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推荐一篇浅显易懂的EMI好文

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发表于 2010-11-14 09:49:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
日常生活中,我们常常可以看到这样的现象,当把手机放置在音箱旁,接电话的时候,音箱里面会发出吱吱的声音,或者当我们在测试一块电路板上的波形时,忽然 接到同事的电话,会发现接电话瞬间我们示波器上的波形出现变形,这些都是电磁干扰的特征。电磁干扰不但会影响系统的正常工作,还可能给电子电器造成损坏, 甚至对人体也有害处,因此尽可能降低电磁干扰已经成为大家关注的一个焦点,诸如FCC、CISPR、VCCI等电磁兼容标准的出台开始给电子产品的设计提 出了更高的要求。虽然人们对电磁兼容性的研究要远远早于信号完整性理论的提出,但作为高速设计一部分,我们习惯地将EMI问题也列入信号完整性分析的一部 分。本章将全面分析电磁干扰和电磁兼容的概念、产生及抑制,重点针对高速PCB的设计。

4.1 EMI/EMC的基本概念
    电磁干扰即EMI(Electromagnetic Interference),指系统通过传导或者辐射,发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为所有的电子产品都会不可避免地产生 一定的电磁干扰,为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力,人们提出了电磁兼容这个概念。美国联邦通 讯委员会在1990年和欧盟在1992都提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规 章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。对于电磁兼容性,必须满足一下三个要素:
1.   电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如,大的,一个房间甚至宇宙;小的,可以是一块集成电路板。
2.   电磁兼容必须同时存在骚扰的发射体和感受体。
3.   必须存在一定的媒体(耦合途径)将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间,也可以是公共电网或者公共阻抗。
  对于EMI,可以按照电磁干扰的途径(详细的分类参见附录一)来分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果骚扰源不是处在一个全 封闭的金属外壳内,它就可以通过空间向外辐射电磁波,其辐射场强取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效阻抗,以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳 带有缝隙与孔洞,则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时,则可形成干扰子辐射源向四周辐射,辐射场中金属物还可以形成二次 辐射;传导干扰,顾名思义,骚扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射,也可以通过公共阻抗耦合,或接地回路耦合,将干扰带入其他电路,传导干扰是电磁干 扰的一种重要形式;感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径,当骚扰源的频率较低时,骚扰电源的辐射能力有限。同时骚扰又不直接与其 他导体连接,此时电磁骚扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合,将电磁能转移到其他导体上去,在邻近导体内感应出骚扰电流或者电压。感应耦合可以通过导 体间的电容耦合的形式出现,也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。

4.2 EMI的产生
  我们来分析一下EMI的产生,忽略自然干扰的影响,在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。
4.2.1 电压瞬变
  对于电磁干扰的分析,可以从电磁能量外泄方面来考虑,如果器件向外泄露的能量越少,我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说,产生高 频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道,数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的,而是融合了很多高次谐波分量,这些谐波的振 幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定,信号上升和下降速率越快,即开关频率越高,则产生的能量越多。所以,如果器件在很短的时间内完成很大的电压 瞬变,将会产生严重的电磁辐射,这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常,高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算:
  F=1/πTr,
F为开关电路产生的最高EMI频率,单位为GHz,Tr为信号的上升时间或者下降时间,单位为ns。

图1-4-1 理想信号回流示意图

图1-4-1 实际情况中的信号回流
  对高频信号回流的理解不能有一个思维定势,认为回流必须完全存在于信号走线正下方的参考平面上。事实上,信号回流的途径是多方面的:参考平面,相邻的走 线,介质,甚至空气都可能成为它选择的通道,究竟哪个占主要地位归根结底看它们和信号走线的耦合程度,耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。比如在多 层PCB设计中,参考平面离信号层很近,耦合了绝大部分的电磁场,99%以上的信号能量将集中在最近的参考平面回流,由于信号和地回流之间的环路面积很 小,所以产生的EMI也很低。但如果由于相邻的参考平面上存在缝隙等非理想因素,这就导致了回流的面积增大,低电感的耦合作用减弱,将会有更多的回流通过 其它途径或者直接释放到空中,这就会导致EMI的大大增加。
我们参考图1-4-3来分析信号回流对EMI的影响,可以看到:信号和回流外部区域,由于磁场的极性相反,可以相互抵消,而中间部分是加强的,这也是对外 辐射的主要来源。很明显,我们只要缩短信号和回流之间的距离,就可以更好的抵消外围的电磁场,同时也能降低中间加强部分的面积,大大抑制EMI。

图1-4-3信号回路的磁场耦台分析
4.2.3 共模和差摸EMI
  当两条或者多条信号线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模干扰。共模特性表现为这些导线组中的感生电流方向全部相同,而产生的磁 场也是他们相同方向磁场的迭加,增大了磁场强度,向外辐射能量的大天线就是这样形成的。在共模的情况下,会导致磁场强度的变大和电场强度减小,这样就相当 于增加了传输线的电感和减小传输线的电容值。因此,如果传输线的阻抗变大,电磁场能量外泄增加,电磁干扰也变大。
  电源线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的干扰,就叫做差模干扰。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,当回流电 流完全居于传输电流下方的时候,就形成了标准的差模信号。由于它们相互之间产生的磁场方向相反,因而可以抵消大部分的磁场,抑制了磁场的外泄比率,而其中 残留的电磁场就形成了差模EMI。

图1-4-4 电场感应示意图
其中A为干扰源,B为受感应设备,其中Ua和Ub之间的关系为
    Ub=C1*Ua/(C1+C2)
C1为A、B之间的分布电容;C2为受感应设备的对地电容。
根据示意图和等式,为了减弱B上面的地磁感应,使用的方法有
1.   增大A和B之间的距离,减小C1。
2.   减小B和地之间的距离,增大C2。
3.   在AB之间放置一金属薄板或将A使用金属屏蔽罩罩住A,C1将趋向0数值。
    相对来说1和2比较容易理解,这里主要针对第3种方法进行分析。由图1-4-5可以看出,插入屏蔽板后(屏蔽板接地)。就造成两个分布电容C3和C4,其 中C3被屏蔽板短路到地,它不会对B点的电场感应产生影响。而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容,C3和C4,实际上是处在并联的位置上。这样,B设 备的感应电压ub'应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1'与并联电容C2和C4的分压,即
    Ub=C1'*Ua/(C1'+C2+C4)

图1-4-5加入金属板后的电场感应图
  由于C1'远小于为屏蔽的C1,所以在B的感应电压就会减小很多。因此,很多时候都采用这种接地的金属罩作为屏蔽物。
  以下是对电场屏蔽的几点要点总结:
1.   屏蔽金属板放置靠近受保护设备比较好,这样将获得更大的C4,减小电场感应电压。
2.   屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响,例如,全封装的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果,而开孔或带缝隙的屏蔽罩可以有最好的电场屏蔽效果,而且开孔或者带缝隙的屏蔽罩,其屏蔽效能会受到不同程度的影响.
3.   屏蔽板的材料以良性导体为佳。对厚度并无特殊要求。
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 楼主| 发表于 2010-11-14 09:58:41 | 显示全部楼层
做成附件吧,有点长
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发表于 2010-11-14 15:27:12 | 显示全部楼层
下载来看看,学习一下
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发表于 2010-11-14 15:28:47 | 显示全部楼层
HEN HAO 很好111111111111
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lpyangyang2006 该用户已被删除
发表于 2010-11-14 21:46:45 | 显示全部楼层
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发表于 2010-12-22 23:14:53 | 显示全部楼层
学习了!!!
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发表于 2010-12-22 23:19:42 | 显示全部楼层
!!!!!!!!!!!!!
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发表于 2010-12-23 08:50:55 | 显示全部楼层
还是老问题,为什么下载的东西解压失败?“不可预料的文件末端”?
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发表于 2010-12-24 17:30:29 | 显示全部楼层
有点不懂,si具体怎么来实现。
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发表于 2011-2-15 15:01:53 | 显示全部楼层
很好,谢谢!  支持下.
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