差模輻射和輻射抗擾性在PCB設計中的分析

在印制電路板設計階段進行電磁兼容性(EMC)設計非常重要。分析了引起數字差模輻射干擾的原因，提出了印制電路板設計中相關問題的解決方法，介紹了較好的元器件布置及地線、電源線和信號線的設計。

關鍵詞：差模輻射；電磁干擾；印制電路板

引　　言

隨著現代電子科技的發展，芯片的高速化和集成化，促使各種電子設備系統內外的電磁環境愈加復雜，對電路板設計中的電磁兼容技術要求更高。電磁兼容輻射干擾問題主要來自電路中的電流突變產生的磁場變化或電壓突變產生的電場變化。差模輻射作為輻射干擾源的一種，是由電路中傳送電流的導線所形成的環路產生的，這些環路相當于可產生磁場輻射的小型天線。盡管電流環路是電路正常工作所必需的，但為了限制輻射發射，必須在設計過程中對環路的尺寸與面積進行控制。印制電路板是構成數字電子設備的基礎，為保證它的電磁兼容性，布線和設計應使得板上各部分電路相互間無干擾，對外的輻射發射盡可能降低達到有關標準的要求。

差模輻射

差模輻射的情況可以用一個小型環狀天線來模擬，如圖1所示。對于一個環路面積為A，電流為I的小型天線，在自由空間中距離r處(遠場區)測量到的電場E的大小表示為:

上式中電場強度E的單位是V?m，頻率f的單位是Hz，面積A的單位是m2，電流I的單位是A，距離r的單位是m。式(1)中的第一項是個常量，代表傳輸介質的特性，第二項定義了輻射源的特性，也就是環狀天線的特性;第三項則描述了從輻射源向遠處傳播時的衰減特性;最后一項表示的是測量天線以輻射平面為參考的角度方向。式(1)適用于自由空間中的小型環狀天線，但大多數電子產品的輻射測量都在地平面上的開闊場地進行，過多的地面反射可能使輻射發射的測量結果變大，最大可達6dB。因此，計算時公式(1)必須乘以修正系數2。假設所有反射的方向相同，對地面反射進行校正，可將式(1)重寫為:

式(2)表明，輻射發射大小與電流I、信號頻率f的平方以及環路面積A成正比。所以，可以用以下方法來控制輻射發射:(1)減小環路面積;(2)減小天線上的電流大小;(3)減小電流信號頻率或電流的諧波分量。如電流波形不是正弦波，則計算之前必須首先確定該電流的傅里葉級數。


差模輻射的抑制

環路面積
控制差模輻射的方法是使電流所包圍的環路面積最小。在布放信號線與其相應的地回流線時，兩者盡量相互靠近。對于時鐘布線、背板布線和電纜互連，這點尤其重要。

環路電流
電流大小與驅動環路的電路源阻抗有關，同時還與終結環路的負載阻抗有關。通常，可以用寬帶電流探頭對環路電流進行測量。測量時需要增加與PCB布線串連的導線，長度以剛好夾在電流探頭上為宜。

傅里葉級數
因為數字電路采用方波信號，所以在應用式(2)計算輻射發射之前，必須首先已知電流的傅里葉級數。對于對稱的方波，第n次諧波電流大小可以用式(3)來表示:

I是波信號的峰-峰值，d是信號的占空比，tr是信號的上升沿時間，T是信號的周期。計算差模輻射發射理論值，可根據式(3)確定每次諧波所含電流大小，接著將該電流值和各自響應的頻率帶入式(1)進行計算，依次重復，直到完成所有諧波頻率的計算。

在PCB設計中的應用

電路板布局的差模輻射抑制
首先，應努力控制信號與瞬態電源電流形成的每一個環路面積，使其最小，特別是作為主要輻射源的傳輸系統時鐘電路。時鐘信號通常也是系統中頻率最高的信號，其所有能量都集中在基波與其諧波組成的窄頻帶內，因此，所有時鐘線都應該有毗鄰的地回流線，這樣就能夠使總時鐘環路面積小于幾平方厘米。圖2是一典型的計算裝置產生的輻射發射頻譜圖，雖工作條件不同，但其最大發射幾乎相等。


多層電路板的差模輻射抑制
如果是多層板，使回流電流在地平面上流動，并沿著與信號導線相同的路徑流動，這樣可使線路的電感最小，環路的面積由信號導線的長度以及信號層與地面之間的距離決定。由于這種設計成本偏高，所以常采用接地網格方法控制輻射發射。

背板的差模輻射抑制
數字系統中，連接各功能板信號的背板也是產生差模輻射的主要來源。因此，背板上的時鐘線等高頻強信號和易受干擾的微弱信號線應安排在背板內部的兩個地層之間，且強弱信號線分屬不同的內部信號層。只有一個內部地層的背板，應將時鐘信號線布在靠近內部地層的元件面一側。

互連電纜的差模輻射抑制
板間或單元內的電纜布線也是一種差模輻射發射源。所以，應采用帶屏蔽層的電纜。屏蔽電纜中按照減小差模輻射能力強弱排序依次為:光纖、同軸電纜、三芯電纜、雙絞線和帶狀電纜。