不影响信号完整性(SI)的电磁干扰(EMI)抑制方法学习

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  <table cellspacing="0" cellpadding="0" width="545" border="0"><tbody><tr><td width="748" colspan="2" height="164"><p class="text">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;消费者总是迷恋速度。在２０世纪６０年代和７０年代，在跑车上采用４００多立方英寸排气量的引擎，验证了这种爱好。现在，我们转向了正在使用的计算机。现在的计算机系统为了速度已被推向了温度极限！为了达到很高的运算速度，要求ＰＣＢ设计者在器件和ＰＣＢ设计中引入先进的射频设计技术。这些技术包括使用微带和条带传输线、阻抗匹配和匹配定时，以确保同时单调信令传输，这是保持信号逼真度所必须的。ＥＭＣ工程师称之为系统内ＥＭＣ；数字设计师称之为信号完整性。为了满足ＥＭＣ要求；无论对系统做什么都不能影响信号的完整性。<br />　　促使系统运转越来越快，除了会降低系统可靠性外，还会导致辐射发射大大增加，几乎不可能满足受限制的规范要求。计算机电路工作于１ＭＨｚ时勉强还行。现在工作速度超过１０００ＭＨｚ！速度可以提高１０００倍，这本身就很不寻常，但要考虑到，简单的电路电流环路发出的辐射发射可用等式（１）描述：<br />　　Ｅ(μＶ／m)=1&#46;316×A×I×F²/D×S (1) </p></td></tr><tr><td class="text" width="467">式中　Ｅ——电场（μＶ／m)；^{<br />}　　　Ａ——环路面积（cm^２）；^{<br />}　　　Ｉ——环路电流（Ａ）；</td><td class="text" width="279">Ｆ——频率（ＭＨｚ）；<br />Ｄ——分隔距离（m）；<br />Ｓ——屏蔽比率。</td></tr><tr><td width="467" rowspan="2"><p class="text">　　从这个关系可以看出，辐射的电场强度（Ｅ）以频率的平方增加。这样，辐射发射不是增加了１０００倍，而是增加了１０００^２倍，即１，０００，０００倍。用dＢ作为场强增加值的单位，增加值为２０log1×10⁶=120dＢ。低电流逻辑器件的研制和采用使辐射量降低了１２－２０ｄＢ。好的多层ＰＣＢ设计可使这个量再降低５０ｄＢ。这个降低量使高速电路在基本频率时仍高出ＦＣＣ／ＥＵ规定的辐射极限值５０ｄＢ。因此，要满足ＥＭＣ要求，还有很多工作要做。<br />　　电路环路可分成２类：差模（一般是指在高速系统中地平面上的一对差分电流）和共模（通过公共参考面的返回信号及其相关返回导线产生的一些同步电流）。 </p></td><td width="279" height="179"><p align="center"><img height="123" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMIyzf-1&#46;gif" width="187" /> </p></td></tr><tr><td width="279" height="43"><p class="text1" align="center">图1 共模与差模 </p></td></tr><tr><td width="746" colspan="2" height="342"><p class="text">　　图１显示出了这两类环路。高电平差模电流是我们想要的信号，其可从信号源沿指定的信号印制线流到负载。通信设计人员将差模（ＤＭ）称为正常模式，这是更形象的说法。不幸的是，所有印制线都有串联电感（Ｌ），且通过并联的寄生电容（Ｃ）耦合到底层接地平面或其它近距离耦合的导体。对于短印制线，ＬＣ传输线的特性可用集总π型滤波器网络来近似。π型滤波器是低通网络，其在截止频率以上的高频衰减为６０ｄＢ／十倍频程，还具有固有的传播延迟。ＬＣ电路的传播时间由等式（２）给出：<br />Ｐ_t＝（ＬＣ）^１／２＝［（Ｌ_０＋Ｌ）（Ｃ_０＋Ｃ）］^１／２　（２）<br />　　相对于任何靠近耦合的返回路径（通常是接地系统），由于信号和返回印制线的不均衡ＬＣ特性（ＣＭ），共模电流（通信设计者称为纵向模式）上升。正是这些不均衡条件导致了差分信号变形。另外，当在谐振频率含有足够能量的瞬时信号或上升很快的其它信号激励激波时，任何一个ＬＣ电路都将形成一个环路（在它固有的谐振频率振荡）。这些电路谐振增加了落入谐振通带内的信号辐射发射的幅度。由于无法避免这些印制线的ＬＣ和谐振特性，为了使ＰＣＢ正常工作，设计时必须加上内部延迟电路，加快电路速度，补偿变化，以确保信号统一到达。根据距离，这些快速电路必须接以特性阻抗，以减少波形失真。<br />　　再加到公式（１）。应注意，相关的技术规范规定了分隔距离（Ｄ），它的单位必须与适当的ＥＭＣ要求一致。还要记住，各种逻辑器件系列具有独特的技术指标，这是由生产工艺决定的，它决定了驱动电流（Ｉ）和工作频率（Ｆ）。由于追求速度，即使这没有必要，每一个生产厂家都努力使器件开关速度可能快。正是生产厂家这种“让它更快”的情绪加上与生产相关的特性，当生产厂家的器件相互间有差异时，系统的射频特征有时会发生很大的变化。<br />　　由于ＰＣＢ设计者几乎无法控制逻辑器件的特性，所以所有的高频回路必须（事实上是必须）尽可能保持小型。这种强制性措施在考虑信号完整性时尤其重要。频率越高，传输线必须越短，以减少不需要的延迟，防止阻抗不匹配造成波形失真。顺便说一句，绝大多数自动布线程序在处理信号完整性和ＥＭＣ时不够巧妙。 </p></td></tr><tr><td width="467" rowspan="2"><p class="text">　　但是，由于安装在印制板上的元件大小给出了一些物理限制，所以对辐射回路能有多么小就有一个限制。该回路不能小于元件所要求的面积。图２显示了回路面积、驱动电流和ＦＣＣ部分１５Ｂ的技术规范规定的极限值之间的关系。该图表明，高速回路最大面积必须保持很小，以致于经常无法达到的所需面积。可以为某项应用专门生产专用集成电路来进行一定程度的压缩，但这太昂贵了。即使这样也不能使回路面积足够小，且能满足要求。因此，不能期望印制板布局就能完全解决辐射或易感性抗扰问题。这样，必须采用其它一些抑制技术来满足这些ＥＭＣ要求。必须注意，要防止这些技术使信号完整性下降。 </p></td><td width="279" height="180"><p align="center"><img height="145" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMIyzf-2&#46;gif" width="200" /> </p></td></tr><tr><td width="279" height="34"><p class="text1" align="center">图2 最大回路面积（cm2）与FCC部分15B（B）<br />规定的1mA（a）、10mA（b）、和100mA(c)电<br />流的辐射射频极限值间的关系，测量距离为3m </p></td></tr><tr><td width="746" colspan="2"><p class="text">　　从公式（１）可以确定，抑制技术必须依靠减小信号电流，限制带宽和信号幅度。可以通过增加串联电阻、串联电感（铁氧体磁环等）、旁路电容、滤波器（由电感和电容组成）、二极管箝位和／或屏蔽来达到这个目的。但是，如公式（２）所示，任何时候要在高速电路中加入附加元件，它通常会通过改变Ｌ或Ｃ而增加时延，从而影响电路的工作。在印制板设计完成之前，时延的很小变化是可以容忍的。即使没有增加时延，加入附加元件也总会降低电路的可靠性及相关的平均无故障时间（ＭＴＢＦ）。屏蔽是一个例外。因为它不在电路中，所以不会对系统造成这些影响。下面将介绍几种抑制元件。<br />　　在高速系统中，与印制线的电感和电容引起的时延相比，逻辑器件的传播时间是很短的。为满足发射性辐射要求所采用的任何元件必须不在印制线中增加电感或电容，或者影响信号的完整性。不导电串联电阻是非常好的宽带抑制器件，因为（即使将它们串联插入电路中）其寄生电容引起的时延通常很小，一般不会影响系统工作。但是，其减小辐射耦合的能力限于大约为６～１２ｄＢ。有时这样的能力足以使器件满足辐射要求，但通常所需的衰减要比简单的串联电阻能提供的更大。作为一个普遍的规则，一个电阻不能对外部耦合电场有足够的衰减，来满足辐射易感性／抗扰性要求。<br />　　串联电感，特别是具有宽带高频特性的铁氧体，在低阻抗电路中可以和低通滤波器一样很好地减少辐射。如果ＥＭＣ问题与系统功率或功率分布有关，加上具有２００～４００Ω射频阻抗的铁氧体是解决辐射或易感性／抗扰性问题的优选方法。在一个低阻抗功率分配电路中，频率范围为５０～１００ＭＨｚ时，预计一个２００Ω铁氧体能提供４０～４５ｄＢ的衰减。而且时延不再是问题。当然，必须注意磁通量不能使铁氧体材料达到饱和。信号线是完全不同的一回事。大多数高速系统采用的微带线和条带传输线的阻抗范围为５０～８０Ω。这种信号传输阻抗在很大程度上由印制线密度和串扰条件决定。但是，串联电感在高阻抗电路中工作得不太好。能很好解决功率分布问题的２００Ω铁氧体用于信号线时预计只能提供６～８ｄＢ（这可能不够用）。这会引入明显的时延，在设计时必须补偿这个时延。在信号电路中使用时，电感用于控制辐射比解决易感性／抗扰性问题好得多。<br />　　旁路电容和二极管用作不同的ＥＭＣ抑制。前者因为其阻抗随频率降低，所以可用作低通滤波器；后者因为能使瞬时高电平箝位在更合理的低电平，所以可用作限幅器。在信号线中，这两种元件由于其自身带有的电容，均会使相关电路产生过多的时延。这种影响并不意味着容性元件不能使用。<br />　　根据频率，电容会提供４０～５０ｄＢ的向上衰减，其经常用在电感上能起作用的地方。事实上，如果串联电感不起作用，通常意味着电路射频阻抗较高，这正是旁路电容工作的最好环境。电容还能较好地解决易感性／抗扰性问题。但是与在印制线中使用的电感一样，在开始设计电路时就必须考虑和设计它们的使用情况。由于它们对信号完整性有影响，所以不应在发现问题后再简单地加上去。ＥＭＣ问题可能解决了，但系统还不能工作。如果电容是后来才加上去的，应分析这样做对设计的影响。为了防止逻辑冲突、不对称和失灵，必须调整定时时延。<br />　　屏蔽是一种非常独特的抑制技术。屏蔽就象一个电场高通滤波器，它能减少对辐射和不敏感性的辐射耦合，而且不用直接放在信号或能量传播路径中。只要屏蔽体的放置不使它与电路紧密地容性耦合，它就不会影响信号的完整性。<br />　　对于数字系统的电场，屏蔽就是所需的一切。好的电场屏蔽的关键元件是无孔隙（至少小孔隙数量少）良导体材料做的箱体，它完全包围需要保护和／或抑制的电路。孔隙的尺寸受箱体尺寸的限制，即孔隙的最大直径不超过箱体的最大尺寸。由于高频截止频率决定于孔隙的大小，那么箱体越小通常高频性能越好。机械公差很容易控制。安装在隔开的箱体上的印制板很有效，其衰减可达６０～８０ｄＢ。它们可用于使电路板与电路板之间的串扰最小，这是另一个重要的信号完整性问题。</p></td></tr></tbody></table>

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甚么时候可以上打扮啊？