顺利通过EMC试验（十九）文字版

预习思考题

你在设计PCB时，采取了哪些控制电磁辐射的措施？

上图是通过以下措施，降低辐射的效果。

1. 双层板改为多层板

2. 器件布局更加紧凑

3. 每个IC芯片电源线上增加了解耦电容

请分析辐射降低的道理。

为了有效地控制数字电路的电磁辐射，我们再复习一下数字电路中的几个辐射源。

首先，从通过电磁兼容性标准所要求的辐射发射角度讲，我们最需要关注的是时钟信号，更广泛的讲，周期性的信号所在的电路。

针对一个典型的电路，一个时钟电路，连接一个负载，我们给出了四个辐射源。

第一个，我们最熟悉的，时钟电路输出回路。

第二个，前面我们多次提到的，电源线回路，是数字电路输出级状态变化时，产生的瞬间短路电流所致。

第三个，我们不太注意的，电源线，包括拖在PCB外部的电源线导体。这构成了偶极天线。驱动偶极天线的电压就是电源线上的噪声电压。这种电压的成因，我们也多次进行论述。

第四个，大家最不注意的，但是却十分普遍，这就是地线上连接的导体。这也构成了偶极天线，地线上的噪声电压就是驱动天线的电压。

针对第一个辐射原因，可以采取的三个主要措施如图中所示。

首先，通过合理的布线，减小负载电流回路的面积。很多设计师都知道这个原则。实际上，减小回路面积不仅有利于降低辐射，还有利于降低电路的敏感性。

其次，我们可以减少负载回路中的高频电流，一个常用的方法是，在输出线上串联一个铁氧体磁珠。很多设计师都知道磁珠是一种流行的EMI抑制器件，但是，他们不知道制作磁珠的铁氧体材料有很大的差异性。一个好的EMI磁珠，应该具有较大的损耗，也就是，它对于高频信号，应该呈现电阻的特性，而不是电感的特性。在电路中串联一个电感不是一个稳妥的措施，因为电路中有杂散电容，串联一个电感，会构成LC电路，而LC电路会在某个频率发生谐振，导致骚扰能量被放大。

第三个措施，减少这些信号自身的骚扰性，例如，减少高次谐波成分，这些高次谐波成分最容易产生辐射，但是对于保持电路工作没有任何意义。其次，采用扩谱时钟信号，这是一种通过扩展时钟信号谱线的方法降低辐射发射。

对于电源线回路的辐射，去耦电容是最有效的方法。

这个方法的思路是，逻辑电路输出状态变化时，导致的电源线与地线之间的瞬间电流，由去耦电容来提供，只要去耦电容与电路芯片之间形成的回路面积很小，就可以降低辐射。

很多设计师可能会说，我们在数字电路芯片的旁边都安装了去耦电容。但是，去耦电容要真正起到应有的作用，需要注意很多细节。

最关键的是，去耦电容要具有良好的高频特性，也就是，它能够提供高频电流。特别是，数字电路的工作速率越来越高，这意味着需要的电流频率越来越高。

有经验的设计师，会使用大电容和小电容并联的方法来满足较宽频率范围内的要求，但是这会带来其他问题。目前流行的方法是，用多个容量相同的电容并联起来形成一个较大容量的电容。

还有一些新型的器件也具有很好的高频特性，例如，三端电容。

另外，是用扩谱时钟技术同样可以减小这类辐射。

对于电源线产生的辐射，重要的是减小PCB上的电源线上的噪声电压。

前面介绍的去耦电容是解决这个问题的有效方法。

因为，当剧烈变化的电流局限在去耦电容与芯片之间较小的回路之间时，意味着较长的电源线上电流变化也减小了，因此，就会减小电源线上的噪声电压。

这样，也就降低了电源线的辐射。

另外，我们可以采用多层PCB，并将其中一层设置成电源线，这样使电源线的阻抗很低，电感很小，降低变化的电流产生的噪声电压。

还有，我们可以在PCB上，连接外部电源线的位置安装效能更好的共模滤波器，进一步减少电源线上的共模电流，从而减小电源线的辐射。

这里的关键是减小地线上的噪声电压。

大家应该知道，前面所论述的针对电源线回路，信号线回路，所采取的减小回路电流的措施，对于降低地线的噪声电压也是十分有益的。

因为，所谓地线，实际上就是电源线、信号线的回流线，当电源线、信号线上的电流变化减小了，地线上的电流变化肯定也会减小。

可见，在电磁兼容设计中，往往一个措施会对很多问题都有效果。

除了前面所述的信号线上安装磁珠，电源线上安装去耦电容等措施以外，还有一些措施对于降低地线外拖导体的辐射十分有效。

第一，使用整层的地线面，这样地线具有很低的阻抗，自然也就降低了地线噪声电压。

第二，在PCB地外拖地线的位置，与金属机箱面板连接起来。这会起到意想不到的效果。实际上，这样连接后，对于抵抗空间的电磁场骚扰也十分有效。但是，很多设备中，要求PCB“浮地”，也就是，PCB的地线不与金属机箱连接，这就失去了这种优点。一种解决方法是，通过电容把PCB的地线与金属机箱面板连接起来。

第三，把I/O 接口布置在PCB的同一侧，因为这样电缆之间的地线电压最小，可以降低电缆的辐射。