电磁兼容性

电磁兼容（EMC，ElectroMagnetic Compatibility）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又不互相干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的兼容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。

我国国家军用标准GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》中给出电磁兼容性的定义为：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级”。可见，从电磁兼容性的观点出发，除了要求设备（分系统、系统）能按设计要求完成其功能外，还要求设备（分系统、系统）有一定的抗干扰能力，不产生超过规定限度的电磁干扰。

国际电工技术委员会（IEC）认为，电磁兼容是一种能力的表现。IEC给出的电磁兼容性定义为：“电磁兼容性是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成自身的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰”。

进一步讲，电磁兼容学是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备或系统（广义的还包括生物体）可以共存，并不致引起性能降级的一门学科。电磁兼容的理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、电路基础、信号分析等学科与技术，其应用范围又几乎涉及到所有用电领域。由于其路论基础宽、工程实践综合性强、物理现象复杂，所以在观察与判断物理现象或解决实际问题时，实验与测量具有重要的意义。对于最后的成功验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈的依赖于测量。在电磁兼容领域中，我们所面对的研究对象（主要指电磁噪声）无论时域特性还是频域特性都十分复杂。此外，研究对象的频谱范围非常宽，使得电路中的几种参数与分布参数同时存在，近场与远场同时存在，传到与辐射同时存在，为了在国际上对这些物理现象有统一的评价标准和统一实现设备或系统电磁兼容的技术要求，对测量设备与设施的特性以及测量方法等均予以严格的规定，并制定了大量的技术标准。在国际上正

在掀起一个电磁兼容要求法规化、电磁兼容技术标准国际化及推行电磁兼容强制性认证的热潮。

电磁兼容性学科常用技术及设计方法

屏蔽技术

抑制以场的形式造成干扰的有效方法是电磁屏蔽。所谓电磁屏蔽就是以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体（实体的或非实体的）将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域（后者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。

电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内干生的电荷、电流与极化现象密切相关的。

电磁屏蔽按其屏蔽原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽；磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。电磁屏蔽的类型如图10-1所示。

静电屏蔽电场屏蔽交变电场屏蔽低频磁场屏蔽电磁屏蔽磁场屏蔽高频磁场屏蔽电磁屏蔽图10-1 电磁屏蔽的类型

滤波技术

滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要辅助措施。

实践表明，即使一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，

也仍然会有传导骚扰发射或传导骚扰进入设备。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰虑除。滤波器的作用时允许工作信号通过，而对于非工作信号（电磁骚扰）有很大的衰减作用，使产生干扰的机会减为最小。

这里的“电磁骚扰”，在1990年IEC60050（161）以前的标准和文献中一般称为电磁干扰。IEC60050（161）发布后，将骚扰（disturbance）和干扰（interference）的概念区分开来。电磁骚扰仅仅是电磁现象，即指客观存在的一种物理现象；它可能引起降级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。降级有时并不一定被使用者察觉，但也应视为性能降低。

电磁干扰（EMI）滤波器属于低通滤波器，包括电源线滤波器、信号线滤波器等。为了满足EMI标准规定的传导发射和传导敏感度极限值要求，使用EMI滤波器是一种好方法，如图10-2所示。

信号滤波器电源滤波器

图10-2 电磁干扰滤波器的使用

然而，完全消除沿导线传出或传进设备的骚扰通常是不可能的。滤波的目的是将这些骚扰减小到一定的程度，使传出设备的骚扰值不超过给定的规范值，使传入设备的骚扰不至于引起设备的性能降低或失灵。 1．EMI滤波器的工作原理

EMI滤波器的工作原理与普通滤波器一样，它能允许有用信号的频率分量通过，同时又阻止其他干扰频率分量通过。其工作方式有两种：一种是把无用信号能量在滤波器里消耗掉。这种滤波器中含有损耗性器件，如电阻或铁氧体等；另一种是不让无用信号通过，并把它们反射回信号源，并且必须在系统其他地方消耗掉。

2．EMI滤波器的特点

EMI滤波器在技术要求上具有以下特点：

（1） 干扰滤波器往往工作在阻抗不匹配的条件下，干扰源的阻抗特性变

化范围很宽，其阻抗通常是整个频段的函数。由于经济和技术上的原因，不可能设计出全频段匹配的干扰滤波器。

（2） 干扰源的电平变化幅度大，有可能使干扰滤波器出现饱和效应。 （3） 由于电磁干扰频带范围很宽（20Hz到几十GHz），其高频特性非常复杂，难以用集总参数等效电路来模拟滤波电路的高频特性。

（4） 干扰滤波器在阻带内应对干扰有足够的衰减量，而对有用信号的损耗应降低到最小限度，以保证有用电磁能量的最大传输效率。

（5） 电缆上的干扰按照干扰电流的流动路径分为共模干扰和差模干扰两种（如图10-3所示）。EMI滤波器应该对这两种干扰都有抑制作用。

差模干扰电流电子设备共模干扰电流

图10-3 共模干扰电流与差模干扰电流

① 共模干扰，是指干扰电流在电缆中的所有导线上幅度/相位相同，其电流是在电缆与大地之间形成的回路中流动。这种干扰一般由外界电磁场在电缆中感应出来，或由于电缆两端的设备所接的电位不同所致。信号电缆上的干扰主要以共模干扰为主。共模干扰本身不会对电路产生影响，但如果电路不平衡，共模干扰会转化为差模干扰，对电路产生影响。另外，如果设备在电缆上产生共模干扰电流，则会造成电缆强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电缆兼容标准的要求，或对其他设备造成干扰。

② 差模干扰，是指干扰电流在信号线与信号地线之间流动的干扰。在信号电缆中，差模电流主要是电路的工作电流。差模干扰主要是由于电缆中不同信号线之间的电容耦合和电感耦合所致。而在电源线中，差模干扰往往是十分严重的问题，因为电网上其他电器电源通断时产生的干扰都是差模干扰。另外开关电源的非线性也会导致很强的差模干扰。从受干扰的角度看，差模干扰比共模干扰危害性更大，从干扰发射的角度看，共模干扰比差模干扰危害性更大。

接地技术

所谓“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点。直流电压的零电位点或零电位面，它不一定为实际的大地平面，还可以是设备的外壳或其他金属板线。

“接地”一个含义是为电路或系统提供一个零电位参考点，另一个含义是为电路或系统与“地”之间建立低阻抗通路。

接地原意指与真正的大地连接以提供雷击放电的通路（例如，避雷针一端埋入大地），后来成为为用电设备提供漏电保护（提供放电通路）的技术措施。并且接地的含义已经延伸为，一般来说，“接地”是指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电子元（组）件，而另一点则是称之为“地”的参考点。

接地的目的如下：

（1） 为使整个系统有一个公共的零电位基准面，并给高频干扰电压提供低阻抗通路，达到系统稳定工作的目的。

（2） 为使系统的屏蔽接地，取得良好的电磁屏蔽效果，达到抑制电磁干扰的目的。

（3） 为了防止雷击危及系统和人体，防止电荷积累引起火花放电，以及防止高电压与外壳相接引起的危险。

通常，电路、用电设备的接地按其作用可分为安全接地和信号接地两大类。其中安全接地又有设备安全接地、接零保护接地和防雷接地，信号接地又分为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地，如图10-4所示。

接地安全接地信号接地设备安全接地接零保护接地防雷接地单点接地多点接地混合接地悬浮接地串联图10-4 接地的分类

并联 搭接技术

搭接是指两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接的目的在于为电流的流动提供一个均匀的结构面和低阻抗通路，以避免在相互连接的两金属件间形成电位差。因为这种电位差对所有频率都可能引起电磁干扰。

搭接技术在电子、电气设备和系统中有广泛的应用。从一个设备的机箱到另一个设备的机箱，从设备机箱到接地平面，信号回路与地回路之间，电源回路与地回路之间，屏蔽层与地回路之间，滤波器与机箱之间，接地平面与连接大地的地网或地桩之间，都要进行搭接。导体的搭接阻抗一般是很小的，在一些电路的性能设计中往往不予考虑。但是，在分析电磁骚扰时，特别时在高频电磁骚扰情况下，就必须考虑搭接阻抗的作用。 1．良好搭接的作用

良好搭接是减小电磁干扰，实现电磁兼容性所必须的。良好搭接的作用在于： （1） 减少设备间电位差引起的骚扰。

（2） 减少接地电阻，从而降低接地公共阻抗骚扰和各种地回路骚扰。 （3） 实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的。 （4） 防止雷电放电的危害，保护设备等的安全。

（5） 防止设备运行期间的静电电荷积累，避免静电放电骚扰。

此外，良好搭接可以保护人身安全，避免电源与设备外壳偶然短路时所形成的点击伤害等。因此，搭接技术是抑制电磁干扰的重要措施之一。 2． 不良搭接的影响

图10-5是一个不良搭接导致滤波电路失效的例子，干扰源与敏感设备之间接一∏型滤波器。该滤波器是一个低通滤波器，其作用是虑除设备电源线中的高频骚扰分量。在高频情况下，旁路电容器的电抗呈低阻抗，出现在电源线上的干扰信号沿着图中的通路①被旁路至地。因此，干扰信号不会到达敏感设备，达到了滤波的目的。但是，如果搭接不良，搭接处就会形成搭接阻抗ZB=RB+jωLB ，当搭接阻抗大到一定值时，将有干扰电流经过图中的通路②到达敏感设备，使滤波器起不到隔离干扰的作用。这充分说明良好搭接的重要性。

RLC②C敏感设备干扰源LB①RB

图10-5 不良搭接的影响

表面安装技术（SMT）

表面安装技术（SMT, Surface Mount Technology）是20世纪70年代末发展起来的新型电子装联技术。SMT是包括表面安装器件（SMD）、表面安装元件（SMC）、表面安装印刷电路板（SMB）表面安装设备以及在线测试等的总称。

采用SMT使得组装密度更高，电子产品体积更小，重量更轻，可靠性更高，抗震能力增强，高频特性好，电磁和射频干扰减小了，电磁兼容性好，而且易于实现自动化，提高了生产效率，降低了生产成本。一般来讲，采用SMT的产品体积缩小40％～60％，重量减轻60％～80％。

电磁兼容设计方法

在设备或系统设计的初始阶段，同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最好的费效比。如果等到生产阶段再去解决，非但在技术上带来很大的难度，而且会造成人力、财力和时间的极大浪费，其费效比如图10-6所示。

电磁兼容设计的基本方法是指标分配和功能分块设计，也就是首先要根据有关的标准（国际、国家、行业、特殊标准等）把整体电磁兼容指标逐级分配到各功能块上，细化成系统级、设备级、电路级和元件级的指标。然后，按照要实现的功能和电磁兼容指标进行电磁兼容设计，例如，按电路或设备要实现的功能，按骚扰源的类型，按骚扰传播的渠道以及按敏感设备的特性等。

电路EMC措施EMC成本结构封装屏蔽滤波软件概念设计产品开发进程

图10-6 产品开发进程中的可采取的EMC措施与费效比

市场（1）电磁兼容设计的具体内容

① 分析系统所处的电磁环境

为获得对于系统预定工作电磁环境的剖析，必须分析电磁环境，找出周围可能存在的人为干扰源和天然干扰源，为系统制定频谱与电磁场功率密度或场强的关系曲线图，以说明在指定频率范围内可能产生的干扰。

② 选择频谱及频率

无线电频谱是有限的资源，由于频谱的用户日益增多，可供选择的频谱将受到限制，尤其在某些频段更为突出，信号频率十分拥挤。因此在进行系统设计时，

对各分系统的频谱、频率及带宽进行精心选择，既要注意避免系统内相互间的干扰以及与周围电磁环境间的干扰，同时也要符合频谱管理的规定。

③ 制定电磁兼容要求与控制计划

为了保证系统内及系统间的电磁兼容，必须制定电磁兼容性大纲。在此大纲中应规定系统的电磁兼容性要求，选取电磁兼容标准与规范以及电磁兼容的保证措施，制定电磁兼容控制计划及试验计划。控制计划的内容包括对系统参数提出要求，对系统提出电磁干扰及电磁兼容性要求，例如，减小发射频谱及接收机带宽、控制谐波量、边带及脉冲上升时间以及对结构、电缆网、电气与电子电路设计等提出要求。试验计划的内容包括测量仪表、实验设施、被测对象的状态、测试项目、试验步骤、试验报告等。

④ 设备及电路的电磁兼容设计

设备及电路的电磁兼容设计是系统电磁兼容设计的基础，是最基本的电磁兼容性设计，其内容包括控制发射、控制灵敏度、控制耦合以及接线、布线与电缆网的设计、滤波、屏蔽、接地与搭接的设计等。在设计中，可针对设备、分系统及系统中可能会出现的电磁兼容问题，灵活地运用这些技术，并要同时采取多种技术措施。

（2）电磁兼容设计的主要参数 ① 敏感度门限和干扰允许度

敏感度门限指敏感设备对干扰所呈现最小的不希望有的响应电平。敏感度门限越小，设备的抗干扰的能力就越差，因此敏感门限值是进行保护性设计确定干扰允许值的基本出发点。干扰允许值必须小于能在敏感设备中引起错误响应的电平值，在进行保护性设计时。应考虑设备或系统工作受干扰时，在最敏感的频率和最危险的状态下所允许的干扰电平，在统计性设计时，应考虑设备或系统干扰电平的概率。

② 电磁干扰安全系数

该参数指敏感度门限高于实际干扰的分贝数，是衡量设备或系统所具有的电磁兼容性程度（以分贝表示）。对于影响工程项目的安全或重要战术技术指标的设备或系统，取电磁干扰安全系数为6dB，对于非主要的设备或系统取3dB，对含有爆炸装置的设备则应取20dB。 ③ 敏感度阈值

敏感度阈值是系统、分系统或设备不能正常工作的干扰临界电平值，是在其工作频段内，受电磁干扰最敏感的频段和最敏感的频率上的干扰临界电平值。这是衡量系统、设备受电磁干扰的易损性参数。电磁敏感度阈值愈低，说明系统、设备愈易受干扰。从概率统计学来定义，敏感度阈值是在一定置信度下，敏感设备或系统受电磁干扰电平的概率值。

④ 失效干扰电平

系统和设备在受到强电磁干扰后将产生失效的现象。失效干扰电平也称为失效准则，它指系统不允许接受的电磁干扰电平。当不允许的干扰电平进入系统后，会使接收机电路或元件产生故障，其故障可能是永久性恶化或永久性失效。所谓永久性恶化是指，系统、分系统中设备受到干扰后，使元件遭到电气损坏或结构损坏，但元件仍然可起作用或暂时不起作用，当干扰消失后仍能工作，只是元件的工作性能降低，降到性能指标不允许的程度。永久性失效是指，系统、分系统中设备受到干扰后，出于电磁能量的作用，使元件遭到永久性电气损坏或结构损坏，例如，连接线熔化、金属镀层损坏或半导体结构损坏等，使元件永久性失效而不能工作。 ⑤ 费效比

通常将采取电磁兼容措施所投资的费用与系统效能之比称为费效比。从安全角度考虑，希望电磁兼容安全裕度越高越好，但选得过高，要采用的干扰抑制措施就越多，投资的费用将增多。从经济观点来考虑，安全裕度不能太高，以减少投资，设计中应采用投资少而系统效能又高的设计方案，来减少费效比。实践证明，在设计开始时就进行电磁兼容设计与系统完工后出现电磁兼容问题时再着手解决的设计方法相比，前者有较低的费效比。 （3）电磁兼容设计的要点 ① 抑制电磁骚扰源的设计要点

 尽量去掉对设备工作用处不大的潜在骚扰源，减少骚扰源的个数；  恰当选择元器件和线路的工作模式，尽量使设备工作在特性曲线的线性区域，以使谐波成分降低；

 对有用的电磁发射或信号输出也要进行功率限制和频带控制；  合理选择发射天线的类型和高度，不盲目追求覆盖面积和信号强度；  合理选择数字信号的脉冲形状，不盲目追求脉冲的上升速度和幅度；  控制电弧放电，尽量选用工作电平低的、有触点保护的开关或继电器，选择加工精密的电机；

 应用良好的接地来抑制接地干扰、地环路干扰和高频噪声。 ② 抑制干扰耦合的设计要点

 把携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件的连接线隔离；

 缩短干扰耦合路径，宜使携带高频信号或噪声的导线尽量短，必要时使用屏蔽线或加屏蔽套；

 注意布线和结构件的天线效应，对于通过电场耦合的辐射骚扰，尽量减小电路的阻抗，而对于磁场耦合的辐射，则尽量增加电路的阻抗；

 应用屏蔽等技术隔离或减少辐射路径电磁骚扰，应用滤波器、脉冲吸收

器、隔离变压器和光电耦合器等滤除或减少传导途径的电磁骚扰。 ③ 对敏感设备的设计要点

 对于电磁骚扰源的各种防护措施，一般也同样适用于敏感设备；  在设计中尽量少用低电平器件，也不盲目选择高速器件。 （4）电磁兼容设计的程序

① 成立电磁兼容技术组，协调处理各种电磁兼容性事宜。

② 制定电磁兼容大纲，规划各种电磁兼容计划，协调各种技术参数。 ③ 选用分析适用的标准规范，对标准中的各项要求进行分析和选择，必要时进行删减或补充，以达到最佳费效比。

④ 分析设备或系统所处的电磁环境和提出电磁兼容性要求，正确选择设计的主攻方向。

⑤ 确定频谱要求，协调频率配置，消除可能的干扰。

⑥ 拟订电磁干扰控制计划，对元器件、模块、电路采取合理的干扰抑制和防护技术。

⑦ 拟订电磁兼容性分析预测方案。 ⑧ 制定电磁兼容性验证要求和试验计划。

⑨ 如果没有电磁兼容性技术基础，还要配备电磁兼容性技术专业人员及必要的设备，对系统工程人员进行必要的电磁兼容性技术培训。

图10-7和图10-8给出了设备电磁兼容设计流程和系统电磁兼容设计程序。

21.咨询委员会20.程序管理人员19.设计复核1.预期电磁环境2.系统效能9.元器件敏感度3.敏感度门限确定否？是是4.耦合电平确定否？否5.确定敏感度门限否6.确定耦合电平8.耦合资料10.确定电磁易损性30～70dB>70dB11.确定附加防护要求<30dB7.基本耦合定义12.设计防护措施13.程序管理人员审查是15.是否要验？否是18.批准设计14.设计资料16.电磁兼容试验否17.设计通过否？

图10-7 设备电磁兼容设计流程

电磁兼容设计程序管理电磁环境标准规范电磁兼容文件电磁兼容技术组对系统的要求对分系统的要求对设备的要求否通过系统组装通过否鉴定鉴定是是分系统组装否通过鉴定设备研制是图10-8 系统电磁兼容设计程序

的电磁兼容设计

PCB中的电磁干扰

干扰的本质

要设计出满足电磁兼容的PCB板，首先必须深入了解PCB中存在的各种电磁干扰及其产生的原因。

电子线路干扰可以被分为两类：内部干扰和外部干扰。内部干扰主要是因为受邻近电路之间的寄生耦合以及内部组件之间的场耦合的影响，信号沿着传输路径有衰减。详细说来，这些问题可以描述为信号丢失、信号沿路径反射以及与邻近信号线路的串话。

外部问题分为辐射问题和敏感度问题。辐射问题主要来源于时钟或其他周期性信号的谐波。补偿的方法是将周期信号局限在一个尽量小的区域内并阻隔与外界寄生耦合的路径。

对于外部影响的敏感度，例如ESD或无线频率的干扰，主要与耦合到I／O线上并传输到单元内部的能量有关。主要的接收器是高速输入线和敏感的相邻线路，尤其是那些边缘激励器件。

对于EMC的分析主要考虑5点： （1）频率：问题在频谱的哪部分出现？

（2）振幅：能量级别有多强，它导致有害影响的潜力有多大？

（3）时间：出现的问题是连续的（周期信号），还是只在确定的操作循环内

出现？

（4）阻抗：源和接收机单元的阻抗是什么?二者间传输媒介的阻抗是什么? （5）尺寸：导致辐射出现的发射设备的物理尺寸是多少?RF电流将产生电磁场，电磁场可以通过地盘的裂缝透出外壳。PCB上线路的长度与RF电流的传输路径有直接关系。

理解这5条有助于大大消徐EMI是如何存在于PCB内的神秘性。运用这几个知识点时，要注意一项设计技术在确定的条件和环境中是有效的，但在其他的条件和环境中可能就无效了。例如，零点接地在低频应用时，是极好的，而对于无线电频率，则完全不适用，大部分的EMI问题存在于这一频率范围，许多工程师盲目地在所有的产品设计中使用单点接地，而没有意识到使用这种接地方法会产生另外的和更加复杂的问题。

通常我们将电流源看成电压施加于—个阻抗产生的。但是，将电压看成是电流流过阻抗形成的结果，具有更多优点。电场耦合包括共模感应，而磁场耦合则与共模和差模电流均有关（取决于受影响的线路）。

电流优于电压有个简单的理由：电流始终沿着—条或几条路径走闭合环路。这有利于控制电流，使其按照系统正确运行所希望的方式或直或弯曲地流动。

噪声耦合

一个产品设计必须考虑两种性能水平：一是减小泄漏出外壳的RF能星（辐

射），另一个是减小进入外壳的RF能量（敏感性或抗扰性）。辐射和抗扰性都要通过辐射的或者传导的途径传播。

为了进一步研究耦合途径，必须认识到传播路径包括了多种传播机制。如图10-9所示，它主要包括以下4种：

（1）从源到接收器的直接辐射；

（2）RF能量从源直接辐射到接收器的AC电缆和信号／控制／电缆上； （3）通过交流干线、信号电缆或控制电缆，RF能量到达接收器； （4）通过普通电力线或普通信号／控制电缆的RF能量传播。

PCB和天线

PCB可以通过自由空间像天线一样发射RF能量或通过电缆耦合RF能量。天线是射频通信中有效的、必不可少的部分。我们需要用天线完成有意的辐射。而大部分PCB是无意的辐射器，并且由国际EMC标准来规范，除非是设计上要求其作为一个发射机。发射机也受到管理要求的约束。如果PCB是一个高效的

①源I/O电缆（输入、输出电缆）②③接收器I/O电缆（输入、输出电缆）③④电源线图10-9 耦合路径机理

无意辐射器，且抑制技术也无效的话，就必须采用密封措施。

无论是有意的还是无意的，天线效率都是频率的函数。当天线由电压源驱动时，它的阻抗会有显著的变化；而当天线共振时，它呈高阻抗并且通常呈电抗特性。阻抗方程（Z=R+jωL）中的电阻部分R称为辐射电阻。辐射电阻是天线在特定频率辐射能量的衡量标准。

在一个特定的频谱上，大部分天线都是高效的辐射体。这些频率基本上低于200MHz，因为I/O电缆长约为2m～3m，与波长相比，有时电缆线是长线情况。在较高的频域内，由于外壳上的小孔，通常可以观测到直接从设备单元内发出的显著的辐射。

当能确定出哪里存在天线辐射时，就像在共模式电线中的辐射一样，减小驱动电压是能应用的最简单的抑制技术。RF电压的存个是由于以下原因：  电路走线阻抗（来自引线电感）  接地点（均匀电势的点）

 用以降低无意天线驱动电压的接地旁路和屏蔽

天线呈现随频率变化而变化的阻抗特性。共振时，电抗元件L和C相互抵消。此时，辐射阻抗最大，RF能量就被辐射出去。

为了减少存在于PCB中的无用寄生天线所造成的影响，需要进行EMC设计和应用抑制技术。除了使用法拉第笼（抑制RF发射）外，还包括在局部上建立—个良好的接地系统。RF滤波器也可以减少无用的RF信号，只是需要按照它的设计功能进行适当选择。

系统级电磁干扰产生原因

导致系统级电磁干扰原因主要有以下几个方面： （1）封装措施的不当使用（金属与塑料封装）；

（2）设计不佳，完成质量不高，电缆与接头的接地不良； （3）时钟和周期信号走线设定不当；

（4）PCB的分层排列及信号布线层的设置个当； （5）对于带有高频RF能量分布成分的选择不当； （6）共模与差模滤波设计不当； （7）接地环路处置不当； （8）旁路和去耦不足。

PCB设计的一般原则

印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。

布局

在PCB设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果。因此，可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第—步。首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：

（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

（3）重量越过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不应装在印制板上，而应装在整机的机箱底板，并应

考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

（4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

（5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： （1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

（3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。 —般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。

（4）位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200 mm×l50mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

布线

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高、技巧最细、工作量最大。但如果布线不当，则会产生严重的电磁干扰。因此，为了合理地进行PCB布线，使设计出的产品具有更好的电磁兼容性，应遵循以下一些基本原则：

（1）印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此，同—元件的各条地址线或数据线应尽可能保持一样长；印制导线的拐弯应成圆角，因为直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线应相互垂直、斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，最好在这些导线之间加接地线。

（2）印制导线的宽度：导线宽度应满足电气性能要求而又便于生产，它的最小值根据承受的电流大小而定，仍最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当钢箔厚度为50μm、导线宽度1mm～1.5mm、通过电流2A时，温升很小，因此，一般选用1mm～1.5mm宽度导线就可以满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于2mm～3mm的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线

过细时，小于流过的电流的变化，地电位变动，微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC脚间走线，可应用10-10与12-12原则，即当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mi1、线宽与线距都为12mil。

（3）印制导线的间距：相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其他原因引起的峰值电压。如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。因此设计者在考虑电压时应把这种因素考虑进去。在布线密度较低时，信号线的间距可适当加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地缩短且加大间距。

（4）印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即，让某引线从别的电阻、电容、二极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如果电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。

（5）印制导线的屏蔽与接地：印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线．这样得到的屏蔽效果比—长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用也将得到改善，另外还起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的限制产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这是抑制噪声能力增强的秘诀；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在内层和外层。还要注意的是，数字区与模拟区尽可能进行隔离，并且数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。

旁路和去耦

旁路和去耦可防止能量从—个电路传到另一个电路，进而提高配电系统的质量。它主要涉及到3个电路区域：电源和接地层、器件、内部电源连接。

去耦合是克服由数字电路切换逻辑状态引起的物理上和时间上限制的手段。数字逻辑通常涉及两个可能的状态“0”和“1”。但某些器件可能不是二进制而是三进制。设置和检测这两个状态通过元器件内部的开关来实现，它确定了该器件在逻辑“低”或在逻辑“高”。这些器件确定某—状态需要—定的时间间隔。在这种情形下，为了防止误触发，规定要有一段保护时间。在触发水平附近改变

逻辑状态将产生—定程度的不确定性。如果我们增加高频干扰，这种不确定度就会增加从而产生可能的误触发。

在最大电容负载情形下，当全部器件的信号管脚同步转换时，为了在时钟和数据转化之间完成适当的操作，也需要去耦合来提供充足的动态电压和电流。通过在电路走线和电源层上确保一个低阻抗电压源来实现去耦合。因为去耦合电容器在高频时（直到自谐振点）有一不断增加的低阻抗，高频干扰能从信号路径有效地转移出来，此时低频RF能量保持相对不受影响。通过使用体电容、旁路电容和去耦电容可以获得最佳的实现方案。所有电容值必须经过计算满足特定的性能。另外，我们必须正确地选择电容器介质材料。

以下是电容器的3个通常用途。当然，电容器还可以被用作其他用途，例如：计时、波成形、积分和滤波。

 去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦

电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。

 旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生

AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。

 体电容：信号管脚在最大电容负载状态下同步切换时，用于保持器件DC

电压和电流恒定。它还可以防止由器件产生的冲击电流dI／dt引起的电压击穿。

理想电容器在它的导体板和介质材料中无损耗。电流一直存在于两个平行板间。因为这一电流的存在，在平行板参数中有一电感因子。因为当一块板子充电时，与其相邻的另一块板放电，在电容器的总电感上加有一互耦因子。

PCB的接地方法

接地方法和术语有很多，包括数字地、模拟地、安全地、信号地、噪声地、纯净地、大地、单点接地和多点接地。在设计产品时，必须明确接地方法，而不能随意使用。从长远观点来看，设计一个好的接地系统是值得的。在印刷电路板中，必须在单点和多点接地技术这两种基本接地方法中任选一种，如果预先计划好了的话，这两种方法中的任何一种都可以和其他接地方法结合使用。接地方法的选择取决于产品的应用。必须牢记一点，如果采用单点接地技术，那么在应用中必须保持一致性。这个法则同样适用于多点接地技术。除非设计允许在层面和功能子块之间具有隔离和分块，否则多点接地技术不能和单点接地技术混合使用。

接下来分别介绍一下3部分的内容：单点接地、多点接地和复合式接地。 1.单点接地技术

单点接地连接是指在产品的设计中，接地线路与单独—个参考点相连。这种严格的接地设置的目的是为了防止来自两个不同子系统（有不同的参考电平）中的电流与射频电流经过同样的返回路径，从而导致共阻抗耦合。

当元件、电路、互连等都工作在1MHz或更低的频率范围内时，采用单点接地技术是最好的，这意味着分布传输阻抗的影响是极小的。当处于较高频率时，返回路径的电感会变得不可忽视。当频率更高时，电源层和互连走线的阻抗更显著，如果线路长度是信号1/4波长的奇数倍（该波长依据周期信号上升沿速率确定），这些阻抗就可以变得非常大。在电流返回路径中存在有限阻抗，就会产生电压降，随之就产生了不希望有的射频电流。

图10-10表示了单点接地的两种连法。

1L1I=I1+I2+I3串连接地I1L22I2L33I31L1I1I2L2I3并联接地2L33

图10-10 单点接地法

2.多点接地技术

高频设计时为使接地阻抗最小，机座接地一般要使用多个连接点并将其连接

到一个公共参考点上。多点接地之所以能减小射频电流返回路径的阻抗是因为有很多的低阻抗路径并联。低平面阻抗主要是由于电源和接地平板的低电感特性或在机座参考点上附加低阻抗的接地连接。图10-11为多点接地结构。

电路1电路2电路3L1L2L3图10-11 多点接地结构

3.混合或选择接地

混合接地结构是单点接地和多点接地的复合。在PCB中存在高低频混合频率时，常使用这种结构。图10-12提供了两种混合接地方法。对于电容耦合型电路，在低频时呈现单点接地结构，而在高频时呈现多点接地状态。这是因为电容将高

电路1电路2电路3C1C2C3混合接地－容性耦合电路1电路2电路3L1L2L3混合接地－感性耦合

图10-12 混合接地

频RF电流分流到了地。这种方法成功的关键在于清楚使用的频率和接地电流的预期流向。

参考书目

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5 陈淑凤 马蔚宇 马晓庆.电磁兼容试验技术.北京邮电大学出版社.2001 6 徐鹏.电磁兼容性原理及应用.国防工业出版社.1996