EMI辐射设计理论和思路

EMI辐射设计理论和思路

01

EMI辐射的基本理论

EMI辐射的基本理论：

辐射的一个重要基本概念是：电流导致辐射，而非电压；

A. 所有的等电位的导体都能互连在一起，能连的都连上；不能连的用电容连上，电容连接就是滤波的方法！

B.所有的EMI的辐射问题都是远场的辐射！远场的辐射怎么出来？一定是骚扰信号源传递到了一个等效的天线模型上。由此建立等效的天线模型如下：

通过上面的电缆天线模型以及信号互联的关键点： A.信号源（噪声源）总是要返回其源头，由上图可知回路可能有许多不同的路径； B.每条路径上的电流幅值都不相同，这会与该路径的阻抗有关； C.不希望某些电流在其中某条路径上流动 因此就需要在该路径上采取措施！比如：在信号源（噪声源）串联阻抗（共模电感，磁珠等等），对地增加Y电容的设计；从而改变辐射天线的能量，如上计算公式。 骚扰信号源传递到产品中的等效天线，然后传递发射出去产生EMI辐射问题。 1）电流不要流过等效天线，则没有EMI的辐射问题; 2）电路中导体的所有电位都等电位的时候，就没有电流存在了； 通过上面的分析可以提供我们基本的设计思路。让辐射源不要流过这个等效的天线模型或者流过的等效的环路路径最短/等效的回流面积最小；优化等效辐射阻抗Rr的电流值即减小辐射能量。

02

EMI辐射的模型分析

按照天线发射的模型分为：单极子天线模型，耦极子天线模型，环天线模型；其中单极子天线是耦极子天线的单极接地模型。我们还可以将模型简化；变成共模发射和差模发射模型，参考如下：

通过上面看到：

上面左图是电磁波的辐射天线，它是在两个导体之间有一个电压，如果电压是直流的，那么显然，因为两个导体之间是开路的，那么导体上面便不会有电流。

如果上面的电压是变化的，那么因为这两个导体之间存在杂散电容（分布电容C），就会产生一个电流，这个电流是产生电磁波辐射的重要条件了。

上面右图是一个环路天线，如果加到上面的电压是直流电压，这个电流只能产生一个静磁场，这个磁场是没有辐射的。

而如果加到上面的电压是变化的电压，那么会在上面产生交变的电流，由交变的电流产生交变的磁场，就会产生辐射。

在实际的产品设计应用中我们系统的噪声源基本是比较容易知道的，或者说比较容易判定；比如噪声源A.开关电源系统 B.时钟及高频信号源系统

通过上面的理论模型，将差模辐射和共模辐射电场能量进行定义比值为K分析：

通过上面的数据可以提供设计思路：

当噪声电流的频率f≥50MHZ 噪声电流的回流面积A对辐射影响快速增大；

A.系统测试≥50MHZ辐射超标时需要优先优化关键信号的回流面积

B.对于高频时钟需要保证时钟信号的回流面积最小，减小差模辐射

C.对于低频开关电源系统其辐射一般≤100MHZ；

因此需要优化开关噪声回路面积 同时降低高频噪声电流强度（在噪声源端增加阻抗如磁珠等）；

对于时钟系统及高频信号系统 差模辐射及信号的回流面积是设计的关键；

通过视频可以看到：高频线路&低频开关电源线路PCB设计之布局布线策略！

电流怎么走？高频电流走感抗最低的环路；而不是最近的路！高频信号回流路径通过镜像回流！开关电源布局布线要选择最小回路！对于高频高速信号采用双面板及多层板的铺铜地架构设计是要满足关键信号的最小回流面积；对于开关电源系统的EMI辐射需要优化开关噪声回路面积 同时降低高频噪声电流强度的设计思路！