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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、藍牙、移動電話通信、衛(wèi)星通信，當然還有FM廣播。

當然，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備以及他們有意的通信。我們不希望當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。就我們的電子設備而言，EMI（電磁干擾）和EMC（電磁兼容性）是指我們的設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 是指從我們的設備發(fā)出的意外電磁輻射（可能會干擾其他設備）。EMC是指我們的設備在電磁輻射方面的表現(xiàn)。在EMC方面，我們需要知道，我們的重要設備（醫(yī)療設備、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)正常運行。在EMI方面，請注意，所有具有任何電流開關的電子設備都會產(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，以符合法定標準。

產(chǎn)品認證

為了獲得我們產(chǎn)品的認證（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)過認證的測試機構進行。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，則設備將無法通過測試：

▲排放超過限值 - 設備故障

測試在標準化條件下在特殊的測試室中進行：

▲用于設備EMI測試的腔室

天線接收從設備發(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)性進行設計在某種程度上與設計無線電相反。我們希望確保我們的設備不是收音機（至少不是我們特別希望它在某些頻率上的位置，例如如果我們的設備通過 WiFi 通信）。眾所周知，收音機需要天線。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）。

從技術上講，電磁輻射是由帶電粒子加速發(fā)射的（當電流改變方向或開始和停止時發(fā)生），EMI/EMC設計需要注意系統(tǒng)中的AC（開關電壓/電流）組件，以及系統(tǒng)中可能充當天線的走線（電線）。一般來說，實施良好的高速設計技術也將有助于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，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，當我們考慮設備之間的通信時，這通常是我們所關注的全部內(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（電源層以藍色表示，白線表示概念電流路徑）：

我們應該注意確保我們的電源層沒有中斷，這可能會導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。當我們認為電抗是電阻的交流當量時，這是有道理的。如果您不熟悉電抗/阻抗，請查看我們關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行復雜的計算），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，我們可以確保可能出現(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的側面，而屏蔽有時相當于試圖用大量的膠帶來固定一個機械產(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設計之前，它不應該成為首選的解決方案。

總結

EMI/EMC設計涉及考慮系統(tǒng)的AC（開關）組件，并采取措施減小電流環(huán)路的尺寸。通常，考慮到高速設計原則的設計也將具有良好的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轉換器電路應盡可能小且緊密，附近應有良好的去耦電容器。一個不合格的 EMI/EMC 的 2 層設計只需更改為 4 層，內(nèi)層接地層并在 IC 附近拼接過孔即可通過。可以進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單元進行快速預認證測試并查看硬件和軟件更改的結果，以及使用其他電磁分析工具，如電磁掃描儀

該文章版權歸英國Labcenter公司所有，由廣州風標電子提供翻譯