電子設備中基于接地與屏蔽的電磁兼容性設計

    隨著微電子技術的快速發展，電子設備應用越來越廣泛，電子系統的集成度越來越高，但是在復雜電磁環境下，電子系統對電磁干擾有明顯的敏感性和脆弱性。為了減少故障并杜絕事故的發生，必須對電子設備進行電磁兼容性設計。只要電子電氣設備通電就會產生電磁場，電生磁，磁生電，因此電磁環境是非常復雜的，一方面要求使用電子設備時對周圍的電磁環境不造成污染，另一方面也要求該電子設備在現實電磁環境應用中不至于性能下降或發生故障以致產生嚴重事故。因此必須對電子設備的電磁兼容性進行研究，對電磁導致的干擾進行控制與防護�；�于電磁兼容性設計的重要性，以下對相關問題作某些探討。

    1 常見的電磁干擾現象及其分析

    電磁及其感應現象是普遍存在的，因此電子系統的電磁工作環境是非常復雜的。從工程應用角度，電磁干擾按工作頻率的不同可將其進行分類。例如，一般電網中普遍存在諧波信號電壓波動、電網頻率變化與低頻感應電壓、電網電壓不平衡、電網供電波動短暫下降與短時間中斷等導致的低頻傳導干擾，磁場與電場的低頻輻射干擾;由于感應連續波電壓電流的振蕩瞬變與單向瞬變引起的高頻傳導干擾，電磁場（連續波、瞬態）與磁場、電場導致的高頻輻射干擾;由于材料的絕緣性能導致的靜電放電干擾等。上述提及的干擾包含了工程應用中絕大多數的電磁干擾現象。

    在對電子系統進行抗干擾性能分析時，必須對導致系統的固有特性及其應用環境進行綜合分析。電子電路系統中可能出現的電磁干擾類型有：例如，由于存在電路回路的公共阻抗耦合，因而導致電路性的相互干擾;由于干擾源與干擾對象之間存在著變化的電場，通過電容耦合可能形成電容性干擾，因其會產生干擾電壓; 空間電磁波的電、磁場強度變化，可能產生感電勢導致的傳導電流和傳導電壓的干擾;在交變磁場干擾源中，電流變化可能導致在電感性元件上產生感應電壓，因而產生電感性干擾等等。

    2 電磁兼容性及其設計機理

    2.1 電磁兼容性

    隨著電氣及電子設備在現代化生產中的廣泛應用，設備聯接越來越復雜，功率越來越大，數量急劇增加，對設備要求也越來越高，頻帶日益加寬，設備靈敏度更高， 因此電磁兼容性問題變得更加重要。電磁兼容（EMC，ElectromagneticCompatibility）的涵義是指處于電磁環境中的電子系統， 任何其他事物都不可能對它構成不能承受的電磁干擾能力，且設備或系統都能夠正常地工作。電磁兼容技術涉及通信、計算機、電子、生產、軍事以及生活的各個方面，是一門正在迅速發展的交叉學科。電磁兼容是研究在有限空間、有限時間與有限頻譜資源條件下，不同設備相互之間可以共存而不致相互影響的科學。由上述電磁兼容定義可知，電磁兼容的涵義包括：設備對周圍其他設備不產生不能承受的干擾，其本身也不受其他設備干擾的影響。電磁兼容性研究涉及多個方面，首先是對電磁干擾源自身特性的研究;其次，電磁發射強度、干擾機理與電磁干擾抑制方法以及電磁干擾的時頻域特性等方面的研究，第三，特別值得注意的是設備自身抗電磁干擾性能的研究;最后，如何評價電磁輻射與傳導特性等電磁兼容性，采用什么設備與測量方法對電磁干擾進行測量，如何處理測量數據與測量結果。從更大范圍考慮，它還涵蓋了系統內及系統間的電磁兼容性。電磁兼容性研究內容包括自然及人為電磁干擾源，如閃電現象與靜電放電就是自然電磁干擾源，干擾源的測量包括開闊場地、輻射、傳導與脈沖干擾的測量（電浪涌、快速瞬變脈沖群與靜電放電），在實現電磁兼容性的技術方面有屏蔽、接地、綁接與濾波等，也包括采用特殊設計技術以抑制電磁干擾。

    2.2 抗電磁干擾設計機理

    要構成電磁干擾必須同時具備三個條件：其一，必須有干擾源存在，沒有干擾源存在，顯然不可能對設備產生電磁干擾;其二，有傳播電磁干擾的通道存在，否則不可能形成對設備的電磁干擾;其三，設備要能夠接受到干擾信號，并直接影響到設備的正常工作，因此即使設備接受到了干擾，如果采取技術措施可消除其對設備的干擾。例如，一個魯棒性很強的設備，是不會受到電磁干擾影響的�？闺姶鸥蓴_設計機理就是要采取電磁兼容性設計，使上述三個條件不同時具備，以達到提高設備抗電磁干擾的目的。

    以電子設備抗干擾設計為例，因為設備中高頻干擾特別突出，首先是對設備發射的射頻能量進行控制，使其盡可能地小以免干擾其它設備，其次，為了設備不受到外界干擾，必須盡量減小進入該設備的射頻能量。電磁干擾可以借助輻射或者傳導傳輸兩種方式實現，如干擾源能量直接輻射到控制線、信號線與電源線進入設備后，可通過公共信號、控制電纜或公共電源線等耦合途徑直接干擾設備的正常工作。因此，可在設備端口或敏感回路，采用共�；虿钅？垢蓴_措施，最大限度地減少對其影響，降低輻射與傳導的能量，提高設備的抗干擾性能，其抗電磁干擾設計機理就是杜絕同時滿足上述的三個必備條件［3-4］。基于此，其抗電磁干擾設計的技術措施可以是各種各樣的，隨著技術的進步，可采取的技術措施會越來越豐富，以保證設備設計的電磁兼容性。

    3 抗干擾設計策略

    抗電磁干擾設計就是在復雜電磁頻譜環境下，采用綜合技術措施以保障電子設備正確發揮效能。按照抗電磁干擾設計機理，首先是抑制干擾源以防范電磁干擾;其次是采取防電磁干擾措施，以阻斷干擾傳播途徑;最后，是降低電子設備對干擾的敏感度，或者提高電子設備的魯棒性性能，以預防與抑制電磁干擾。針對電子系統的電纜接插件、印制板布局、信號布置，抑制干擾布線、元器件、濾波器、接地與旁路等環節可能引入的電磁干擾信號，可采用隔離、電路阻抗控制、濾波、解耦、密封、接地、屏蔽、正確布線等抗電磁干擾措施。

    3.1 PCB版的合理布局與布線設計

    在電路布局方面，電源、模擬與數字電路的元件布局和布線是不同的，在元件布局時應將其分別放置，應將高、低頻電路分開，盡可能將其各自隔離，注意信號傳輸方向、途徑以及強、弱信號的器件分布相互之間不要產生干擾。對于容易產生噪聲干擾的電路，如時鐘發生器、晶振與CPU 時鐘等的輸入端等，應當相互盡可能地靠近些，以便于合理布局整個PCB版，減少干擾源。強弱電流不同的電路與易產生噪聲的器件應盡可能遠離邏輯電路。最大限度地減少信號通路與電路元件布局中無用信號的相互耦合。為避免模擬、數字電路產生公共阻抗耦合，將低電平的模擬與數字電路分開，并且遠離無濾波的電源和高電平信號線;在PCB版布局上，應將不同的高、中、低速邏輯電路分別布局于不同的區域，確保同層相鄰布線、同板相鄰層、相鄰板之間的平行信號線盡可能長度最小;EMI濾波器放置于同一線路板并盡可能靠近EMI源;整流器、DC/DC變換器與開關元件與變壓器的放置位置應當盡可能地靠近以縮短導線長度。濾波電容器、調壓元件與整流二極管的放置位置也應當盡可能地靠近，以減少對外部的干擾;噪聲與非噪聲元件盡量遠離，將印刷電路板按電流開關特性與頻率分區， 杜絕大電流、高速開關線與噪聲敏感布線相互平行。