电子设备中基于接地与屏蔽的电磁兼容性设计

随着微电子技术的快速发展，电子设备应用越来越广泛，电子系统的集成度越来越高，但是在复杂电磁环境下，电子系统对电磁干扰有明显的敏感性和脆弱性。为了减少故障并杜绝事故的发生，必须对电子设备进行电磁兼容性设计。只要电子电气设备通电就会产生电磁场，电生磁，磁生电，因此电磁环境是非常复杂的，一方面要求使用电子设备时对周围的电磁环境不造成污染，另一方面也要求该电子设备在现实电磁环境应用中不至于性能下降或发生故障以致产生严重事故。因此必须对电子设备的电磁兼容性进行研究，对电磁导致的干扰进行控制与防护[1-2]。基于电磁兼容性设计的重要性，以下对相关问题作某些探讨。

1 常见的电磁干扰现象及其分析

电磁及其感应现象是普遍存在的，因此电子系统的电磁工作环境是非常复杂的。从工程应用角度，电磁干扰按工作频率的不同可将其进行分类。例如，一般电网中普遍存在谐波信号电压波动、电网频率变化与低频感应电压、电网电压不平衡、电网供电波动短暂下降与短时间中断等导致的低频传导干扰，磁场与电场的低频辐射干扰;由于感应连续波电压电流的振荡瞬变与单向瞬变引起的高频传导干扰，电磁场(连续波、瞬态)与磁场、电场导致的高频辐射干扰;由于材料的绝缘性能导致的静电放电干扰等。上述提及的干扰包含了工程应用中绝大多数的电磁干扰现象。

在对电子系统进行抗干扰性能分析时，必须对导致系统的固有特性及其应用环境进行综合分析。电子电路系统中可能出现的电磁干扰类型有：例如，由于存在电路回路的公共阻抗耦合，因而导致电路性的相互干扰;由于干扰源与干扰对象之间存在着变化的电场，通过电容耦合可能形成电容性干扰，因其会产生干扰电压; 空间电磁波的电、磁场强度变化，可能产生感电势导致的传导电流和传导电压的干扰;在交变磁场干扰源中，电流变化可能导致在电感性元件上产生感应电压，因而产生电感性干扰等等。

2 电磁兼容性及其设计机理

2.1 电磁兼容性

随着电气及电子设备在现代化生产中的广泛应用，设备联接越来越复杂，功率越来越大，数量急剧增加，对设备要求也越来越高，频带日益加宽，设备灵敏度更高， 因此电磁兼容性问题变得更加重要。电磁兼容(EMC，ElectromagneticCompatibility)的涵义是指处于电磁环境中的电子系统， 任何其他事物都不可能对它构成不能承受的电磁干扰能力，且设备或系统都能够正常地工作。电磁兼容技术涉及通信、计算机、电子、生产、军事以及生活的各个方面，是一门正在迅速发展的交叉学科。电磁兼容是研究在有限空间、有限时间与有限频谱资源条件下，不同设备相互之间可以共存而不致相互影响的科学。由上述电磁兼容定义可知，电磁兼容的涵义包括：设备对周围其他设备不产生不能承受的干扰，其本身也不受其他设备干扰的影响。电磁兼容性研究涉及多个方面，首先是对电磁干扰源自身特性的研究;其次，电磁发射强度、干扰机理与电磁干扰抑制方法以及电磁干扰的时频域特性等方面的研究，第三，特别值得注意的是设备自身抗电磁干扰性能的研究;最后，如何评价电磁辐射与传导特性等电磁兼容性，采用什么设备与测量方法对电磁干扰进行测量，如何处理测量数据与测量结果。从更大范围考虑，它还涵盖了系统内及系统间的电磁兼容性。电磁兼容性研究内容包括自然及人为电磁干扰源，如闪电现象与静电放电就是自然电磁干扰源，干扰源的测量包括开阔场地、辐射、传导与脉冲干扰的测量(电浪涌、快速瞬变脉冲群与静电放电)，在实现电磁兼容性的技术方面有屏蔽、接地、绑接与滤波等，也包括采用特殊设计技术以抑制电磁干扰。

2.2 抗电磁干扰设计机理

要构成电磁干扰必须同时具备三个条件：其一，必须有干扰源存在，没有干扰源存在，显然不可能对设备产生电磁干扰;其二，有传播电磁干扰的通道存在，否则不可能形成对设备的电磁干扰;其三，设备要能够接受到干扰信号，并直接影响到设备的正常工作，因此即使设备接受到了干扰，如果采取技术措施可消除其对设备的干扰。例如，一个鲁棒性很强的设备，是不会受到电磁干扰影响的。抗电磁干扰设计机理就是要采取电磁兼容性设计，使上述三个条件不同时具备，以达到提高设备抗电磁干扰的目的。

以电子设备抗干扰设计为例，因为设备中高频干扰特别突出，首先是对设备发射的射频能量进行控制，使其尽可能地小以免干扰其它设备，其次，为了设备不受到外界干扰，必须尽量减小进入该设备的射频能量。电磁干扰可以借助辐射或者传导传输两种方式实现，如干扰源能量直接辐射到控制线、信号线与电源线进入设备后，可通过公共信号、控制电缆或公共电源线等耦合途径直接干扰设备的正常工作。因此，可在设备端口或敏感回路，采用共模或差模抗干扰措施，最大限度地减少对其影响，降低辐射与传导的能量，提高设备的抗干扰性能，其抗电磁干扰设计机理就是杜绝同时满足上述的三个必备条件[3-4]。基于此，其抗电磁干扰设计的技术措施可以是各种各样的，随着技术的进步，可采取的技术措施会越来越丰富，以保证设备设计的电磁兼容性。

3 抗干扰设计策略

抗电磁干扰设计就是在复杂电磁频谱环境下，采用综合技术措施以保障电子设备正确发挥效能。按照抗电磁干扰设计机理，首先是抑制干扰源以防范电磁干扰; 其次是采取防电磁干扰措施，以阻断干扰传播途径;最后，是降低电子设备对干扰的敏感度，或者提高电子设备的鲁棒性性能，以预防与抑制电磁干扰。针对电子系统的电缆接插件、印制板布局、信号布置，抑制干扰布线、元器件、滤波器、接地与旁路等环节可能引入的电磁干扰信号，可采用隔离、电路阻抗控制、滤波、解耦、密封、接地、屏蔽、正确布线等抗电磁干扰措施。

3.1 PCB版的合理布局与布线设计

在电路布局方面，电源、模拟与数字电路的元件布局和布线是不同的，在元件布局时应将其分别放置，应将高、低频电路分开，尽可能将其各自隔离，注意信号传输方向、途径以及强、弱信号的器件分布相互之间不要产生干扰。对于容易产生噪声干扰的电路，如时钟发生器、晶振与CPU 时钟等的输入端等，应当相互尽可能地靠近些，以便于合理布局整个PCB版，减少干扰源。强弱电流不同的电路与易产生噪声的器件应尽可能远离逻辑电路。最大限度地减少信号通路与电路元件布局中无用信号的相互耦合。为避免模拟、数字电路产生公共阻抗耦合，将低电平的模拟与数字电路分开，并且远离无滤波的电源和高电平信号线;在PCB版布局上，应将不同的高、中、低速逻辑电路分别布局于不同的区域，确保同层相邻布线、同板相邻层、相邻板之间的平行信号线尽可能长度最小;EMI滤波器放置于同一线路板并尽可能靠近EMI源;整流器、DC/DC变换器与开关元件与变压器的放置位置应当尽可能地靠近以缩短导线长度。滤波电容器、调压元件与整流二极管的放置位置也应当尽可能地靠近，以减少对外部的干扰;噪声与非噪声元件尽量远离，将印刷电路板按电流开关特性与频率分区， 杜绝大电流、高速开关线与噪声敏感布线相互平行。