对于数字电路PCB设计中的EMI控制技术原理介绍

引言

随着IC 器件集成度的提高、设备的逐步小型化和器件的速度愈来愈高，电子产品中的EMI问题也更加严重。从系统设备EMC /EMI设计的观点来看，在设备的PCB设计阶段处理好EMC/EMI问题，是使系统设备达到电磁兼容标准最有效、成本最低的手段。本文介绍数字电路PCB 设计中的EMI控制技术。

1 EMI 的产生及抑制原理

EMI的产生是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的。它包括经由导线或公共地线的传导、通过空间辐射或通过近场耦合三种基本形式。EMI 的危害表现为降低传输信号质量，对电路或设备造成干扰甚至破坏，使设备不能满足电磁兼容标准所规定的技术指标要求。

为抑制EMI，数字电路的EMI设计应按下列原则进行：

* 根据相关EMC/EMI 技术规范，将指标分解到单板电路，分级控制。

* 从EMI 的三要素即干扰源、能量耦合途径和敏感系统这三个方面来控制，使电路有平坦的频响，保证电路正常、稳定工作。

* 从设备前端设计入手，关注EMC/EMI 设计，降低设计成本。

2 数字电路PCB 的EMI 控制技术

在处理各种形式的EMI 时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI 控制。

2.1 器件选型

在进行EMI 设计时，首先要考虑选用器件的速率。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，EMI 会提高约4倍。EMI 的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI 频率(fknee)也称为EMI 发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：

fknee =0.35/Tr(其中Tr 为器件的信号上升时间)

这种辐射型EMI的频率范围为30MHz 到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI 较高时，电路容易丧失正常的功能。因此，在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下，应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI 辐射的重要因素。一般地，贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA 封装的寄生参数小于QFP 封装。

2.2 连接器的选择与信号端子定义

连接器是高速信号传输的关键环节，也是易产生EMI 的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针，减小信号与地的间距，减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积，提供低阻抗回流通路。必要时，要考虑将一些关键信号用地针隔离。

2.3 叠层设计

在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI 辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。2.4 布局

根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是：

* 模拟信号易受数字信号的干扰，模拟电路应与数字电路隔开;

* 时钟线是主要的干扰和辐射源，要远离敏感电路，并使时钟走线最短;

* 大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响;

* 连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路;

* 输入/输出电路靠近相应连接器，去耦电容靠近相应电源管脚;

* 充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI 的影响;