电路设计EMI问题分析

摘要：电子产品存在时域、空域以及频域复杂的电磁能，电磁干扰问题在一定程度上影响着产品性能的发挥，在某种程度上制约了电子科学信息与技术的发展。为尽量减少电子线路干扰现象，详细分析了电磁干扰产生的原因。为了切实有效地实现电子电路设计的抗干扰，在PCB设计时需要进行全局设计和安排，最大程度上规避不同类型信号相互之间产生的干扰影响。布线设计时应妥善处理公共电源线和接地线，降低各类干扰噪声，最大程度上实现多种设备在同一环境下的安全稳定运行，满足电路设计的科学性、合理性以及有效性。

关键词：电子电路；PCB设计；EMI；抗干扰措施

引言

经济高速发展的时代，各类电子产品越来越智能先进，给人们生产生活带来了极大的便利。随着科学技术不断的进步发展，微型高集成电路和智能电子电路等广泛应用，极大地提升了人们的生活品质。但是，任何电子产品都是在有限空间内，存在时域、空域以及频域复杂的电磁能，再由于设计的缺陷、电子元器件性能衰减或老化以及人为空间环境的变化等因素，使得电磁干扰问题无法从根本上消除，也在一定程度上影响着产品性能的发挥，制约了电子科学信息与技术的发展。为了尽可能地提升电子产品的性能，维持电子产品工作的稳定状态，很多研究及技术人员从电路电子元器件的材料选择、电路布局与设计、电路可靠接地、软硬件EMI辅助设计及应用方面进行了充分的研究，极大程度上降低了电磁干扰等问题[1]。

1电磁干扰产生原因分析

电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）起源于电磁辐射源，由于各类电子元器件及敏感元器件或者设备相互之间的电信号作用形成了一定的干扰噪声，再通过传导干扰和辐射干扰等多种耦合以及元器件发热效应，叠加了干扰电磁效能。电磁干扰主要耦合途径为传导干扰，通过电路中各种导线、公共电源线以及接地线等对干扰噪声信号进行叠加放大。传导干扰噪声频率范围一般在10kHz～30MHz，辐射干扰主要是电子设备内部或外部干扰信号通过空间耦合方式进行传播[2]。由于电子电路之间存在一定的工作电压和电流，各类电子产品的PCB板通常存在差模和共模噪声干扰信号。差模噪声主要是由于电子元器件之间快速的时变电流（di/dt）作用在工作回路中产生的一种干扰，共模噪声多为容性电路中快速的电压变化率(du/dt)作用在地寄生分布电容上产生的一种干扰。在电子设备EMI测试时，差模噪声|Ep|和共模噪声|Ec|分别为：式中，|Ip|表示时差模电路中的电流强度；|Ic|表示共模电路中产生的电流强度；f表示电流工作的频率；LS表示环路面积；L表示电缆线路的长度；d表示EMI测试时测量天线到线路的距离。综上分析，电磁干扰主要来自于电子电路中不断快速变化的工作电流，由于电路工作电流中存在一定的高频谐波分量，这种时变电流通过一定的耦合路径形成了一种共模电流[3]。EMI测量差模与共模噪声计算模型如图1所示。国内外研究机构及学者通过对PCB电磁辐射机理和辐射计算方法进行了大量研究和探索。一般认为在多层PCB布线时，电源-地平面形成了一种谐振腔结构，电路板电源和地分配网络的谐振频率上容易产生较为严重的电磁辐射，这种高频辐射通过电路板边缘向外辐射，称为边缘辐射。PCB电源和地平面的辐射原理通常按照微带天线辐射机理进行分析和研究，由于电路板长宽均比电路板厚度大的多，PCB过孔激励两平行板产生辐射场，并通过电路板边缘向外辐射[4]。PCB板边缘辐射原理如图2所示。因此，在电路抗干扰设计中，需要通过精准计算尽量降低工作电流中的高频谐波分量，同时对PCB板布线进行合理布局。PCB布线中将电源平面和地平面尽量靠在一个平面维度，有利于产生高平板电容和低阻抗，从而降低高频噪声和边缘辐射能量[5]。再者，尽量降低电路时钟频率，选择合适的、符合性能要求的以及元器件特性匹配较好的元器件进行电路性能优化。一般认为，当电子电路时钟信号远小于10MHz时，信号布线路径为微波传输线，电路电流耦合路径产生的差模噪声干扰较小。PCB设计效果直接关系到电子产品性能的好坏，所以在PCB设计时一方面要最大程度上满足合理性需求，另一方面应充分考虑EMI抗干扰设计要求，从而进一步提升电产品使用性能并延长其使用寿命[6]。

2EMI解决方案及措施

目前电子产品中大量采用高时钟频率、多输入、输出端口以及高度集成微型电路（IntegratedCircuit，IC），信号传输通常需要高度集合数字信号、射频信号以及光信号等混合信号，且电路要求具有高性能、低成本、高可靠以及高稳定等特性。PCB设计的复杂度越来越高，PCB板中元器件及多层板间存在的变量按照几何指数增加。同时，还需要保持电路信号工作的完整性和电磁兼容性，因此有效的EMI解决方案成为设计较为困难的问题[7]。

2.1PCB板抗干扰方案

PCB板抗干扰设计时，通常采用EMIStream等EMI设计应用软件进行电子电路的EMI测试和性能分析，从而提升PCB板的抗干扰能力，确保设计的准确性。为了保证布局的合理性和精准性，应严格控制PCB板子尺寸，进一步降低板子阻抗和生产成本。PCB板尺寸如果设置偏小，那么将不利于电路板散热，易造成临近电路干扰。精准定位出PCB电路板上每一个电子元器件的位置，按照功能模块单元完成全部元器件的布局，布局期间需减少高频元器件连线长度，避免抗干扰性能差异较大的元器件相近布置，合理布局电子元器件引脚，从而减少元器件的分布参数。确保走线位置，适当保持与对干扰敏感设备或元器件的距离，设计精确的低电阻串联回路，降低电源的平面谐振和电路回流路径阻抗。正确放置旁路和去耦电容，最大程度优化地线圈围时钟区，尽量减少多余的时钟线，合理设计时钟频率，满足需求即可，同时保证驱动电路贴近电源电路设计，布线配合合理，实现不同信号间相互独立，进一步强化信号接收效果，降低干扰，维持设备运行稳定性[8]。

2.2电源线及地线抗干扰布置措施

PCB板电路中，多数干扰因素来自于电源线或地线，为有效避免反馈耦合效应，电路输入端和输出端口之间导线可合理设置线间地线，且布线是尽量避免邻行布置。合理计算流经导线（电源线、地线）电流值和导线与绝缘基板间的粘附强度，确定好导线的有效宽度。精准计算出导线击穿电压和绝缘电阻值，确定导线间的最小布置距离。在PCB板设计时，应充分考虑线性电路和逻辑电路布置的合理性，尽量将两种电路分开[9]。布线时尽量选择较小面积的铜箔，减少热效应的影响，如确实需要使用大面积铜箔材料，则应采用栅格状铜箔，以利于散热和通风。设置接地线应形成一个完全闭合的环路，低频电路的接地应尽量采用单点并联接地方式，高频电路则尽量使用多点串联接地方式，接地线长度不易过长，且要加粗处理。在设置电容引线的时候，引线长度尽量短，且高频旁路电容不需要设置引线，电源线和地线走向与数据传递方向应尽量保持一致。此外，部分电路产品中需要合理布置一定的安全接地线、避雷接地线以及屏蔽接地线，防止静电、雷电及其他电子干扰的影响[10]。

3结论

解决电子产品EMI干扰问题是一项较为复杂、系统且精准的工作，不仅需要充分考虑设备工作的条件和环境，考虑元器件的材料选择和性能匹配，明确产品使用要求和标准，还需要在此基础上严格高效地控制信号，保证信号稳定传输的路径，同时要进行全局设计和安排，最大程度上规避避不同类型信号相互之间产生的干扰影响。进行合理布线，妥善处理公共电源线和接地线，满足电路设计的科学性、合理性以及有效性，降低各类干扰噪声，最大程度上实现多种设备在同一环境下的安全稳定运行，满足设备兼容性需求。

参考文献：

[1]王辉.论射频电路PCB板电磁兼容设计方法与技巧[J].数字化用户，2019，25（16）：252.

[2]杨荣彬.多层印制电路板的EMI数值分析[D].厦门：集美大学，2012.

[3]曾鹤琼.电子电路设计中抗干扰技术的实现[J].通讯世界，2019，26（10）：235-236.

[4]孟祥荔.电子电路设计中的抗干扰措施[J].设备管理与维修，2019（3）：56-57.

[5]肖必超.电子电路设计中抗干扰技术的实现[J].信息工程，2020（10）：50-51.

[6]彭裘武.反激式开关电源设计与传导EMI抑制研究[D].广州：广东工业大学，2019.

[7]杨章平.高速PCB设计中的信号完整性分析研究[D].成都：电子科技大学，2014.

[8]张松松.高速电路板级SI、PI、EMI设计[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[9]左向东.感应加热电源传导EMI抑制措施研究[D].西安：西安理工大学，2017.

[10]姬军鹏，胡雪利，陈文洁，等.数字有源EMI滤波系统延迟的建模与分析[J].电子学报，2015，43（9）：1793-1799.

作者：苏江帆 单位：广州海格通信集团股份有限公司