EMI類型與解決方法
所謂EMC(Electromagnetic Compatibility;電磁共容)實(shí)際上包含EMI(Electromagnetic Interference;電磁干擾)及EMS(Electromagnetic Sensibility;電磁耐受)兩大部份。EMI指的是電氣產(chǎn)品本身通電后,因電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁波對(duì)周遭電子設(shè)備所造成的干擾影響,EMS則是指電氣產(chǎn)品本身對(duì)外來電磁波的干擾防御能力,也就是電磁場的**程度。
一個(gè)電子產(chǎn)品中的EMI來源多半來自交換式電源供應(yīng)回路(Switching Power Supply Circuit)、振蕩器(Crystal)和各類時(shí)鐘信號(hào)(Clock Signal),而根據(jù)傳導(dǎo)模式不同,EMI可分為接觸傳導(dǎo)(Conducted Emission)和幅射傳導(dǎo)(Radiated Emission)兩類。
接觸傳導(dǎo)是由電源供應(yīng)回路所形成的電磁波噪聲,透過實(shí)體的電源線或信號(hào)導(dǎo)線傳送至電源電路內(nèi)的一種電磁波干擾模式,此狀況會(huì)造成與干擾設(shè)備使用同一電源電路的電氣設(shè)備被電磁噪聲干擾,產(chǎn)生功能異常現(xiàn)象,通常發(fā)生在較低頻;幅射傳導(dǎo)則是電路本身通電之后,由電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁波幅射發(fā)散所形成的電磁干擾模式,常見于高頻。
幅射傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的問題通常較接觸傳導(dǎo)嚴(yán)重,也更為棘手,其解決方式歸納出下列幾種:
1. 在干擾源加LC濾波回路。
2. 在I/O端加上DeCap by pass to Ground, 把噪聲導(dǎo)入大地。
3. 用遮蔽隔離(Shielding)的方式把電磁波包覆在遮蔽罩內(nèi)。
4. 盡量將PCB的地面積擴(kuò)張。
5. 產(chǎn)品內(nèi)部盡量少使用排線或?qū)嶓w線。
6. 產(chǎn)品內(nèi)部的實(shí)體線盡量做成絞線以抑制噪聲幅射,同時(shí)在排線的I/O端加上DeCap。
7. 在差模信號(hào)線的始端或末端加上共模濾波器(Common Mode Filter)。
8. 遵循一定的模擬和數(shù)字布線原則。
此外,EMI的形成又可分為共模幅射(Common Mode)和差模幅射(Differential Mode)兩類。表示,共模幅射包括共地阻抗之共模干擾(Common-Mode Coupling)和電磁場對(duì)導(dǎo)線的共模干擾(Field to cable/trace Common-Mode Coupling),前者是因噪聲產(chǎn)生源與受害電路間共享同一接地電阻所產(chǎn)生的共模干擾,解決方法可藉由實(shí)行地的切割來必免共地干擾問題;后者則為高電磁能量所形成的電磁場對(duì)設(shè)備間之配線所造成的干擾,可藉由遮蔽隔離(Shielding)的因應(yīng)方法來處理場對(duì)線的干擾問題。
至于差模幅射,常見的是導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線的差模干擾(Cable to Cable Differential-Mode Coupling),干擾途徑為某一導(dǎo)線內(nèi)的干擾噪聲感染到其它導(dǎo)線而饋入受害電路,屬于近場干擾的一種,可藉由加寬線與線之間的距離來處理此類干擾問題。
常見EMI抑制方式
目前對(duì)于EMI的常見抑制方式包括屏蔽法(Shielding)、擴(kuò)展頻譜法(Spread Spectrum)、使用濾波器(Filter)等,以及透過整合接地、布線、搭接等層面來防治。
電磁屏蔽法大部份是用來屏蔽300MHz以上的電磁噪聲,例如法拉第蓋的使用就是一例,此外,運(yùn)用遮蔽復(fù)合材料也是常見的手法,例如手機(jī)就常見以真空電鍍方式,在塑料殼內(nèi)部布滿一層如鎳之類的屏蔽材質(zhì),藉此隔絕電磁波發(fā)散。
擴(kuò)展頻譜法則是用來將時(shí)鐘(Clock)的信號(hào)展頻,使其峰值(Peak)信號(hào)波形振幅減低來降低信號(hào)的峰值位準(zhǔn),目前有些BIOS已提供內(nèi)建的擴(kuò)頻功能,可讓使用者自行設(shè)定。指出,使用擴(kuò)頻法需要在信號(hào)失真度和EMI減弱程度之間取得平衡,一般是取1%~1.5%,若超過3%通常就會(huì)讓信號(hào)過于失真而不可行。
此外,濾波器或?yàn)V波回路的使用因?yàn)槌杀镜土?/span>SMD(表面黏著)制程的加工需求,所以最為一般設(shè)計(jì)工程師采用。指出,濾波器的使用機(jī)會(huì)和模式根據(jù)不同防治需求來決定,例如大電流的Bead可用在電源電路的路徑(Power Trace)上;一般的Bead可用來抑制某特定頻率的噪聲信號(hào);CMF則用來抑制USB、1394、LVDS等差模線路的噪聲幅射問題。
不過強(qiáng)調(diào),對(duì)于EMI的抑制有諸多解決方式,必須因時(shí)因地制宜選擇,只要有效就是好的防制方法,并沒有哪一種特定方式特別勝出。
高速數(shù)字電路及模擬-數(shù)字混合電路EMI防治法
由于運(yùn)算速度的提升和高速傳輸接口的應(yīng)用,目前數(shù)字電路已走向高速化。在高速數(shù)字電路中,只要阻抗匹配接近理想的阻值(以銅線被覆于FR4材質(zhì)而言約50奧姆),讓所有信號(hào)線都成為傳輸線(Transmission Line)的理想狀態(tài)下,理論上應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生EMI問題,但是表示,目前實(shí)際上的布線設(shè)計(jì)還無法達(dá)到上述要求,所以只好將高速信號(hào)線盡量走在內(nèi)層,其相鄰的上層用地(鋪銅)來覆蓋以達(dá)到遮蔽隔離(Shielding)電磁幅射的效果,亦或在信號(hào)在線適當(dāng)?shù)木嚯x加上對(duì)地的濾波電容(DeCap bypass to Ground)來降低EMI。
另外,針對(duì)日漸普遍的模擬及數(shù)字信號(hào)混合電路EMI防治,也提出以下幾個(gè)可遵循的設(shè)計(jì)原則:
1. 模擬與數(shù)字信號(hào)須分區(qū)布線。
2. 所有模擬信號(hào)要在模擬區(qū)內(nèi)布線(包含地,電源及信號(hào)線)。
3. 所有數(shù)字信號(hào)要在數(shù)字區(qū)內(nèi)布線(包含地,電源及信號(hào)線)。
4. 嚴(yán)禁模擬或數(shù)字信號(hào)直接跨區(qū)布線。
5. AD IC芯片下方嚴(yán)禁布線。
