PCB电磁兼容的设计方法介绍

一﹑前言

    关于PCB电磁兼容的要求,目前世界上大多的先进国家,都已经有管制的法规并有相关的符合要求的单位,若产品无法符合要求规定,往往无法销售到该地区的市场,因此多数的电子产品,在销售前都必须经过PCB电磁兼容的测试,若无法通过则需要经过适当的修改,来符合相关的规定。

    本文主要是说明,在电子产品设计的阶段,如何考虑避免电磁干扰的产生,和增加产品耐干扰的程度,从许多的经验得知,若能在设计开始的阶段,就能适当的做好PCB电磁兼容的防制,往往可以节省事后大量的修改时间和金钱的,尤其在现代产品汰换期非常短,若不能快速的通过EMC的测试,很容易影响到市场上的高机。

    目前市面上介绍EMI&EMC相关的书籍,也算是林林总总,但是在实务运用上,总是会感觉有一段的差距,许多的读者虽然将一些经典的书籍读的很彻底,但是一面临实际产品无法符合EMI要求,或开始作产品设计时,都会有一种不知从何下手的感觉。

    太多的重点反而没有重点,太多的理论反而没有理论¬,所谓执简御繁, ¬知其要者,一言以终,不知其要,流散无穷¬,为使读者能有一清楚的认识,与实务上的充分掌握,笔者参考  Isidor 于1992年在Compliance Engineering  杂志所发个的Designing for Compliance文章,以讲义的方式作一详细的解说与应用的原则,期使读者能真正深入的了解一些EMI的设计原理与方法。

    该文虽然距今已有八年多的历史了,在这八年的期间,个人计算机从286的时代已经进步到现在迈入GHz的时代,进步可以说非常的神速,但是我们回过头来看,一些处理PCB电磁兼容的基本原则与方法还是没有变的。能够掌握住这些基本的原则与方向,往往才是处理电子产品噪声干扰的最有效的啊具,至于一些片段式的重点整理或括要,有时反而会使得啊程人员在设计时,有不知所从的感觉,这也是本文要在一些简单的原则上,作较深入的探讨与分析的。

二﹑电磁辐射的说明

    电磁波的辐射,是产品在做数字运算处理时一定会产生的,通常来讲都是无法避免的,因为从谐波的角度来看,如果主波是20MHz,一定会有相关的谐波出来,我们如何去控制不要的信号（unwanted signals),一般主要有两个方法,这两个方法也是我们目前最常用的。

    第一个方法就是包覆抑制（containment),这个方法就像是用一个罐头包装,也就是用屏蔽（shielding)的方式把它包装起来,第二个方法就是电路板的设计,目前我们时常就是从这两个观念上去着手。

    利用包覆抑制的对策技巧,其好处就是不会影响到产品的功能（Function),因为你把它包起来,根本不会动到电路板上的一些啊作的组件和信号,但是其缺点就是制造成本（cost）比较高,而且可靠度可能比较会有问题,因为可能会因为每次碰撞一下,而影响到其接触的效果,例如一般最常见的笔记型计算机（notebook PC)可能会因为摔一下或重物压过,噪声就会有很大的变化,可能由可以符合到无法符合。

    而电路板设计（PCB Design-in）的好处,由于是在电路板Layout时就预先把间题考虑进去,因此其对策的可靠度比较高,而费用则因为是事先的设计,所以往往没有额外的费用产生,当然在功能（Function)上有时比较可能会受到影响,因为在抑制噪声时,很可能同时降低产品的震荡特性。

    在实际测试对策时,我们这两个的方法都会考虑进去,一般在刚开始修改时一定会先考虑用包覆抑制的方法,然后才考虑电路板上的干扰抑制修改,因为电路板通常已经固定了,要再修改往往比较困难,所以我们会从外壳上先处理,也就是从屏蔽（Shielding)和接地（Grounding)的观点来考量,看它的接触与外壳或机座够不够好,这个处理完我们才继续处理电路板的修改,也就是说如果用屏蔽和接地的方法改不下来,我们才开始处理电路板的修改。

    一般在市面上大多数电磁干扰的书籍,都会比较喜欢介绍这个电路板设计的理论,其实理虽然很重要,不过在实际产品修改上,包覆抑制反而是最快的﹑最有效的,因为良好的屏蔽只要处理适当就能降低噪声10dB以上,可以说效果最快,但是电路板的处理变量则比较大,也就是说,就算Re-layout 也无法保证马上好,可能要先花个五万元洗板子,然后再焊上组件,万一不好怎幺办﹖

    所以在对策处理的观念上,一定要先把包覆抑制的技巧作的很熟,这个如果还没有熟练,就先不要去处理电路板的修改,因为整个修改的步骤,必须是按步就班的处理,当然在本篇的文章中会先介绍电路板处理的这个观念,这样可以做为基本的基楚,可以帮助读者知道一些原理,知道一些问题的原因,但是在实际对策上则是用屏蔽和接地的处理比较多。

     所谓"空穴不来风",通常要记住这个观念,会有发射（emission)的产生,那一定会有来源（source),基本上我们应该叫做天线（Antenna),一定要有天线才会有发射,这就是"空穴不来风",所以本文中将会说明的是,有那些辐射来源的存在,这样我们知道这些来源以后,就能够去控制它,而不是消灭它,因为噪声没办法消灭,整个能量是不灭的,电磁干扰的抑制主要是经由良好的控制方法,不使噪声能量辐射到空中或传导到电源线上。
 
三﹑造成EMI基本的原因

    造成EMI噪声辐射大部分的原因,一般来说就是共模（Common Mode),这就是大家常听到的共模的辐射,由于高频电流的来回瞬时变化,而有磁生电,电生磁的现象,所以有了交流电的特性,电场为什幺会跑向前跑,这是因为磁场变化以后,会产生一个电场,电场随着时间变化以后又会产生磁场,这样交互交替,就会造成一个会跑的电磁场。

    所以说磁生电,像是发电机就是用磁铁转动生电,电生磁,电磁铁也是一样,它的电流只要是瞬时（transient)来回变化就会造成这样的情形。

    这些所产生的噪声会造成有意义潜在的射频（RF）干扰,大部分会在电源供应器（Power Supply)的电路板上的走线（trace),因为走线上有电感,由于电感的效应,使得导线直的电感会有射频电位的发生。

    为什幺电源供应器这幺重要呢﹖因为对所有的周边来讲,以PC而言,电源供应器有5V和12V的电压供给所有的组件使用,所以系统里各各组件上的噪声,如果以电源供应器的角度来看,所有的噪声都会回流来这边,每一个都会经过电源线回来,这就是共模（Common Mode).

    什幺是共模呢﹖各各不同的噪声都走同一个方向,所以噪声全部都会回流到电源供应器上,也就是所有主板（Mainboard)上的噪声都会回流,所以电源供应器变成一个噪声的集散区,这就像是一个菜市场,菜市场也就是一个共模,水果﹑蔬菜最后都集中到菜市场来卖,电源供应器也就是一个菜市场,对所有的设备来讲,它就是一个噪声集散地,因此就有了共模的产生。
   
    因为所有的噪声最后都会流到电源供应器上,供应各个组件的电源噪声会沿着电压（Vcc)跟接地（Ground）回到电源供应器,这个噪声我们就叫共模噪声,因为从电源供应的角度来看都是同方向。
 
    一般数字产品的简单的结构,产品的主机透过周边电缆线连接到周边上,如果把其转成一个等效电路来看,在电路部分就相当于一个来源（source）,而I/O Cable就相当于一个天线。
   
    来源（source)可以分成两种的来源,一个就是所谓的共模电压（Vcm),另一个就是异模电压（V d/2),一般而言,异模的电压大多是产品电路设计时所使用的信号电压,而共模的电压,则大多是信号高频的谐波噪声,详细说明如下:
    异模信号（Differential Signals)
    其特色为:
    (1)传送所要的信息
    (2)不会造成干扰,由于异模电流所产生的场强彼此方向相反且相互抵销。

    共模信号（Common Signals)
    其特色为:
    (1)是电缆辐射的主要来源。
    (2)没有特别可用的目的。
    (3)使得电缆成为一个单极的天线。
    
    解决EMI的问题,第一个要处理哪边﹖

    通常首先我们要解决EMI的目标,是电源供应器上的共模噪声,因为所有噪声都会流到电源供应器上,也就是说我们在修改产品噪声的第一件事,要看电源供应器的噪声是否很高,因为很多人修改噪声的步骤很容易疏忽这边,因为他们一看到噪声很高,他会分析产品中的Clock是12MHz或24MHz,然后开始改它,这往往会浪费了很多的时间,而且有时也影响了产品的特性功能。

    很多噪声只要把电源供应器的接地（Ground)处理好,这些噪声都会不见,这看起来似乎很神奇,有时可能无法相信它就是这样简单,所以一开始不要以为这个12MHz,24MHz或48MHz的谐波噪声是从震荡器出来,这个想法就EMI来说有时是错的,而要先处理电源供应器的共模噪声,这个方向要先掌握。

    在后继的文中会讨论到怎幺处理的原则,就是说实际怎幺对策,当然要先有一个观念,观念不能错,观念一错就很容易找不到问题,而愈修改愈不容易无将噪声抑制下来。

四﹑产生辐射的条件

    要让辐射很有效率的产生在某一个频率,其条件是什幺﹖
    条件是必须要有一个天线,而这天线的长度为何﹖
    以100MHz的频率来看,能够满足100MHz的适当长度是在λ /2是1.5m,也就是说,假设产品噪声辐射主要都在100MHz,可能你的产品天线长度是1.5m,或是λ/4就是0.75m,这代个产品内,可能有这个天线存在,才会造成100MHz的辐射。

    假设你发现产品噪声是在100MHz的频率最高,结果我们发现有一条连接线正好是0.75m,如果我们换一条比较长的线1m,这噪声会变怎样呢﹖此时原来最高噪声频率会降低,但是其它旁边的频率噪声反而会升高,这就是在实务测试上常常讲跷跷板,整个的能量是不会变的,但是它反应出来的对应频率,会随天线长度不一样而改变,这点是EMI最重要的观念,也就是修改EMI一定要了解这个原理。

    这也是为什幺有时我们会发现在对策时,用不同的电容舅100p, 200p, 50p也会有这个跷跷板效应,因为电容改变的就是天线的长度,加个电容本来天线是100公分,如果这边用100p, 300p则天线的等效长度就会不一样,有时换不同的电容,有的频率噪声变低,但是有的频率噪声反而升高,为什幺换电容会有跷跷板的效应呢﹖它的原理就是这边,因为它是改变整条线的长度,也就是电气上的等效长度。

    从电气的等效长度来看,我们加电感以及加陶铁环（Core）为什幺有效﹖陶铁环的作用是个电感,L和C在线上都会改变它的等效长度,加陶铁环为什幺能把噪声抑制下来,也就是说它的天线变短了,我们等于在线上加一个电感,它真正作用就是在这边,使得整个天线变短了。

    所以如果不要加电容,也不要加电感,那要如何处理呢﹖如果把它缩成50公分, 噪声可能很快就降下来,不用任何对策,只要把线改短50公分,如果在产品设计上能接受的话,这就是一个最好的方法,当然有时线太短不能符合产品功能的要求,或是组装上有困难,这时就要另外用别的方法来处理,例如用良好的屏蔽线取代。

    在修改上有时就是把某些连接线长度降低,整个噪声都会降下来,不是只有某个频率,也就是我们知道EMI的原理,你来改它很快,不知道的话,往往一直在Clock上处理,改了老半天还是改不下来,通常在一般书上讲的一些方法和理论,如果设有印证过往往都是一个纯理论,有时无法用来作为实务对策的参考,最好要实际去做做看。
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