连接。高速的数据线最好有两根地线平行走,可以减少干扰。
答 2:pour over all same net objects 对信号的性能没有什么影响,只是对一些 焊盘的焊接有影响,散热比较快。这样做对 EMI 应该是有好处的。增加焊盘与铜的接触面积。
答 3:实心敷铜时选 pour over all same net objects 不会有副作用。应该选择 为铺花焊盘而不是实心焊盘,因为实心焊盘散热快,可能导致回流焊时发生立碑 的情况。
47、请问什么是磁珠,有什么用途?磁珠连接、电感连接或者 0 欧姆电阻连 接又是什么?
答:磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些 RF 电路,PLL,振荡电 路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS 等)都需要在电源输入部 分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在 LC 振荡电路,中低频的滤波电路等, 其应用频率范围很少超过错 50MHZ。
磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(电路)中的 RF 噪声,RF 能量 是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射 频 RF 能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要 的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信 号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为 30MHz 以上,然而,低频信号也会 受到片式磁珠的影响。
要正确的选择磁珠,必须注意以下几点:

• (1)不需要的信号的频率范围为多 少;
• (2)噪声源是谁;
• (3)需要多大的噪声衰减;
• (4)环境条件是什么(温度, 直流电压,结构强度);
• (5)电路和负载阻抗是多少;
• (6)是否有空间在 PCB 板 上放置磁珠。

前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要,即电阻,感抗和总阻抗。通过这一曲线,选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低 频和直流下信号衰减尽量小的磁珠型号。片式磁珠在过大的直流电压下,阻抗特 性会受到影响,另外,如果工作温升过高,或者外部磁场过大,磁珠的阻抗都会 受到不利的影响。使用片式磁珠和片式电感的原因:是使用片式磁珠还是片式电 感主要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的 EMI 噪声时,使用片式磁珠是最佳的选择。
48、刚才是做硬件设计的工作。请教各位怎么样确定消除导线间串扰得电容 容值。
答:在 PCB 布线时应该注意不要有太长的平行走线,尤其是高速或高摆幅 信号。如果无法避免,其间保持足够的距离或者添加地线隔离。受体积限制和抗 干扰要求高的部位可用金属屏蔽合隔离。
49、在实际做产品的时候发现了一个很头疼的问题。将开发的样机放在某个干扰很厉害的车上的时候,为了解决续流的问题,讲一个小电瓶并接在汽车的电源上(加了一个二极管防止小电瓶的电压被拉跨。)但是发现一旦与汽车的打铁地线一连接,终端就会被干扰。有好的建议吗?
答:这是很明显的 EMC 问题,车上电火花干扰,导致你的终端设备被干扰,这个干扰可能是辐射,也可能是传导到你的终端。这个问题很多种原因:

• (1)接 地问题,你的终端主板上地线的走线问题,布铜的情况;
• (2)外壳的屏蔽问题, 做好是金属外壳,将不是金属部分外壳用锡箔封上,可以一试;
• (3)线路板的布 局,电源部分和 CPU 部分尽量分开,电源部分走线要尽量粗,尽量短,布线规 则很重要;
• (4)线路板的层数比较重要,一般汽车上电子产品主板最好是至少 4 层板,两层板抗干扰可能较差;
• (5)加磁环,你可以考虑在做试验时在电源线上 套上磁环。

当然可能还有很多别的解决方法,具体情况可能不一样,希望对你能 够有所帮助。
50、问在电路中,为什么在 SCL、SDA、AS 都串联一个电阻,电阻的大小 在电路中都会有什么影响?
答:上拉是增加抭干扰能力的,一般取值 Vcc/1mA~10K;串联是阻尼用的, 一般取 33ohm~ 470ohm,即当信号线上的脉冲频率较高时将会从线的一端反射到另一端,这将可能影响数据及有 EMI,加串一个电阻在线中间将可有效控制这种 反射。
51、品在做 CE/FCC 测试时,如果在 200MHz 时辐射偏高,超过可接受的范 围,应该怎么消除,磁珠应该怎么选择,另外晶振倍频部分的辐射应该如何去消 除。
答:你谈到的问题实在是太简单,没有办法给与你一个非常准确的答复,不过根据我个人的经验,给点思考的方法。如果你能肯定是倍频,则主要对产生倍频的器件进行进行处理,这应该是有目标的,在处理是可以直接试一试,将产生倍频的器件进行一个简单的屏蔽(只需要用可乐罐做个屏蔽罩,关键是要注意接地)。在进行测试看看辐射值是否降低,如果降低则明确辐射的来源,在专门对其进行屏蔽处理。如果没有变化,则应重点考虑一下,露在外面的传输线,如果传输线能接地一定要接地,最好能采用屏蔽线试一试,看看有没有变化,以确认是否与传输线有关。最后就是箱体本身的屏蔽问题,这个问题比较复杂,而且成较高,是在没有办法的情况才考虑解决的方式。这几种方式都尝试后,辐射值应该会降低的。
52、最近在写一个 2KW 的吸尘器软件,功能是实现了,但过不了 EMC。请 指点下,软件上面采用哪种算法,可以过 EMC 功能简述如下:

• (1)软起动和软 调速功能。(所谓软起动也就是电机慢慢的加速,速度不会突变);
• (2)可以调节 电机的转速;
• (3)是用可控硅控制电机的。控制方式是对正弦波斩波;

在硬件方 面,电路很简单,硬件处理 EMC 就只一个 0.1uF 的安规电容。
答:和硬件方面沟通,可能要多下功夫,单纯软件很难解决。
53、DECODER 中的 DA 的转换频率从芯片里面顺电源和地辐射出来,为 166M。我在电源上并了个 1N,或 630P,或 30P 但都屡不掉。两层板,电源回 路很短,请给点建议,并分析下滤不掉的原因。
答 1:电源的质量差(负载能力),DA 应该单独用一个电源。
答 2:首先检查输出端接地是否良好,在将信号输出端口串 BEAD 试试。
答 3:我认为你可以将其地用 100M 磁珠损号 166M 高频。
54、要做多路的温度采集,用的是 K 型热电偶,电源用电荷泵转换模块,信号调理部分想用 AD620 和 OP07 做二级放大,现在有几个地方不太有把握,请做过的帮忙!一是电源,我现在用 12v 电瓶供电,用电荷泵转换成+/-12v,这 样的电压有一定的纹波,对信号的采集比较不利,是否该直接用电瓶电压做成单 电源的呢?二是热电偶的两个信号端是否按 AD620 的数据手册上例子一样直接 输入 AD620 的输入端即可,我看手册上还有 EMI FILTER 的部分,这部分对测 量热电偶的情况应该怎么加进去呢?热电偶的冷端是该接地还是接一个稳定的 电压呢?三,因为我要求的温度涉及到零下,因此 AD620 输出后要分别经过同 相放大和反相放大再送入 A/D 端口,我打算用 OP07 制作二级滤波,一级是无限 增益滤波电路,二级是同相放大 2 倍和反相放大 2 倍的滤波电路,不知道这样可 不可以?
答:如你的热电偶的冷端接地(许多设备热电偶一端已接地),而且测温零度 以下,你最好还是用+/-电源。这是通常的做法。电源的纹波要好,但不一定正 负对称,你可再加稳定的 LDO 实现。低频滤波对结果很有影响,但一级滤波应 能满足,EMI 部分要看你的应用环境。对多路测温,你可将多路器放在放大之前 以降低成本。多路器应要差分输入,热电偶输入导线也应是热电偶型的,挺贵的。
55、电磁兼容的一些基本问题:认证中经常遇到的一些 EMC 问题
答:下面是总结出来的一些针对于电子产品中的部分问题。

• 一般电子产品都 最容易出的问题有:RE——辐射,CE——传导,ESD——静电。
• 通讯类电子产 品不光包括以上三项:RE,CE,ESD,还有 Surge——浪涌(雷击,打雷)。
• 医疗器械最容易出现的问题是:ESD——静电,EFT——瞬态脉冲抗干扰,CS—— 传导抗干扰,RS——辐射抗干扰。

针对于北方干燥地区,产品的 ESD–静电要求 要很高。针对于像四川和一些西南多雷地区,EFT 防雷要求要很高。
56、请问怎样才能去除 IC 中的电磁干扰?
答:IC 受到的电磁干扰,主要是来自静电(ESD)。解决 IC 免受 ESD 干扰, 一方面在布板时候要考虑 ESD(以及 EMI)的问题,另一方面要考虑增加器件 进行 ESD 保护。目前有两种器件:压敏电阻(Varistor)和瞬态电压抑制器 TVS (Transient Voltage Suppressor)。前者由氧化锌构成,响应速度相对慢,电压抑 制相对差,而且每受一次 ESD 冲击,就会老化,直到失效。而 TVS 是半导体制 成,响应速度快,电压抑制好,可以无限次使用。从成本角度看,压敏电阻成本 要比 TVS 低。
57、电磁干扰现象表现:尤其是 GPS 应用在 PMP 这种产品,功能是 MP4、 MP3、FM 调频+GPS 导航功能的手持车载两用的 GPS 终端产品,手持车载两用 的 GPS 导航终端一定的有一个内置 GPS Antenna,这样 GPS Antenna 与 GPS 终 端产品上的 MCU、SDROM、晶振等元器件很容易产生电磁干扰,致使 GPS Antenna 的收星能力下降很多,几乎没办法正常定位。不知道有没有 GPS 设计开 发者遇到过这样的电磁干扰,然后采取有效的办法解决这样的电磁干扰,什么样 的解决办法??
答 1:我觉得这个问题主要出在电路设计上,多半是电路的保护跟屏蔽做的 不好,我现在的客户已经没有这方面的困惑了,他们现在有两部分电磁干扰现象, 但基本都已经解决,bluetooth 的电磁干扰和遥控器的电磁干扰,解决办法:第 1 项我还没找到答案,第 2 项增大遥控器的有效距离到 5M。
答 2:各功能模块在 PCB 上的分布很重要,在 PCB Layer 之前要根据电流大小,各部分晶体频率,合理规划,然后各部分接地非常重要,此为解决共电源和地的干扰。根据实测,主要振荡源之间的空间距离对辐射影响很大,稍远离对一块接地区内,然后对电源的出入口去耦,磁珠电容是不错的选择,蓝牙及 GPS 可印板电感。电源 DC/DC 的转换频率选择也很重要,不要让倍频(多次谐波) 与其他电路的频率(特别是接受)重合,有些 DC/DC 频率是固定的,加简单的 滤波电路就可以。同频抑制是引起 GPS 接受和遥控接受灵敏度下降的主要原因。 还有,接受电路的本振幅度要调的尽量小,否则会成为一个持续的干扰源。我们 将蓝牙,GPS 接受,另一个 2.4GHz 收发器,433M 遥控接收均继承在一个盒子 内,效果还不错,GPS 接收灵敏度很高。
58、遇到一个单片机系统:(1)主控芯片摩托罗拉的 MC908JL3;(2)8M 陶瓷谐振;(3)电源采用连接线接入。现在是 EMI 中的传导电压在 24M 的位置 单点超标 0.8dB。请各位指点有没有什么好的方法抑制超标。列入加磁环、加 Y2 电容等。再有这个频率是传导范围还是辐射范围?
答:到底是 EMI 实验中 24M 超标还是做传导时 24M 超标,如果是前者的 话就是辐射超标,若是后者则传导超标。
59、用双向可控硅控制直流电机的调速,但电机会干扰电源影响过零检则,造成不受控或速度妀变。请各位指教!
答 1:出现这中现象的可能性有:(1)电机属于非阻性负载,所以电路中产生相位移动,导致控制不准,可以加电容过滤;(2)一般双向可控硅控制大功率 或大电流负载,采用过零导通,而不是调相,可减少 EMC 的影响。
答 2:流移相调速很常用的,如果过零检测的硬件部分没问题的话,就要仔 细改进软件的处理方式了,在一个周期内(50Hz 20mS)要处理两次可控硅的导通, 检测到过零后的延迟输出时间决定你的移相角度。
60、请问那位大侠做过 V.35、E1、G.703(64K)、继电器接口的 EMC 设计?能否给点建议?主要要过下面几个标准:GB/T 17626.12(IEC61000-4-12)电磁兼容试验和测量技术,振荡波抗干扰度试验;GB/T17626.2(IEC61000-4-2)电磁兼容试验和测量技术,静电放电抗干扰度试验;GB/T 17626.3(IEC61000-4-3)电磁兼容试验和测量技术,射频电磁场辐射抗干扰度测试;GB/T 17626.4(IEC61000-4-4)电磁兼容试验和测量技术,电快速瞬变脉冲群抗干扰度试验;GB/T 17626.5(IEC61000-4-5)电磁兼容试验和测量技术,浪涌冲击抗干扰度试验;GB/T 17626.6(IEC61000-4-6)电磁兼容试验和测量技术,射频场感应的传导骚扰抗干扰度。
答:这些标准都是 EMC 测试的一些基础标准,还需要结合你的产品确定具体指标。你的这些接口是通信接口,一般有标准电路。当单板原理图滤波设计、 PCB 的正确布局布线设计的时候,一般都可以通过测试,其他情况下需要增加 EMC 滤波、瞬态抑制器件,这需要结合具体接口分析。
61、布线不能跨越分割电源之间的间隙,哪位大虾可以给个详细说明啊?
答:如果一个电源层被分割成几个不同的电源部分,如有 3.3V、5V 等的电 源,信号线最好不要同时出现在不同的电源平面上,即布线不能跨越分割电源之 间的间隙,否则会出现不必要的 EMC 问题,对地也一样,布线也不能跨越分割 地之间的间隙。
62、现用单片机通过达林顿管、光藕控制一 12V 继电器来控制交流接触器 的吸合,在吸合瞬间常导致单片机复位,通过示波器测复位脚,能检测到有效复 位信号(使用三脚的复位 IC)。单片机使用 5V 供电,5V 稳压管前后均已接 1000uF 电容,且用示波器检测未发现电源波动。另外,如果继电器空载(不接交流接触器)则未发现复位现象。请问各位该如何解决?
答 1:可以在交流接触器线圈两端并联一电阻和电容串联的阻容吸收回路,电容的容量在 0.01uF~0.47uF 之间现在,耐压最好高于线圈额定电压的 2~3 倍, 看这样行不行?
答 2:这个应该是交流接触器动作时产生的 EMC 干扰所致。楼上朋友的阻 容吸收是个不错的解决办法,同时也可以考虑在 12V 继电器的输出触点并联 100P 到 47P 的高压电容试试。
答 3:在交流接触器加 RC 吸收是有效的。但是你还的检查你的电源回路, 看看你的 CPU 电源走线是否太长,尽量在芯片的电源脚上并去偶电容,还有就 是稳压部分也可以加 LC 吸收回路,尽可能的吸收来自电源的干扰。
答 4:先不带负载看看是否有同样现象出现,分级判断排出问题。可先不接 光藕,再不接继电器。如果不接光藕还是出现复位,查查硬件输出端口是否和复 位有短路,如果没有复位,可以接光藕但不接继电器。
还出现复位可能的情况是地线太细,复位脚的地离光藕太近而且远离电源, 光藕的限流电阻太小,导致地电位瞬时抬高。布线时 CPU 要远离大电流的器件,地线采用星型单点接地。如果还是出现复位,就是继电器线圈和驰点电弧或大负 载的变化引起的电磁干扰。可采取屏蔽和消除触点拉弧的一些方法来解决。多数 情况是电源没处理好,地线或+5V 线过长过细。CPU 位置不合理。
63、交流滤波器与直流滤波是否可以互用?一般而言,交流线滤波器可以用 在直流的场合,但是直流线滤波器绝对不能用在交流的场合,这是为什么?
答:直流滤波器中使用的旁路电容是直流电容,用在交流条件下可能会发生 过热而损坏,如果直流电容的耐压较低,还会被击穿而损坏。即使不会发生这两 种情况,一般直流滤波器中的共模旁路电容的容量较大,用在交流的场合会发生 过大的漏电流,违反安全标准的规定。
64、在一个盒式设备中,比如以太网交换机或 PC 机,存在机壳地和电路地 工作地,我发现有些设备将两个地用电容连接,有些用 0 电阻连接,有些用铁氧 体连接,究竟哪一个对?
答:我们一般使用 102 高压瓷介电容。
65、“机构的防护”是指什么?是不是机壳的防护?
答:是的,机壳要尽量严密,少用或不用导电材料,尽可能接地。
66、请问产品全部采用金属做为外壳(如铝,不锈钢等材质)对产品的 ESD 防 护有何大的影响?应怎样处理较好?
答:产品全部用金属外壳,如果接地不良当然不利于 ESD 的防护,但只要 做好接地就不会有什么问题。至于如何接地就要看设备的具体情况了,如果是大 型设备,可以通过设备直接接大地,效果当然会很理想的。
67、为什么频谱分析仪不能观测静电放电等瞬态干扰?
答:因为频谱分析仪是一种窄带扫频接收机,它在某一时刻仅接收某个频率 范围内的能量。而静电放电等瞬态干扰是一种脉冲干扰,其频谱范围很宽,但时 间很短,这样频谱分析仪在瞬态干扰发生时观察到的仅是其总能量的一小部分, 不能反映实际的干扰情况。
68、在现场进行电磁干扰问题诊断时,往往需要使用近场探头和频谱分析仪, 怎样用同轴电缆制作一个简易的近场探头?
答:将同轴电缆的外层(屏蔽层)剥开,使芯线暴露出来,将芯线绕成一个 直径 1~2 厘米小环(1~3 匝),焊接在外层上。
69、测量人体的生物磁信息是一种新的医疗诊断方法,这种生物磁的测量必 须在磁场屏蔽室中进行,这个屏蔽室必须能屏蔽从静磁场到 1GHz 的交变电磁 场,请提出这个屏蔽室的设计方案。
答:首先考虑屏蔽材料的选择问题,由于要屏蔽频率很低的磁场,因此要使 用高导磁率的材料,比如坡莫合金。由于坡莫合金经过加工后,导磁率会降低, 必须进行热处理。因此,屏蔽室要作成拼装式的,由板材拼装而成。事先将各块 板材按照设计加工好,然后进行热处理,运输到现场,十分小心的进行安装。每 块板材的结合处要重叠起来,以便形成连续的磁通路。这样构成的屏蔽室能够对 低频磁场有较好的屏蔽效能,但缝隙会产生高频泄漏。为了弥补这个不足,在坡 莫合金屏蔽室的外层用铝板焊接成第二层屏蔽,对高频电磁场起到屏蔽作用。
70、设计屏蔽机箱时,根据哪些因素选择屏蔽材料?
答:从电磁屏蔽的角度考虑,主要要考虑所屏蔽的电场波的种类。对于电场 波、平面波或频率较高的磁场波,一般金属都可以满足要求,对于低频磁场波, 要使用导磁率较高的材料。
71、机箱的屏蔽效能除了受屏蔽材料的影响以外,还受什么因素的影响?
答:受两个因素的影响,一是机箱上的导电不连续点,例如孔洞、缝隙等;另一个是穿过屏蔽箱的导线,如信号电缆、电源线等。
72、屏蔽磁场辐射源时要注意什么问题?
答:由于磁场波的波阻抗很低,因此反射损耗很小,而主要靠吸收损耗达到 屏蔽的目的。因此要选择导磁率较高的屏蔽材料。另外,在做结构设计时,要使 屏蔽层尽量远离辐射源(以增加反射损耗),尽量避免孔洞、缝隙等靠近辐射源。
73、在设计屏蔽结构时,有一个原则是:尽量使机箱内的电缆远离缝隙和孔 洞,为什么?
答:由于电缆近旁总是存在磁场,而磁场很容易从孔洞泄漏(与磁场的频率 无关)。因此,当电缆距离缝隙和孔洞很近时,就会发生磁场泄漏,降低总体屏 蔽效能。
74、为什么在很多情况下为了抑制噪声信号我们都采用接地的方法,而不是接电源的方法?地和电源在多层 PCB 上面都是其中的一层,按照电压零点相对性来说即使是电源层不是也可以作为电压零点吗?
答 1:接地也可以说接参考点,既然是参考点就要能起到参考作用。认为是 地,就是说起码认为这里是零,没有任何阻抗(实际上是不是要看 layout)。电 源输出阻抗如果是零的话,当然也可以做参考点,也可以作为噪声信号的旁路通 道。
答 2:信号的地有几种意思:(1)绝对地——EARTH,大地;(2)相对地— —GROUND,参考地;(3)无地——有时为了减少干扰,信号的 0/1,故意是彼 此相对值,而不是与地相对值,即信号 0 并不取为地。比如 CAN 中的信号就如 此。硬件设计的难点之一,就是如何解决好接地问题,从 IC 芯片,到一个大系 统都如此。
答 3:用示波器探头上的地线夹夹电源有可能会烧掉示波器噢。示波器探头 上的地线夹是与示波器电源线的地线相连的(如果不是隔离探头的话)。用它夹 电源会将电源直接对地短路。用不同探头的地线夹夹在不同电位的点上也会短路 的。所以推荐的做法是示波器电源通过一个隔离变压器接入市电。或者象我们通 常做的那样,将示波器电源线上的地线脚拔掉,以绝后患。接地和隔离是我们在设计和测试中应该时刻注意的问题。
答 4:虽然电源层和地层交流上都是电压零点,但相对而言地层更干净一点,所以通常是接地而不是电源。
75、某个手持测试产品,可以电池供电,同时也可以采取外置适配器供电方式。适配器单独带负载辐射发射(RE)测试可以通过,手持产品在电池供电情 况下辐射发射(RE)也可以通过,并且余量都比较大,但是在带外置适配器的 情况下,却在 160M 频率左右超标较多,不能通过认证。是何原因?怎么定位干 扰源?耦合途径?定位清楚如何解决?
答:本身这个问题干扰源有两个可能,适配器的开关频率,手持测试产品本身的晶振以及内部的开关电源频率。单独测试没有超标,搭配测试超标说明耦合途径是产品的电源电缆。定位时可以有多个办法:

• (1)在电源输出线缆(也就是产品电源输入线)的两端分别加磁环试验,如果靠近适配器相对下降比较大,说明是适配器导致,否则原因就是由手持产品内部干扰源导致;
• (2)在手持产品的电源输入接口共模电感采取频谱仪测试看那一端干扰幅度大,如果是共模电感里
  侧的干扰大,则说明是手持产品的干扰;
• (3)如果怀疑外部适配器,干脆直接替换测试,如果没有这个频点,就说明是适配器问题。通过上面方法定位后发现, 确实是电源适配器问题。尽管开关电源频率只有 KHZ 级别,但往往干扰能够到 几十、几百 MHZ,同时电源适配器负载不同,空间辐射发射的测试结果也会不 一样。

76、我们做的是一个手持设备,带电池工作在做辐射发射测试时,在 700M 的点超标。回来后我们把辐射源定位在了 10M 的有源晶振和 dsp 的内部 PLL 电 路上。首先我们改善了晶振的电源滤波电路,加上了 10uF 和 0.1uF 的电容,700M 这个点有明显的降低,但是 800M 点上却上升较多。其次我们更换了直插的晶振 为贴片的,以减小其扇出能力,改善效果不大。请问还有其他什么办法可以改进 吗?晶振的滤波电路有什么特殊要求?
答:从你描述情况看,本身源头可能是 10MHZ 晶振,或内部的 10MHZ 倍 频,对于 700MHZ 或 800MHZ 的高频超标,有几个方面可以处理:(1)晶振处 理:供电电源滤波,时钟走线采取 RC 滤波,或用磁珠替代电阻滤波;(2)另外 如果能够定位是单板走线对外辐射的话,可以针对对外辐射走线进行滤波,如磁珠、电容;(3)由于超标是高频,很有可能是你的 PCB 单板地阻抗比较大,有 较大地地环路,这个方面需要你查看 PCB 设计;(4)另外如果你的设备是金属 壳,那可以从屏蔽角度看是否有屏蔽泄漏!(5)如果是接口电缆对外辐射,可以 对电缆接口进行滤波处理,具体措施针对不同接口有所不同。
77、经常设计时候没有人提起 EMC,或对 EMC 重视程度不够;开模后或产 品定型后有关 EMC 问题就出来了。怎么解决这个问题?
答:这个问题在我们大多企业都会遇到,关键是企业没有一套严格的 EMC 设计流程!大多工程师没有 EMC 设计经验,导致工程师没有把 EMC 设计理念 融入到产品前期的研发过程中,这样出现问题也就不足为怪了。我们建议企业首 先需要培养工程师的 EMC 设计水平,同时提高他们的设计意识,另外更重要的 是要建立一套 EMC 的设计流程与平台,比如,需要有 EMC 设计的原理图规范, 并有设计检查控制列表,有引导,有监控,那么,EMC 设计在前期才能真正落 实,后期的产品出来的EMC指标也才有保证!这个问题当然还是一个系统问题, 涉及范围比较广,结构、电源、硬件电路、PCB 等方面。
78、磁珠与电感有什么区别?高频时磁珠怎么滤波?
电感是用来控制 PCB 内的 EMI。对电感而言,它的感抗是和频率成正比的。 这可以由公式:XL=2πfL 来说明,XL 是感抗(单位是Ω)。例如:一个理想的 10 mH 电感,在 10 kHz 时,感抗是 628Ω;在 100 MHz 时,增加到 6.2MΩ。因 此在 100MHz 时,此电感可以视为开路(open circuit)。在 100 MHz 时,若让一 个讯号通过此电感,将会造成此讯号品质的下降(这是从时域来观察)。和电容 一样,此电感的电气参数(线圈之间的寄生电容)限制了此电感只能在频率 1 MHz 以下工作。
问题是,在高频时,若不能使用电感,那要使用什么呢?答案是,应该使用 「铁粉珠(ferrite bead)」。铁粉材料是铁镁或铁镍合金,这些材料具有高的导磁 系数(permeability),在高频和高阻抗下,电感内线圈之间的电容值会最小。铁 粉珠通常只适用于高频电路,因为在低频时,它们基本上是保有电感的完整特性 (包含有电阻和抗性分量),因此会造成线路上的些微损失。在高频时,它基本 上只具有抗性分量(jωL),并且抗性分量会随着频率上升而增加。实际上,铁 粉珠是射频能量的高频衰减器。其实,可以将铁粉珠视为一个电阻并联一个电感。
在低频时,电阻被电感「短路」,电流流往电感;在高频时,电感的高感抗迫使 电流流向电阻。本质上,铁粉珠是一种「耗散装置(dissipative device)」,它会 将高频能量转换成热能。因此,在效能上,它只能被当成电阻来解释,而不是电 感。
79、笔记本电脑适配器的 AC 端 GND 和电脑内部的 GND(即机壳)是不是保 持很低的压差?他们之间的地有什么关系呢?适配器内部是怎样设计的呢?我 们测电源谐波的时候谐波主要是适配器产生还是笔记本电脑本身产生的呢?
答:理论上来讲电脑机壳和适配器的 GND 都应该是保护地,是没有压差, 直接接大地的。AC 适配器输入的电压基准是零线,输出是直流,与输入隔离。 输出的电压基准是直流电源的负端。电脑适配器内部一般是一个隔离的 AC/DC 电源,采用反激或正激式变换器。 你可以参考开关电源的书籍。开关模式的适 配器肯定会产生谐波,电脑内部笔者没有研究不能妄言,但估计适配器的谐波应 该占一个很大的比例。你有兴趣的话可以试试用线性电源带笔记本电脑,看看谐 波的情况,应该有很大不同。
80、通用电器和电子设备的地并不是 earth 如电子负载,在工作中为防止静电经常要带静电手环可是静电手环要是接了 earth 之后在工作中就会经常挨电。 我测量过电子负载和地的电压为交流,而且还不稳定有 100 多伏。原因是什么?
答:交流电压一般来自电源滤波器对地的 Y 电容,耦合过来的,机壳接地 就没有了。一般对 Y 电容的大小是有要求的,为的就是防止地线接触不好使机 壳泄露出的电流过大造成人身伤害。
81、EMC 问题目前解决还处于外围电路、PCB、以及结构屏蔽解决,其实 EMC 问题本身还与芯片内部的设计互连布线有关。下面这个问题就是一例:
我 在做一 SOC 芯片的封装设计,封装形式是 PBGA,面向的 PCB 有四层: signal-ground-power-signal。在进行封装直球排布时我遇到一个问题:通常为了给 信号有好的电流回流通路,减轻power/ground bounce,会在高速信号区域中按一 定比例方式插入 power/ground 直球。我参考过 intel 的一些北桥或是 memory control hub 的封装直球分布实例,在 DDR 信号(高速信号)区域有的实例插入 了 power 和 ground 直球,有的实例只插入了 ground 直球。在我看来因为 DDR 信号接口采用 SSTL_2 规范,使用的是 CMOS 输出电路,应该 power 和 groundbounce 都存在的,需要在 DDR 区域插入等比例的 power 和 ground 直球。所以对 于只插入了 ground 直球的实例我不是很理解。我查了一些资料,有一篇文章这 么说:

most return current for a transmission line travels on the nearest reference plane regardless of the direction of current on the trace. It matters not whether the signal transitions from high-to-low or low-to-high, the return current travels on the nearest reference plane.

按照文章的意思,似乎噪声电流不在乎通过 power plane 或是 ground plane 流走。为什么会这样呢?
答 1:

• (1)对于高频信号最终都是要回流到地!所以在芯片电源管脚已经足 够解决供电问题情况下优先考虑布置地管脚(直球);
• (2)对于现在资料一般认 为地平面与电源平面对于高速信号是一样的前提是电源平面到地平面的阻抗足 够小,但现在一般单板的还做不到电源平面到地平面阻抗足够小(这是现在电源 完整性研究内容),而且本身电源平面本身阻抗有时也比较大,因此在布线时还 是优先考虑地平面回流。

答 2:因为高频信号电流总是寻找电感最小回路返回信号源,信号频率越高 电流回路耦合越紧密。一般 50~100kHz 以上信号就开始体现此特性。GND 或POWER 叠层相对信号线的瞬态阻抗为串联形式,敷铜层离信号线越远瞬态阻抗 越大,因此高频回路电流只会选择最近敷铜层(镜像面)作为回路流回驱动源。 如果信号换层,回路电流在信号线换层过孔处从 GND 和 POWER 敷铜平面间电 容流过,且在两个层内表面扩散,该阻抗造成的信号返回压降称为地弹(GROUD BOUNCE)。
82、有的电阻标值为 0 欧姆,这种电阻起什么作用呢?
答:

• (1)在电路中没有任何功能,只是在 PCB 上为了调试方便或兼容设计 等原因;
• (2)可以做跳线用,如果某段线路不用,直接不贴该电阻即可(不影响 外观);
• (3)在匹配电路参数不确定的时候,以 0 欧姆代替,实际调试的时候, 确定参数,再以具体数值的元件代替;
• (4)想测某部分电路的耗电流的时候,可 以去掉 0ohm 电阻,接上电流表,这样方便测耗电流;
• (5)在布线时,如果实在 布不过去了,也可以加一个 0 欧的电阻;
• (6)在高频信号下,充当电感或电容。 (与外部电路特性有关)电感用,主要是解决 EMC 问题。如地与地,电源和 IC Pin 间;
• (7)单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统);
• (8)熔丝作用。

模拟地和数字地单点接地:只要是地,最终都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是”浮地”,存在压差,容易积累电荷,造成静电。地是参考 0 电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。
人们认为大地能够吸收所有电荷,始终维持稳定,是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地,但发电厂是接大地的,板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,理由如上有四种方法解决此问题:(1)用磁珠连接;(2)用电容连接;(3)用电感连接;(4)用 0 欧姆电阻连接。
磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。电容隔直通交,造成浮地。电感体积大,杂散参数多,不稳定。0 欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0 欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。跨接时用于电流回路:当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接 0 欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。配置电路:一 般,产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了 减少维护费用,应用 0 欧电阻代替跳线等焊在板子上。空置跳线在高频时相当于 天线,用贴片电阻效果好。其他用途:布线时跨线;调试/测试用;临时取代其 他贴片器件;作为温度补偿器件。更多时候是出于 EMC 对策的需要。另外,0 欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要挖孔)。
83、D类功放在PCB布线时应注意那些?
答:在D类功放板中,PCB走线及表现出EMI特性的金属都应该尽可能短, 包括从电源输出部分到 D 类放大器输出部分及从电源到扬声器间的金属连线。 另一个长期困扰 D 类放大器的问题是它们对电源的性能极为敏感。由于放大器 输出端总是对电源线路的其中之一进行直接开关控制,电源端的任何变化或波动 就会体现在输出信号端,并表现为噪声或失真,因此 D 类放大器不仅仅是在 DC 部分需要具有良好负载限制、干净、低噪声的供电电流,在整个音频带内都需要 这样的电源信号。这样,电源部分晶体管的工作也变得同样重要。
D 类放大器中,高频脉冲中输出部分由电源电流来提供动力,同时,为了在 放大器输出端产生精确的方波脉冲,供电电压必须保持稳定,其波动与噪声是严 格禁止的,在这里,存储电容成为关键的元件。首先,为了保持供电电压的稳定, 存储电容需要保持足够的电荷。第二,由于任何寄生电阻或干扰的影响都会从电 源电容迅速地传递到输出端,必须使用 Low-ESR(Effective Series Resistance)电 容。PCB 金属走线中的寄生电阻是相当不利于电源稳定的,应该在尽可能靠近 输出部分的位置放置存储电容使寄生电阻最小化。电源供电的需求可以通过引入 一个短时延迟(小于 1μs)来缓解。这个延迟设置在立体声中单个的输出端
或多通道系统之间。这样的延迟对于人耳来说是极为短暂的,以致于无法感 觉出来。由于每个输出端的 MOSFETs 在不同时间进行开关动作,相当于在同一 时间内减少了开关晶体管。这种技术常被称为“PWM 相位”技术,并应用于许 多D类IC设计中。
84、我现在遇到一个问题:USB 手持设备在插拔耳唛时导致系统死锁。用示波器测量耳唛座各管脚的波形发现有瞬时冲击电压,怀疑是 ESD 或 FTB 干扰产生。当 USB 线使用屏蔽线时就不会出现该种情况,另外如果 PC 接地完好的 话也不会出现这种情况,现在关键是不使用屏蔽线且要满足各种可能情况时,还 有什么办法可以使用?另在地线上加上一电感后地线上的干扰明显减小,现问题 是音频线路上应加什么才不会导致死机且音频信号不受影响?
答 1:在耳唛座各管脚与加一个电容到地,应该可以消除尖锋脉冲。
答 2:原理非常简单。模拟信息突然消失,造成干扰。如果没有良好的接地, 你这种现象就非常容易发生。解决办法,提供吸收放电的电路。最的办法就是对 地加电容。但这也会影响音质。在电容选择上要注意,应该是两个电容反向对接。
85、《DL/T645-1997 多功能电能表通信规约》对 RS-485 标准电气接口性能 规范,要求驱动与接受端静电放电(ESD)±15KV(人体模式)。谁能告诉我(人 体模式)的实验方法是怎么做的,人体模式与空气放电有哪些区别呢?
答 1:机器放在一个绝缘的木板上,木板有近 10cm 厚,对方用了一个静电 枪,对着一块金属板打 6KV,而金属板平面是平行被测机器的显示控制部分, 打 6KV,还要拿静电枪对着机器外壳的金属部分打 8KV,每隔一秒打一次。静 电枪分尖头和模拟手指状的圆头。
答 2:空气放电:使用钝头放电头,8KV,距离备测物约 1cm 远寻找放电点 (金属/塑料混合外壳,如果塑料外壳则贴近寻找),如果有放电点,这进行每秒 一次,每极性 20 次放电,每测试点一共 40 次放电。接触放电:使用尖头放电头, 在被测物表面寻找金属体进行接触放电,如果金属外壳面积比较大,则选定均匀 的多点进行分别测试,同样是每秒一次,每极性 20 次放电,每测试点一共 40 次放电。在 2 种测试中,要求机器运处于正常运作状态,如果放电过程中发生故 障,故障分为 3 级:(1)停止放电,可以自动恢复正常;(2)停止放电,人工干 扰操作情况下能够恢复正常;(3)永久损坏。应该说,一般商用标准,(1)是可 以接受的。

四 产品内部的 EMC 设计技巧

目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。 实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的 可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号 波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印制电路板的时候, 应注意采用正确的方法。

4.1 地线设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起 来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏 蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:

• (1)正确选择单点接地与多点接地:在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于 10MHz 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在 1~10MHz 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地 法。
• (2)将数字电路与模拟电路分开:电路板上既有高速逻辑电路,又有线性 电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要 尽量加大线性电路的接地面积。
• (3)尽量加粗接地线:若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化, 致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗, 使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于 3mm。
• (4)将接地线构成闭环路:设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系 统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路 板上有很多集成电路组件,尤其遇有耗电多的组件时,因受接地线粗细的限制, 会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

4.2 电磁兼容性设计

电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的 能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设 备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其它电子设 备的电磁干扰。

(1)选择合理的导线宽度:由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰 主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制 导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精的导线对抑制干扰 是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流, 印制导线要尽可能地短。对于分立组件电路,印制导线宽度在 1.5mm 左右时, 即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在 0.2~1.0mm 之间选择。
(2)采用正确的布线策略:采用平等走线可以减少导线电感,但导线之间 的互感和分布电容增加,如果布局允许,最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。 为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线。

4.3 去耦电容配置

在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电 路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流, 形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制 电路板的可靠性设计的一种常规做法,配置原则如下:

• (1)电源输入端跨接一个 10~100uF 的电解电容器,如果印制电路板的位 置允许,采用 100uF 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
• (2)为每个集成电路芯片配置一个 0.01uF 的陶瓷电容器。如遇到印制电路 板空间小而装不下时,可每 4~10 个芯片配置一个 1~10uF 钽电解电容器,这种 器件的高频阻抗特别小,在 500kHz~20MHz 范围内阻抗小于 1Ω,而且漏电流 很小(0.5uA 以下)。
• (3)对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和 ROM、RAM 等存储型器件,应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)间直接接入去耦电容。
• (4)去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。

4.4 印制电路板的尺寸与器件的布置

印制电路板大小要适中,过大时印制线条长,阻抗增加,不仅抗噪声能力下 降,成本也高;过小,则散热不好,同时易受临近线条干扰。在器件布置方面与 其它逻辑电路一样,应把相互有关的器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的 抗噪声效果。时钟发生器、晶振和 CPU 的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠 近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路,如 有可能,应另做电路板,这一点十分重要。

4.5 散热设计

从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般 不应小于 2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则:

• (1)对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器 件)按横长方式排。
• (2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列, 发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等) 放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、 大规模集成电路等)放在冷却气流最下游。
• (3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热 路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件 工作时对其它器件温度的影响。
• (4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部), 千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。
• (5)设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流 动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动, 所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。