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EMC基礎(chǔ)知識

EMC（Electromagnetic Compatibility，電磁兼容），包含EMI（Electromagnetic Interference，電磁干擾）和EMS（Electromagnetic Sensibility，電磁抗擾度）兩大部分。

EMI指的是電氣產(chǎn)品本身通電后，因電磁感應效應所產(chǎn)生的電磁波對周邊電子設備所造成的干擾影響，EMS指的是電氣產(chǎn)品本身對外來電磁波的干擾防御能力，即電磁場的免疫程度。電磁干擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導干擾傳播和輻射干擾傳播。通過導體傳播的電磁干擾，叫傳導干擾；通過空間傳播的電磁干擾，叫輻射干擾。

本文重點講述EMI的一些實戰(zhàn)設計技巧。

實戰(zhàn)設計技巧

1）環(huán)路要小

當存在一個磁場時，一個由導電材料形成的環(huán)路充當了天線，并且把磁場轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動的電流。電流的強度與閉合環(huán)路的面積成正比。較小面積的環(huán)路中通過的磁通量也少，感應出的電流也較小，因此環(huán)路面積必須最小。保持信號路徑和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地線環(huán)路，避免出現(xiàn)潛在的天線環(huán)。每根信號最好能做到與地的回流路徑最短，回路面積越小，信號的抗干擾能力越強，對外的EMI也達到最小。敏感信號用地包住，這樣包地即提供了信號最短回流路徑，也能消除與其它相鄰信號的干擾。比如時鐘信號，高頻信號等，在PCB設計時進行包地處理，并打些地孔，可有效降低EMI。包地處理如下：

第二種環(huán)路，出現(xiàn)在板級連接的場合。如智能機頂盒產(chǎn)品，在STB主板和EOC主板或者WIFI模塊連接時，會在GND鏈路形成一個板級環(huán)路?？梢栽贕ND中間串接一個電感或者鐵氧體磁珠進行隔離。

第三種環(huán)路，通過雙絞線電纜傳輸信號時，每對差分發(fā)射/接收都形成一個環(huán)路，因雙絞線緊密耦合，對于鏈路的電纜部分而言環(huán)路面積很小。需要保持緊密耦合，減小環(huán)路面積。

2） 增加旁路電容

因CMOS電路在時鐘轉(zhuǎn)換期間吸收的電流要高出平均流耗10mA的標準，而在時鐘轉(zhuǎn)換周之間的流耗非常低甚至為零。所以輻射限制方法是電壓和電流的峰值，不是平均值。在時鐘轉(zhuǎn)換過程中從電源至芯片電源引腳額電流浪涌是一個主要的輻射源，近端位置增加旁路電容，那芯片所需的電流直接由該電容器提供，避免了電流浪涌的產(chǎn)生，減小了噪聲。在芯片電源管腳、I/O口、重要信號接口等位置增加旁路電容，有助于濾除集成電路的開關(guān)噪聲。芯片電源管腳增加旁路電容(0.1uF)處理，電容要靠近管腳擺放，如下：

3） 管控好阻抗匹配

高速信號通過一根傳輸線并在該傳輸線上遇到特征阻抗的變化時，一部分信號會被反射回信號源，另一部分信號將沿原來的方向繼續(xù)傳輸，反射的信號將會導致輻射。

信號線和接地平面之間存在信號，輻射可以由信號走線或者接地平面的中斷所引起，所以要注意信號走線下方的接地平面是否完整。信號線下面的地要完整，要有完整的參考面。信號電流經(jīng)過一個低阻抗的路徑返還其驅(qū)動源，能夠有效減小輻射，而且由于地層的屏蔽作用，使得電路對外輻射的靈敏度也會降低。如果兩個電路的參考電平不一致，就會產(chǎn)生功能問題，如噪聲容限和邏輯開關(guān)門限電平紊亂，這個接地噪聲電壓就會導致地環(huán)路干擾的產(chǎn)生。

PCB板疊構(gòu)設計：在多層PCB中，推薦把電源面和接地面盡可能近的放置在相鄰的層中，它等效于一個均勻分布在整個板上的去耦電容。速度最快的關(guān)鍵信號應當放在臨近接地面的一邊，非關(guān)鍵信號則布放在靠近電源面。

做好阻抗管控，減少信號反射，降低輻射，如差分100ohm阻抗，USB 90ohm阻抗，DDR 50ohm阻抗，RF 50ohm 阻抗，EOC 同軸75ohm阻抗等，重要信號做好包地處理。

常用4層板PCB疊構(gòu)處理如下：

4） 做好屏蔽

屏蔽是最好的解決EMI問題的有效方法。輻射源屏蔽，能夠極大限度的解決EMI問題。在干擾源和干擾對象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播。可以做好預留設計。下圖為5G WIFI增加金屬屏蔽蓋的處理：

5） 電源處理

電源DC-DC芯片的VIN管腳，合理配置電容，減小輸入電源的EMI；在輸出端合理配置電感或鐵氧體磁珠，這樣電路動態(tài)功率將從近端的電容獲取，而不是從遠端的電源獲取，降低了噪聲干擾。電源平面和地平面盡量完整，不要瑣碎孤銅。下圖為TI DC-DC三路電源芯片VIN管腳的處理，近端位置擺放10uF電容：

實戰(zhàn)現(xiàn)場DEBUG技巧

以25MHz倍頻超標頻點為例

如下圖所示：

超標頻點，均是25MHz的倍頻點，分析整個產(chǎn)品的工作頻率，以太網(wǎng)的工作頻率是25MHz，或者CPU的時鐘為25MHz，就要想辦法進行抑制解決。

解決措施;

A：以太網(wǎng)25MHz工作頻點，包括MII接口TX、RX時鐘，需要增加串阻和對地電容。數(shù)據(jù)線增加22ohm/33ohm串阻降低峰值輻射。

B：CPU的時鐘輸入25MHz，晶振外殼接地，抑制EMI時鐘電路如下：

C：以太網(wǎng)100Base-T對接，變壓器或者AC耦合方式進行隔離，差分線上增加對地電容吸收諧波干擾。

D：STB產(chǎn)品，25MHz倍頻點還會通過同軸接口輻射出來，需要在F頭上擰一個螺帽將F頭與金屬外殼充分接觸，輻射頻點導到大地已達到抑制EMI效果。

E：板級對接，兩個不同的主板，通過排線/排針對接，排線/排針作為輻射源，對接接口增加去耦電容，如果是排線可以增加磁環(huán)，用于消除電路內(nèi)由于開關(guān)引起瞬變電流或寄生振蕩產(chǎn)生的高頻振蕩。

F：在輻射源上增加屏蔽蓋，以阻擋干擾的傳播。