快速掌握Proteus應(yīng)用

簡介

電磁輻射是指在空間中傳播的電磁能量波。我們都熟悉無線電、微波、光和X射線等術(shù)語，這些都是不同頻率的電磁輻射。我們用眼睛看到的光只是電磁波譜的一小部分，大約是400-700太赫茲（THz）。無線電波指的是KHz和GHz范圍內(nèi)的頻率，包括像WiFi、藍(lán)牙、移動電話通信、衛(wèi)星通信，當(dāng)然還有FM廣播。

當(dāng)然，無線電波和通信是非常有用的，就像上面的例子一樣，然而我們的電子設(shè)備有時也會產(chǎn)生無意的和不必要的輻射，這可能會干擾其他設(shè)備以及他們有意的通信。我們不希望當(dāng)鄰居打開他們的微波爐時，我們的WiFi停止工作。在極端情況下，電磁輻射可以被武器化，如電磁炸彈產(chǎn)生的EMP（電磁脈沖），或如故意破壞通信的無線電干擾器。就我們的電子設(shè)備而言，EMI（電磁干擾）和EMC（電磁兼容性）是指我們的設(shè)備在電磁輻射方面的表現(xiàn)。通常，這是指無線電波范圍內(nèi)的EM，因為我們的電子設(shè)備通常以KHz，MHz和GHz范圍內(nèi)的時鐘頻率工作。

EMI 是指從我們的設(shè)備發(fā)出的意外電磁輻射（可能會干擾其他設(shè)備）。EMC是指我們的設(shè)備在電磁輻射方面的表現(xiàn)。在EMC方面，我們需要知道，我們的重要設(shè)備（醫(yī)療設(shè)備、車輛引擎-管理-系統(tǒng)等）即使暴露在一定程度的電磁干擾下，仍將繼續(xù)正常運(yùn)行。在EMI方面，請注意，所有具有任何電流開關(guān)的電子設(shè)備都會產(chǎn)生至少一定程度的電磁輻射，但是我們需要將這些輻射保持在一定水平以下，以符合法定標(biāo)準(zhǔn)。

產(chǎn)品認(rèn)證

為了獲得我們產(chǎn)品的認(rèn)證（可能需要在某些市場銷售），通常需要通過EMI / EMC測試，該測試由經(jīng)過認(rèn)證的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行。EMI輻射發(fā)射測試可能如下所示：

▲EMI 輻射發(fā)射測試波特圖

這是一個波特圖或頻率分析圖，其中橫軸表示頻率，縱軸表示幅度 - 它顯示了一系列頻率的發(fā)射幅度。為了通過測試，所有排放必須低于頂部橙色線指示的水平。

如果發(fā)射量高于指定限值，則設(shè)備將無法通過測試：

▲排放超過限值 - 設(shè)備故障

測試在標(biāo)準(zhǔn)化條件下在特殊的測試室中進(jìn)行：

▲用于設(shè)備EMI測試的腔室

天線接收從設(shè)備發(fā)出的輻射，頻譜分析儀將其繪制在圖表上。

針對EMI/EMC合規(guī)性進(jìn)行設(shè)計在某種程度上與設(shè)計無線電相反。我們希望確保我們的設(shè)備不是收音機(jī)（至少不是我們特別希望它在某些頻率上的位置，例如如果我們的設(shè)備通過 WiFi 通信）。眾所周知，收音機(jī)需要天線。天線在交流電連接時發(fā)出電磁輻射（EMI），并在接收到電磁輻射時產(chǎn)生電壓/電流（EMC）。

從技術(shù)上講，電磁輻射是由帶電粒子加速發(fā)射的（當(dāng)電流改變方向或開始和停止時發(fā)生），EMI/EMC設(shè)計需要注意系統(tǒng)中的AC（開關(guān)電壓/電流）組件，以及系統(tǒng)中可能充當(dāng)天線的走線（電線）。一般來說，實施良好的高速設(shè)計技術(shù)也將有助于EMI / EMC。

返回電流

我們可能不會考慮它，但我們板上的每個信號都必須有一個返回路徑。通常這是通過電源網(wǎng)絡(luò)，例如接地（GND），請考慮以下方案：

我們的電路板上有兩個相互通信的設(shè)備（例如微控制器和傳感器）。它們之間有一條相對較短的通信線，從概念上講，當(dāng)我們考慮設(shè)備之間的通信時，這通常是我們所關(guān)注的全部內(nèi)容;但是通信線路也必須有一個返回電流，并且是通過電源線產(chǎn)生的，這可能需要更長的路線。更長的路由意味著更大的天線。在設(shè)計EMI/EMC時，我們還需要考慮返回電流路徑（電源線），并盡量保持較短（較小的天線）。

在實現(xiàn)高速設(shè)計原則（通常涉及4層以上的電路板）時，我們通常使用內(nèi)層作為電源層。通過簡單地將過孔添加到組件附近的電源層，我們可以確保電流的返回路徑較短（電源層以藍(lán)色表示，白線表示概念電流路徑）：

我們應(yīng)該注意確保我們的電源層沒有中斷，這可能會導(dǎo)致電流路徑再次變長（同樣，白線表示概念電流路徑）：

同樣，這也符合高速原則，即確保高速線路的阻抗恒定。

最小阻抗路徑

說到阻抗，有趣的是，直流電（DC）遵循電阻最小的路徑，而交流電（AC）遵循電抗（阻抗）最小的路徑。當(dāng)我們認(rèn)為電抗是電阻的交流當(dāng)量時，這是有道理的。如果您不熟悉電抗/阻抗，請查看我們關(guān)于無源濾波器的文章。隨著頻率的增加，電抗的感性元件起著更大的作用，電流基本上開始遵循最小電感的路徑。這意味著，隨著頻率的增加，電流實際上會嘗試直接跟隨相關(guān)信號線：

這就是為什么在高頻線路下方保持不間斷的電源層很重要的原因。即使信號線遵循一條奇怪的路徑，返回電流仍然希望以更高的頻率直接跟隨它下面：

去耦電容器

隨著電路板上組件所需的電流發(fā)生變化（例如，CPU突然需要更多功率來進(jìn)行復(fù)雜的計算），電路板上電源走線中的電流也會發(fā)生變化——再次將這些走線變成天線。通過在我們的電路板上安裝足夠的去耦電容器，盡可能靠近相關(guān)組件，我們可以盡可能減少這種情況。另一種看法是，去耦電容在電源和地之間提供一條低阻抗路徑，供交流電流過。您可以在這篇博客文章（Decoupling Capacitors中閱讀有關(guān)去耦電容器的更多信息。

通孔拼接

通孔拼接是指在不同的電路板層上放置連接兩個（或多個）電源層的多個過孔。

雖然我們從概念上考慮要連接的電源層，即使它們僅通過電路板角落的單個通孔連接，也相同，但不斷變化的功率需求和電磁輻射實際上可能導(dǎo)致兩個（或多個）電源層之間的電壓略有不同。通過電源層放置旁路，我們可以確?？赡艹霈F(xiàn)的任何電壓差都可以通過短電流路徑解決 - 再次減小天線的尺寸。

壓擺率

壓擺率是指信號上升或下降的速度。我們可以從概念上認(rèn)為電壓電平會瞬時變化，但事實并非如此——電壓從一個電平轉(zhuǎn)換到另一個電平總是需要一些有限的時間。非常快的躍遷導(dǎo)致帶電粒子在短時間內(nèi)加速，因此電磁輻射發(fā)射更高。另一種看待這個問題的方法是，就傅里葉變換而言，信號邊緣越方，它包含的高頻分量就越多。因此，一些微控制器具有可調(diào)壓擺率，以減慢信號轉(zhuǎn)換的速度并降低信號邊沿的垂直度。降低壓擺率（在實際所需信號頻率所需的速度范圍內(nèi) - 我們不能在1GHz信號上實現(xiàn)1ns的壓擺，因為1GHz的頻率周期為1ns）可以減少電磁輻射發(fā)射。

錯開

一些具有寬通信總線的IC可能包括錯開總線內(nèi)單個線路切換的選項。交錯切換，而不是一次切換所有線路，有助于將產(chǎn)生的EMI分散到不同的時間范圍內(nèi)，從而將任何給定時刻的總EMI降低到可接受的水平。

屏蔽

屏蔽通常是在EMI/EMC方面首先想到的解決方案，但實際上它通常應(yīng)該是在解決了上述問題之后的最后一個考慮因素。信號甚至可以從很小的縫隙中漏出，如PCB的側(cè)面，而屏蔽有時相當(dāng)于試圖用大量的膠帶來固定一個機(jī)械產(chǎn)品。也就是說，屏蔽確實有它的用武之地——只是在沒有確保正確的PCB設(shè)計之前，它不應(yīng)該成為首選的解決方案。

總結(jié)

EMI/EMC設(shè)計涉及考慮系統(tǒng)的AC（開關(guān)）組件，并采取措施減小電流環(huán)路的尺寸。通常，考慮到高速設(shè)計原則的設(shè)計也將具有良好的EMI/EMC。諸如確保高速軌道下的電源層不間斷、充分利用去耦電容器、開關(guān)IC周圍電源層的通孔以及盡可能保持高頻軌道相對較短等原則將有助于EMI/EMC。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)盡可能小且緊密，附近應(yīng)有良好的去耦電容器。一個不合格的 EMI/EMC 的 2 層設(shè)計只需更改為 4 層，內(nèi)層接地層并在 IC 附近拼接過孔即可通過?？梢赃M(jìn)一步查看電路板正在生成哪些特定頻率并跟蹤源可能是什么，使用近場探頭等工具查明發(fā)射源，使用TEM單元進(jìn)行快速預(yù)認(rèn)證測試并查看硬件和軟件更改的結(jié)果，以及使用其他電磁分析工具，如電磁掃描儀

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