電磁輻射是指穿過(guò)空間的電磁能波。

　　我們都熟悉無(wú)線電、微波、光和X射線等術(shù)語(yǔ)——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光譜的一小部分，大約400-700太赫茲（THz）。

　　無(wú)線電波指的是KHz和GHz范圍內(nèi)的頻率，包括WiFi、藍(lán)牙、移動(dòng)電話通信、衛(wèi)星通信，當(dāng)然還有調(diào)頻廣播。

　　當(dāng)然，根據(jù)上面的例子，無(wú)線電波和通信非常有用，但是我們的電子設(shè)備有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生無(wú)意和不想要的輻射，這會(huì)干擾其他設(shè)備及其有意的通信。當(dāng)鄰居打開(kāi)微波爐時(shí)，我們不希望我們的WiFi停止工作。

　　在極端情況下，電磁輻射可以被武器化，例如用電磁炸彈產(chǎn)生的電磁脈沖，或者用無(wú)線電干擾器故意干擾通信。

　　就我們的電子設(shè)備而言，EMI（電磁干擾）和EMC（電磁兼容性）指的是我們的設(shè)備在電磁輻射方面表現(xiàn)如何。這通常是指無(wú)線電波范圍內(nèi)的EM，因?yàn)槲覀兊碾娮釉O(shè)備通常以KHz、MHz和GHz范圍內(nèi)的時(shí)鐘頻率工作。

　　EMI是指我們的設(shè)備發(fā)出的意外電磁輻射（可能會(huì)干擾其他設(shè)備）。

　　EMC指的是我們的設(shè)備在電磁輻射方面表現(xiàn)如何。

　　就EMC而言，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）即使暴露在一定量的有害電磁干擾下，仍將繼續(xù)正常運(yùn)行。

　　就EMI而言，請(qǐng)注意，任何電流切換的所有電子器件都會(huì)產(chǎn)生至少一定水平的電磁輻射，但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（在某些市場(chǎng)銷售時(shí)可能需要），通常需要通過(guò)EMI/EMC測(cè)試，該測(cè)試由經(jīng)過(guò)認(rèn)證的測(cè)試機(jī)構(gòu)執(zhí)行。EMI輻射測(cè)試可能如下所示：

　　EMI輻射發(fā)射測(cè)試波特圖。

　　這是一個(gè)波特圖或頻率分析圖，其中橫軸代表頻率，縱軸代表幅度——它顯示了一個(gè)頻率范圍內(nèi)的輻射幅度（參見(jiàn)我們的傅立葉變換文章）。為了通過(guò)測(cè)試，所有排放必須低于頂部橙色線所示的水平。

　　如果排放高于規(guī)定限值，則該裝置不能通過(guò)測(cè)試：

　　排放超標(biāo)-設(shè)備故障。

　　測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)化條件下，在一個(gè)特殊的試驗(yàn)箱中進(jìn)行：

　　天線接收設(shè)備發(fā)出的輻射，頻譜分析儀將它們標(biāo)繪在圖上。

　　EMI/EMC兼容設(shè)計(jì)在某種程度上與無(wú)線電設(shè)計(jì)相反。我們希望確保我們的設(shè)備不是收音機(jī)（至少除了我們特別希望它處于特定頻率的地方，例如如果我們的設(shè)備通過(guò)WiFi進(jìn)行通信）。眾所周知，收音機(jī)需要天線。當(dāng)交流電連接到天線時(shí)，天線會(huì)發(fā)出電磁輻射（EMI），當(dāng)天線接收到電磁輻射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓/電流（EMC）。

　　從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，電磁輻射是由正在加速的帶電粒子發(fā)出的（這發(fā)生在電流改變方向，或者開(kāi)始和停止的時(shí)候）。EMI/EMC設(shè)計(jì)需要注意系統(tǒng)中的交流（開(kāi)關(guān)電壓/電流）元件，以及系統(tǒng)中可能充當(dāng)天線的走線（導(dǎo)線）。

　　一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)良好的高速設(shè)計(jì)技術(shù)（參見(jiàn)我們的高速PCB設(shè)計(jì)介紹文章）也將有助于EMI/EMC。

　　返回電流

　　我們可能沒(méi)有想到這一點(diǎn)，但我們板上的每個(gè)信號(hào)都必須有一個(gè)返回路徑。通常這是通過(guò)電力網(wǎng)，如地面（GND）?？紤]以下場(chǎng)景：

　　我們的板上有兩個(gè)相互通信的器件（比如一個(gè)微控制器和一個(gè)傳感器）。它們之間的通信線路相對(duì)較短，從概念上講，當(dāng)我們考慮設(shè)備之間的通信時(shí)，這通常是我們所關(guān)注的全部?jī)?nèi)容；但是，通信線路也必須有一個(gè)返回電流，這是通過(guò)一條電源線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可能需要更長(zhǎng)的路徑。更長(zhǎng)的路線意味著更大的天線。在進(jìn)行EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)，我們還需要考慮返回電流路徑（電源線），并盡量縮短路徑（更小的天線）。

　　實(shí)施高速設(shè)計(jì)原則時(shí)，通常涉及4層以上的電路板，我們通常使用內(nèi)層作為電源層。只需在器件附近的電源層增加過(guò)孔，我們就可以確保電流返回路徑較短（電源層用藍(lán)色表示，白線表示概念性電流路徑）：

　　我們應(yīng)該小心，確保電源層中沒(méi)有可能再次導(dǎo)致更長(zhǎng)電流路徑的斷點(diǎn)（同樣，白線表示概念性電流路徑）：

　　同樣，這符合確保高速線路阻抗恒定的高速原則。

　　最小阻抗路徑

　　說(shuō)到阻抗；有趣的是，直流電流（DC）遵循最小電阻的路徑，而交流電流（交流）遵循最小電抗（阻抗）的路徑。當(dāng)我們考慮電抗是電阻的交流等價(jià)物時(shí)，這是有意義的。如果你不熟悉電抗/阻抗，那么請(qǐng)查看我們關(guān)于無(wú)源濾波器的文章。隨著頻率的增加，電抗的電感成分起著更大的作用，電流基本上開(kāi)始沿著電感最小的路徑流動(dòng)。這意味著，隨著頻率增加，電流實(shí)際上會(huì)直接在相關(guān)信號(hào)線下方流動(dòng)：

　　這就是為什么高頻線路下方的電源層必須保持完整。即使信號(hào)線遵循一條奇怪的路徑，在較高頻率下，返回電流仍會(huì)直接在其下方通過(guò)：

　　去耦電容

　　隨著電路板上元件所需的電流發(fā)生變化（例如，CPU突然需要更多功率來(lái)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算），電路板上電源走線中的電流也會(huì)發(fā)生變化，再次將這些走線變成天線。通過(guò)在電路板上放置足夠多的去耦電容，并盡可能靠近相關(guān)元件，我們可以盡可能地降低這種影響。從另一個(gè)角度來(lái)看，去耦電容在電源和地之間提供一條低阻抗路徑，以便交流電流流過(guò)。你可以閱讀更多關(guān)于去耦電容在這篇博客文章中。

　　通過(guò)縫合

　　過(guò)孔拼接是指在不同的電路板層上放置多個(gè)過(guò)孔，連接兩個(gè)（或多個(gè)）電源層。

　　雖然我們?cè)诟拍钌险J(rèn)為電源層是相連的，即使它們僅通過(guò)電路板角上的一個(gè)過(guò)孔相連也是相同的，但不斷變化的電源需求和電磁輻射實(shí)際上可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)（或更多）電源層之間的電壓略有不同。通過(guò)在電源層放置拼接過(guò)孔，我們可以確保任何可能出現(xiàn)的電壓差都可以通過(guò)短電流路徑解決，從而再次縮小天線的尺寸。

　　壓擺率

　　壓擺率指信號(hào)上升或下降的速度。我們可能在概念上認(rèn)為電壓電平會(huì)瞬間變化，但事實(shí)并非如此，電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平總是需要一定的時(shí)間。非?？焖俚霓D(zhuǎn)變導(dǎo)致帶電粒子在短時(shí)間內(nèi)加速，因此產(chǎn)生更高的電磁輻射。另一種看待這個(gè)問(wèn)題的方式是，根據(jù)傅立葉變換（參見(jiàn)我們的傅立葉變換文章），信號(hào)的邊緣越方，它包含的高頻分量就越多。出于這個(gè)原因，一些微控制器具有可調(diào)的壓擺率，以降低信號(hào)轉(zhuǎn)換的速度，并減少信號(hào)邊沿的方形度。降低壓擺率（在實(shí)際所需信號(hào)頻率所需的速度范圍內(nèi)——我們不能對(duì)1GHz信號(hào)進(jìn)行1ns的壓擺率，因?yàn)?GHz的頻率周期為1ns）可以減少電磁輻射。

　　蹣跚

　　一些具有寬通信總線的IC可以選擇錯(cuò)開(kāi)總線內(nèi)各條線路的開(kāi)關(guān)。交錯(cuò)切換，而不是一次切換所有線路，有助于將產(chǎn)生的電磁干擾分散到整個(gè)時(shí)間，從而將任何給定時(shí)刻的總電磁干擾降低到可接受的水平。

　　防護(hù)的

　　就EMI/EMC而言，屏蔽通常是第一個(gè)想到的解決方案，但實(shí)際上，在解決上述問(wèn)題后，它通常應(yīng)該是最后考慮的問(wèn)題。信號(hào)可以從甚至很小的縫隙中逃逸，例如PCB的側(cè)面，屏蔽有時(shí)相當(dāng)于試圖用大量的膠帶來(lái)固定一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品。也就是說(shuō)，屏蔽確實(shí)有它的位置——在沒(méi)有首先確保正確的PCB設(shè)計(jì)的情況下，它不應(yīng)該是首選的解決方案。

　　EMI/EMC設(shè)計(jì)包括考慮系統(tǒng)的交流（開(kāi)關(guān)）元件，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(jì)原則的設(shè)計(jì)也會(huì)具有良好的EMI/EMC。確保高速走線下的電源層不間斷、充分利用去耦電容、開(kāi)關(guān)IC周圍的電源層過(guò)孔以及盡可能保持高頻走線相對(duì)較短等原則將有助于改善EMI/EMC。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)盡可能小而緊湊，附近應(yīng)有良好的去耦電容。EMI/EMC不合格的2層設(shè)計(jì)可以通過(guò)，只需將內(nèi)層接地層改為4層，并在IC附近縫合過(guò)孔即可。可采取的進(jìn)一步措施包括查看電路板產(chǎn)生的特定頻率并追蹤其來(lái)源，使用近場(chǎng)探頭等工具查明發(fā)射源，使用TEM cells進(jìn)行快速認(rèn)證前測(cè)試并查看硬件和軟件變化的結(jié)果，以及使用其他EM分析工具，如EM掃描儀；這些可能是另一篇文章的主題。

　　審核編輯：黃飛