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PCB板电磁干扰产生的原因分析
时间:2016-10-13 09:10:10     点击数:1559 次

1.发射频率

在电磁干扰频率范围内,人们关心的不仅是信号的时钟频率,还包括信号的高阶谐波。高阶谐波频率的振幅由器件输出信号的上升时间和下降时间决定。信号的上升沿和下降沿变化得越快,信号频率越高,电磁干扰就越大。任何电路,如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件,电磁干扰会提高约4倍。如果不考虑时钟频率,若电路信号的上升或下降时间窄到11ns,则会产生0~30MHz范围内的各种谐波,因而产生很强的电磁干扰辐射。

2.PCB寄生参数

PCB上的每一条布线及其返回路径可以用3个基本模型来描述,即电阻、电容和电感。在电磁干扰和阻抗控制中,电容和电感的作用很大。当两个不同电压的导电层由绝缘材料分隔时,两个导电层之间就会产生电容。在电路板上,一条布线及其所有相邻的布线或导电层之间的绝缘区域都会形成电容。绝缘区由导体周围的空气和隔离导体的FR4材料组成。

导线及其回路(地线或接地层)之间形成的电容数值最大。VCC电源层(如5V),对于交流信号来说与接地层等效。通常为了抑制信号电场的辐射,有必要保证布线及其回路之间电容的数值较高,当布线加宽或与回路之间的距离变近时,电容数值就会升高。电感是电路板导体储存周围磁能的元件。磁场是由流过导体的电流产生或感生的,磁能阻碍电流的变化。通过电感的信号频率越高,电感的阻抗就越大,因此,当输出信号的上升和下降沿谐波频率落在电磁干扰辐射频带范围之内时(上升时间为11ns或更快),降低PCB上导体的电感值就很重要。

电感的数值表示它储存导体周围磁场的能力,如果磁场减弱,感抗就会减小。磁场的大小,部分取决于导体的截面积(厚度和长度)。当导体变宽、变厚或变短时,磁场就会减弱,电感就会降低。

更重要的是,磁场的大小是由导线及其电流回路构成的闭环面积的函数。如果把导线与其回路靠近,两者产生的磁场就会相互抵消,这是因为二者磁场大小大致相等,极性相反。在很狭窄的空间内,信号路径及其回路周围的磁场大部分对消掉了,因而电感很低。

3.阻抗

导线和回路之间的阻抗以及一对电源回路之间的阻抗,是导线及其回路或电源回路之间电感和电容的函数, 从电磁干扰控制的角度来说,希望电路的阻抗较低。当电容较大、电感较小时,只要使导线和其回路间保持紧密耦合(紧密布局),就能满足要求;当电容减小时,阻抗增大,电场屏蔽能力减弱,电磁干扰增大;当电感增加时,阻抗增大,磁场屏蔽能力减弱,电磁干扰也会增大。

4.电流路径

每个电路都存在一个闭环回路,当电流从一个器件流入另一个器件,在导线上就会产生大小相同的回流,从而构成闭合回路。在PCB上,当信号流过导线,如果信号频率低(最多几百赫兹),回路电流就会沿着阻抗最小的路径,通常是最短且/或最宽的路径,流回到发送信号的器件。一旦信号频率超过几千赫兹(但还在低频范围内),回流信号就会与信号源发送的信号产生电场和磁场的耦合作用。

这就要求回路应尽可能靠近始发信号路径。在频率较高时,当一条导线直接在接地层上布置时,即使存在更短的回路,回路电流也要直接从始发信号路径下的布线层流回信号源。在高频情况下,回路电流要沿着具有最小阻抗的路径返回信号源,即电感最小和电容最大的路径。这种靠大电容耦合抑制电场,靠小电感耦合抑制磁场来维持低电抗的方法称为自屏蔽。根据每条导线的回路布线,就能实现自屏蔽。

两种形式的电磁干扰在电路中,电磁能通常存在两种形式,差模电磁干扰和共模电磁干扰,区别二者有助于更好地理解控制电磁干扰的方法。

电路中器件输出的电流流入一个负载时,就会产生差模电磁干扰。电流流向负载时,会产生等值的回流。这两个方向相反的电流,形成标准差模信号,注意不能与差动信号相混淆。差动信号的另一组信号不是参照回路层(如电源层或地层),两个信号相位差为180°。无论是差模还是差动工作模式,电路板只能近似达到一个理想的自屏蔽环境,完全抵消信号通路及其回路之间的电场和磁场是不现实的,残留的电磁场就形成了差模电磁干扰。

电流流经多个导电层(如PCB上的导线组或电缆),就会产生共模辐射。典型的共模辐射回路电流流经高阻抗路径时产生,进而产生很大的磁场。磁场以共模电流的形式将其能量耦合到导线组、电线或电缆之中,共模特性表现为这些导线组中的感生电流方向全部相同,由于这些导线没有形成回路,所以不能产生相反方向的电磁场,向外辐射能量的大天线就是这样形成的。更糟糕的是,流入和流出电路板及其外壳的导线、电线或电缆的屏蔽罩中也能产生共模电流。

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