电磁干扰是什么意思 如何在PCB上减轻电磁干扰？

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简介

电磁辐射是指在空间中传播的电磁能量波。我们都熟悉无线电、微波、光和X射线等术语，这些都是不同频率的电磁辐射。我们用眼睛看到的光只是电磁波谱的一小部分，大约是400-700太赫兹（THz）。无线电波指的是KHz和GHz范围内的频率，包括像WiFi、蓝牙、移动电话通信、卫星通信，当然还有FM广播。

当然，无线电波和通信是非常有用的，就像上面的例子一样，然而我们的电子设备有时也会产生无意的和不必要的辐射，这可能会干扰其他设备以及他们有意的通信。我们不希望当邻居打开他们的微波炉时，我们的WiFi停止工作。在极端情况下，电磁辐射可以被武器化，如电磁炸弹产生的EMP（电磁脉冲），或如故意破坏通信的无线电干扰器。就我们的电子设备而言，EMI（电磁干扰）和EMC（电磁兼容性）是指我们的设备在电磁辐射方面的表现。通常，这是指无线电波范围内的EM，因为我们的电子设备通常以KHz，MHz和GHz范围内的时钟频率工作。

EMI 是指从我们的设备发出的意外电磁辐射（可能会干扰其他设备）。EMC是指我们的设备在电磁辐射方面的表现。在EMC方面，我们需要知道，我们的重要设备（医疗设备、车辆引擎-管理-系统等）即使暴露在一定程度的电磁干扰下，仍将继续正常运行。在EMI方面，请注意，所有具有任何电流开关的电子设备都会产生至少一定程度的电磁辐射，但是我们需要将这些辐射保持在一定水平以下，以符合法定标准。

产品认证

为了获得我们产品的认证（可能需要在某些市场销售），通常需要通过EMI / EMC测试，该测试由经过认证的测试机构进行。EMI辐射发射测试可能如下所示：

▲EMI 辐射发射测试波特图

这是一个波特图或频率分析图，其中横轴表示频率，纵轴表示幅度 - 它显示了一系列频率的发射幅度。为了通过测试，所有排放必须低于顶部橙色线指示的水平。

如果发射量高于指定限值，则设备将无法通过测试：

▲排放超过限值 - 设备故障

测试在标准化条件下在特殊的测试室中进行：

▲用于设备EMI测试的腔室

天线接收从设备发出的辐射，频谱分析仪将其绘制在图表上。

针对EMI/EMC合规性进行设计在某种程度上与设计无线电相反。我们希望确保我们的设备不是收音机（至少不是我们特别希望它在某些频率上的位置，例如如果我们的设备通过 WiFi 通信）。众所周知，收音机需要天线。天线在交流电连接时发出电磁辐射（EMI），并在接收到电磁辐射时产生电压/电流（EMC）。

从技术上讲，电磁辐射是由带电粒子加速发射的（当电流改变方向或开始和停止时发生），EMI/EMC设计需要注意系统中的AC（开关电压/电流）组件，以及系统中可能充当天线的走线（电线）。一般来说，实施良好的高速设计技术也将有助于EMI / EMC。

返回电流

我们可能不会考虑它，但我们板上的每个信号都必须有一个返回路径。通常这是通过电源网络，例如接地（GND），请考虑以下方案：

我们的电路板上有两个相互通信的设备（例如微控制器和传感器）。它们之间有一条相对较短的通信线，从概念上讲，当我们考虑设备之间的通信时，这通常是我们所关注的全部内容;但是通信线路也必须有一个返回电流，并且是通过电源线产生的，这可能需要更长的路线。更长的路由意味着更大的天线。在设计EMI/EMC时，我们还需要考虑返回电流路径（电源线），并尽量保持较短（较小的天线）。

在实现高速设计原则（通常涉及4层以上的电路板）时，我们通常使用内层作为电源层。通过简单地将过孔添加到组件附近的电源层，我们可以确保电流的返回路径较短（电源层以蓝色表示，白线表示概念电流路径）：

我们应该注意确保我们的电源层没有中断，这可能会导致电流路径再次变长（同样，白线表示概念电流路径）：

同样，这也符合高速原则，即确保高速线路的阻抗恒定。

最小阻抗路径

说到阻抗，有趣的是，直流电（DC）遵循电阻最小的路径，而交流电（AC）遵循电抗（阻抗）最小的路径。当我们认为电抗是电阻的交流当量时，这是有道理的。如果您不熟悉电抗/阻抗，请查看我们关于无源滤波器的文章。随着频率的增加，电抗的感性元件起着更大的作用，电流基本上开始遵循最小电感的路径。这意味着，随着频率的增加，电流实际上会尝试直接跟随相关信号线：

这就是为什么在高频线路下方保持不间断的电源层很重要的原因。即使信号线遵循一条奇怪的路径，返回电流仍然希望以更高的频率直接跟随它下面：

去耦电容器

随着电路板上组件所需的电流发生变化（例如，CPU突然需要更多功率来进行复杂的计算），电路板上电源走线中的电流也会发生变化——再次将这些走线变成天线。通过在我们的电路板上安装足够的去耦电容器，尽可能靠近相关组件，我们可以尽可能减少这种情况。另一种看法是，去耦电容在电源和地之间提供一条低阻抗路径，供交流电流过。您可以在这篇博客文章（Decoupling Capacitors中阅读有关去耦电容器的更多信息。

通孔拼接

通孔拼接是指在不同的电路板层上放置连接两个（或多个）电源层的多个过孔。

虽然我们从概念上考虑要连接的电源层，即使它们仅通过电路板角落的单个通孔连接，也相同，但不断变化的功率需求和电磁辐射实际上可能导致两个（或多个）电源层之间的电压略有不同。通过电源层放置旁路，我们可以确保可能出现的任何电压差都可以通过短电流路径解决 - 再次减小天线的尺寸。

压摆率

压摆率是指信号上升或下降的速度。我们可以从概念上认为电压电平会瞬时变化，但事实并非如此——电压从一个电平转换到另一个电平总是需要一些有限的时间。非常快的跃迁导致带电粒子在短时间内加速，因此电磁辐射发射更高。另一种看待这个问题的方法是，就傅里叶变换而言，信号边缘越方，它包含的高频分量就越多。因此，一些微控制器具有可调压摆率，以减慢信号转换的速度并降低信号边沿的垂直度。降低压摆率（在实际所需信号频率所需的速度范围内 - 我们不能在1GHz信号上实现1ns的压摆，因为1GHz的频率周期为1ns）可以减少电磁辐射发射。

错开

一些具有宽通信总线的IC可能包括错开总线内单个线路切换的选项。交错切换，而不是一次切换所有线路，有助于将产生的EMI分散到不同的时间范围内，从而将任何给定时刻的总EMI降低到可接受的水平。

屏蔽

屏蔽通常是在EMI/EMC方面首先想到的解决方案，但实际上它通常应该是在解决了上述问题之后的最后一个考虑因素。信号甚至可以从很小的缝隙中漏出，如PCB的侧面，而屏蔽有时相当于试图用大量的胶带来固定一个机械产品。也就是说，屏蔽确实有它的用武之地——只是在没有确保正确的PCB设计之前，它不应该成为首选的解决方案。

总结

EMI/EMC设计涉及考虑系统的AC（开关）组件，并采取措施减小电流环路的尺寸。通常，考虑到高速设计原则的设计也将具有良好的EMI/EMC。诸如确保高速轨道下的电源层不间断、充分利用去耦电容器、开关IC周围电源层的通孔以及尽可能保持高频轨道相对较短等原则将有助于EMI/EMC。例如，DC-DC转换器电路应尽可能小且紧密，附近应有良好的去耦电容器。一个不合格的 EMI/EMC 的 2 层设计只需更改为 4 层，内层接地层并在 IC 附近拼接过孔即可通过。可以进一步查看电路板正在生成哪些特定频率并跟踪源可能是什么，使用近场探头等工具查明发射源，使用TEM单元进行快速预认证测试并查看硬件和软件更改的结果，以及使用其他电磁分析工具，如电磁扫描仪

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