差模輻射和輻射抗擾性在PCB設(shè)計(jì)中的分析

在印制電路板設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)非常重要。分析了引起數(shù)字差模輻射干擾的原因，提出了印制電路板設(shè)計(jì)中相關(guān)問題的解決方法，介紹了較好的元器件布置及地線、電源線和信號(hào)線的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：差模輻射；電磁干擾；印制電路板

引　　言

隨著現(xiàn)代電子科技的發(fā)展，芯片的高速化和集成化，促使各種電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)外的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，對(duì)電路板設(shè)計(jì)中的電磁兼容技術(shù)要求更高。電磁兼容輻射干擾問題主要來自電路中的電流突變產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化或電壓突變產(chǎn)生的電場(chǎng)變化。差模輻射作為輻射干擾源的一種，是由電路中傳送電流的導(dǎo)線所形成的環(huán)路產(chǎn)生的，這些環(huán)路相當(dāng)于可產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射的小型天線。盡管電流環(huán)路是電路正常工作所必需的，但為了限制輻射發(fā)射，必須在設(shè)計(jì)過程中對(duì)環(huán)路的尺寸與面積進(jìn)行控制。印制電路板是構(gòu)成數(shù)字電子設(shè)備的基礎(chǔ)，為保證它的電磁兼容性，布線和設(shè)計(jì)應(yīng)使得板上各部分電路相互間無干擾，對(duì)外的輻射發(fā)射盡可能降低達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

差模輻射

差模輻射的情況可以用一個(gè)小型環(huán)狀天線來模擬，如圖1所示。對(duì)于一個(gè)環(huán)路面積為A，電流為I的小型天線，在自由空間中距離r處(遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū))測(cè)量到的電場(chǎng)E的大小表示為:

上式中電場(chǎng)強(qiáng)度E的單位是V?m，頻率f的單位是Hz，面積A的單位是m2，電流I的單位是A，距離r的單位是m。式(1)中的第一項(xiàng)是個(gè)常量，代表傳輸介質(zhì)的特性，第二項(xiàng)定義了輻射源的特性，也就是環(huán)狀天線的特性;第三項(xiàng)則描述了從輻射源向遠(yuǎn)處傳播時(shí)的衰減特性;最后一項(xiàng)表示的是測(cè)量天線以輻射平面為參考的角度方向。式(1)適用于自由空間中的小型環(huán)狀天線，但大多數(shù)電子產(chǎn)品的輻射測(cè)量都在地平面上的開闊場(chǎng)地進(jìn)行，過多的地面反射可能使輻射發(fā)射的測(cè)量結(jié)果變大，最大可達(dá)6dB。因此，計(jì)算時(shí)公式(1)必須乘以修正系數(shù)2。假設(shè)所有反射的方向相同，對(duì)地面反射進(jìn)行校正，可將式(1)重寫為:

式(2)表明，輻射發(fā)射大小與電流I、信號(hào)頻率f的平方以及環(huán)路面積A成正比。所以，可以用以下方法來控制輻射發(fā)射:(1)減小環(huán)路面積;(2)減小天線上的電流大小;(3)減小電流信號(hào)頻率或電流的諧波分量。如電流波形不是正弦波，則計(jì)算之前必須首先確定該電流的傅里葉級(jí)數(shù)。


差模輻射的抑制

環(huán)路面積
控制差模輻射的方法是使電流所包圍的環(huán)路面積最小。在布放信號(hào)線與其相應(yīng)的地回流線時(shí)，兩者盡量相互靠近。對(duì)于時(shí)鐘布線、背板布線和電纜互連，這點(diǎn)尤其重要。

環(huán)路電流
電流大小與驅(qū)動(dòng)環(huán)路的電路源阻抗有關(guān)，同時(shí)還與終結(jié)環(huán)路的負(fù)載阻抗有關(guān)。通常，可以用寬帶電流探頭對(duì)環(huán)路電流進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)需要增加與PCB布線串連的導(dǎo)線，長(zhǎng)度以剛好夾在電流探頭上為宜。

傅里葉級(jí)數(shù)
因?yàn)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/8791/" target="_blank">數(shù)字電路采用方波信號(hào)，所以在應(yīng)用式(2)計(jì)算輻射發(fā)射之前，必須首先已知電流的傅里葉級(jí)數(shù)。對(duì)于對(duì)稱的方波，第n次諧波電流大小可以用式(3)來表示:

I是波信號(hào)的峰-峰值，d是信號(hào)的占空比，tr是信號(hào)的上升沿時(shí)間，T是信號(hào)的周期。計(jì)算差模輻射發(fā)射理論值，可根據(jù)式(3)確定每次諧波所含電流大小，接著將該電流值和各自響應(yīng)的頻率帶入式(1)進(jìn)行計(jì)算，依次重復(fù)，直到完成所有諧波頻率的計(jì)算。

在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電路板布局的差模輻射抑制
首先，應(yīng)努力控制信號(hào)與瞬態(tài)電源電流形成的每一個(gè)環(huán)路面積，使其最小，特別是作為主要輻射源的傳輸系統(tǒng)時(shí)鐘電路。時(shí)鐘信號(hào)通常也是系統(tǒng)中頻率最高的信號(hào)，其所有能量都集中在基波與其諧波組成的窄頻帶內(nèi)，因此，所有時(shí)鐘線都應(yīng)該有毗鄰的地回流線，這樣就能夠使總時(shí)鐘環(huán)路面積小于幾平方厘米。圖2是一典型的計(jì)算裝置產(chǎn)生的輻射發(fā)射頻譜圖，雖工作條件不同，但其最大發(fā)射幾乎相等。


多層電路板的差模輻射抑制
如果是多層板，使回流電流在地平面上流動(dòng)，并沿著與信號(hào)導(dǎo)線相同的路徑流動(dòng)，這樣可使線路的電感最小，環(huán)路的面積由信號(hào)導(dǎo)線的長(zhǎng)度以及信號(hào)層與地面之間的距離決定。由于這種設(shè)計(jì)成本偏高，所以常采用接地網(wǎng)格方法控制輻射發(fā)射。

背板的差模輻射抑制
數(shù)字系統(tǒng)中，連接各功能板信號(hào)的背板也是產(chǎn)生差模輻射的主要來源。因此，背板上的時(shí)鐘線等高頻強(qiáng)信號(hào)和易受干擾的微弱信號(hào)線應(yīng)安排在背板內(nèi)部的兩個(gè)地層之間，且強(qiáng)弱信號(hào)線分屬不同的內(nèi)部信號(hào)層。只有一個(gè)內(nèi)部地層的背板，應(yīng)將時(shí)鐘信號(hào)線布在靠近內(nèi)部地層的元件面一側(cè)。

互連電纜的差模輻射抑制
板間或單元內(nèi)的電纜布線也是一種差模輻射發(fā)射源。所以，應(yīng)采用帶屏蔽層的電纜。屏蔽電纜中按照減小差模輻射能力強(qiáng)弱排序依次為:光纖、同軸電纜、三芯電纜、雙絞線和帶狀電纜。