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PCB中产生电磁干扰的原因及消除干扰技巧
文章来源:永阜康科技 更新时间:2017/12/15 10:37:00
PCB中,会产生EMI的原因很多,例如:射频电流、共模准位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。为了掌握EMI,我们需要逐步理解这些原因和它们的影响。虽然,我们可以直接从电磁理论中,学到造成EMI现象的数学根据,但是,这是一条很辛苦、很漫长的道路。对一般工程师而言,简单而清楚的描述更是重要。本文将探讨,在PCB上「电的来源」、Maxwell方程式的应用、磁通量最小化的概念。
 
电的来源
与磁的来源相反,电的来源是以时变的电双极(electric dipole)来建立模型。这表示有两个分开的、极性相反的、时变的点电荷(point charges)互为相邻。双极的两端包含着电荷的变化。此电荷的变化,是因为电流在双极的全部长度内,不断地流动而造成的。利用振荡器输出讯号去驱动一个没有终端的(unterminated)天线,此种电路是可以用来代表电的来源。但是,此电路无法套用低频的电路原理来做解释。不考虑此电路中的讯号之有限传播速度(这是依据非磁性材料的介电常数而定),反正射频电流会在此电路产生。这是因为传播速度是有限的,不是无限的。此假设是:导线在所有点上,都包含相同的电压,并且此电路在任何一点上,瞬间都是均衡的。这种电的来源所产生的电磁场,是四个变量的函数:
 
1. 回路中的电流振幅:电磁场和在双极中流动的电流量成正比。
2. 双极的极性和测量装置的关系:与磁来源一样,双极的极性必须和测量装置的天线之极性相同。
3. 双极的大小:电磁场和电流组件的长度成正比,不过,其走线长度必须只有波长的部份大。双极越大,在天线端所测量到的频率就越低。对特定的大小而言,此天线会在特定的频率下共振。
4. 距离:电场和磁场彼此相关。两者的强度和距离成正比。在远场(far field),其行为和回路源(磁的来源)类似,会出现一个电磁平面波。当靠近「点源(point source)」时,电场和磁场与距离的相依性增加。
 
近场(near field)(磁和电的成份)和远场的关系,如附图一所示。所有的波都是磁场和电场成份的组合。这种组合称作「PoynTIng向量」。实际上,是没有一个单独的电波或磁波存在的。我们之所以能够测量到平面波,是因为对一个小天线而言,在距离来源端数个波长的地方,其波前(wavefront)看起来像平面一样。
 
图一:波阻抗和距离的关系
 
这种外貌是由天线所观测到的物理「轮廓」;这就好像从河边向河中打水漂一样,我们所看到的水波是一波波的涟漪。场传播是从场的点源,以光速的速度向外辐射出去;其中,。电场成份的测量单位是V/m,磁场成份的测量单位是A/m。电场(E)和磁场(H)的比率是自由空间(free space)的阻抗。这里必须强调的是,在平面波中,波阻抗Z0,或称作自由空间的特性阻抗,是和距离无关,也和点源的特性无关。对一个在自由空间中的平面波而言:
 
 
波前所承载的能量单位是watts/m2。
 
就Maxwell方程式的大多数应用而言,噪声耦合方法可以代表等效组件的模型。例如:在两个导体之间的一个时变电场,可以代表一个电容。在相同的两导体之间,一个时变磁场可以代表互感(mutual inductance)。附图二表示这两种噪声耦合机制。
 
图二:噪声耦合机制
 
平面波的形状
若要使此噪声耦合方法正确,电路的实际大小必须比讯号的波长小。若此模型不是真正正确时,仍然可以使用集总组件(lumped component)来说明EMC,原因如下:
 
1. Maxwell方程式不能直接应用在大多数的真实情况中,这是因为复杂的边界条件所造成的。如果我们对集总模型的近似正确度没有信心,则此模型是不正确的。不过,大多数的集总组件(或称作离散组件)是可靠的。
2. 数值模型不会显示噪声是如何根据系统参数产生的。纵使有一个模型可能是答案,但与系统相关的参数是不会被预知、辨识,和显现的。在所有可用的模型当中,集总组件所建立的模型算是最好的。
 
为什么这个理论和对Maxwell方程式的讨论,对PCB设计和布线(layout)很重要?答案很简单。我们必须先知道电磁场是如何产生的,之后我们就能够降低在PCB中,由射频产生的电磁场。这与降低电路中的射频电流有关。此射频电流直接和讯号分布网络、旁路和耦合相关。射频电流最后会形成频率的谐波和其它数字讯号。讯号分布网络必须尽量的小,如此才能将射频回传电流的回路区域尽量缩小。旁路和耦合与最大电流相关,而且必须透过电源分散网络来产生大电流;而电源分散网络,在定义上,它的射频回传电流之回路区域是很大的。
 
图三:噪声耦合方法
 

 

Maxwell方程式的应用
到目前为止,Maxwell方程式的基本概念已经介绍过了。 但是,要如何将此物理和高等微积分的知识,与PCB中的EMC产生关联呢?为了彻底了解,必须再将Maxwell方程式简化,才能将它应用到PCB布在线。为了应用它,我们可以将Maxwell方程式和Ohm定律产生关联:
 
Ohm定律(时域): V = I * R
Ohm定律(频域): Vrf=“Irf” * Z
 
V是电压,I是电流,R是电阻,Z是阻抗(R + jX),rf是指射频能量。如果射频电流存在于PCB走线中,且此走线具有一个固定的阻抗值,则一个射频电压将被产生,而且和射频电流成正比。请注意,在电磁波模型中,R是被Z取代,Z是复数(complex number),它具有电阻(属于实数)和电抗(属于虚数)。
 
就阻抗等式而言,有许多种形式存在,这取决于我们是否要检视平面波的阻抗、电路阻抗…。等。对导线或PCB走线而言,可以使用下列公式:
 
pcb中emi产生的原因及影响
其中,XL=2πfL,是在此公式中,唯一和导线或PCB走线有关的组件。
Xc=1/2(2πfC), ω=2πf
 
当一个组件的电阻值和电感值都是已知,例如:一个「附导线的铁粉珠(ferritebead-on-lead)」、一个电阻、一个电容、或其它具有寄生组件的装置,必须考虑阻抗大小会受到频率的影响,这时可以应用下列的公式:
 
 
当频率大于数kHz时,电抗值通常会比R大;但在某些情况下,这并不会发生。电流会选择阻抗最小的路径。低于数kHz时,阻抗最小的路径是电阻;高于数kHz时,电抗最小的路径成为主宰者。此时,因为大多数电路是在数kHz以上的频率中工作,而「电流会选择阻抗最小的路径」这种想法变成不正确,因为它无法正确解释「电流如何在一条传输线中流动」。
 
对承载电流频率超过10 kHz的导线而言,因为其电流总是选择阻抗最小的路径,其阻抗等同于电抗最小的路径。如果负载阻抗是连接到导线、电缆(cable)或走线,并且比传输线路径上与它并联的电容大,此时电感将变成主宰者。若所有连接的导线具有大致相同的截面积,则电感最小的路径就是具有最小回路区域的路径。回路区域越小,电感就越最小,因此,电流会流向这个路径。
 
每一条走线具有一个有限的阻抗值。「走线电感」是为何射频能量可以在PCB中产生的唯一理由。甚至可能因为连接硅芯片和安装座(mounTIng pad)的焊线过长,而导致射频能量的存在。在电路板上绕线会产生很高的电感值,尤其是要绕的走线很长时。长的走线是指那些绕线长度很长的线,这会导致在走线中,往返传播有所延迟的讯号,在尚未回到来源驱动端时,下一个触发讯号就被产生(这是在时域中观察)。换在频域中观察,是指一条长的传输线(走线),其总长大约超过频率的λ/10,且此频率存在于传输线(走线)中。简单说,若一个射频电压施加在一个阻抗上,就可以得到射频电流。就是这个射频电流,将射频能量辐射到自由空间,因此违反了EMC的规定。上述例子可以协助我们了解Maxwell方程式和PCB布线,而且是使用非常简单的数学公式来说明。
 
根据Maxwell方程式,移动走线中的电荷可以产生一电流,此电流又会产生一磁场,这种被移动电荷产生的磁场称作「磁通线(magneTIc lines of flux)」。使用「右手法则(Right-Hand Rule)」可以轻易地指出磁通线的方向,如附图四所示。右手拇指代表走线电流流动的方向,其余卷曲的手指包围着走线,代表磁场或磁通线的方向。此外,时变磁场会产生一个垂直的电场。射频辐射是此磁场和电场的组合。藉由辐射或导电的方式,磁场和电场会离开PCB结构。
 
请注意,此磁场是环绕着一个封闭式回路的边界运行。在PCB中,来源驱动端产生射频电流,并经过走线将射频电流传送到负载。射频电流必须经过一个回传系统回到来源端(Ampere定律)。其结果是,产生了一个射频电流回路。这个回路不必然是环状的,但通常是呈回旋状。因为这个过程会在回传系统内产生一个封闭回路,因此会产生一个磁场。这个磁场又会产生一个辐射的电场。在近场处,是由磁场成份主导;然而在远场处,电场对磁场的比率(波阻抗)大约是120πΩ或377Ω,和来源端无关。所以明显可知,在远场处,磁场可以使用一个循环型天线和一个相当灵敏的接收机来测量。接收准位将是E/120π(A/m,若E的单位是V/m)。同理,可以应用到电场,能在近场处使用合适的测量仪器来测量电场。
 
图四:右手法则
 
射频如何存在于PCB中的另一种简单解释,可由附图五和六中得知。在这里以时域和频域来分析典型的电路。根据Kirchhoff和Ampere定律,如果要使电路能够工作的话,一个封闭型回路电路必须存在。Kirchhoff电压定律表示:在一个电路中,环绕任何一个封闭路径的电压总合必须是零。Ampere定律表示:给定 的电流会在一个点上产生磁感应,它是以电流单元和电流与那个点的相对位置来计算的。
 
若封闭回路型电路不存在,讯号是无法透过传输线,从来源端到达负载的。当开关关闭时,电路就成立,交流或直流电流就开始流动。在频域,我们将此电流视为射频能量。其实,并没有存在两种不同的电流(时域或频域电流)。始终只有一种电流存在,它可以在时域或频域中呈现。从负载到来源端的射频回传路径也必须存在,否则电路将无法工作。因此,PCB结构必须遵守Maxwell方程式、Kirchhoff电压定律,和Ampere定律。
 
Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律全部都在说:若要使一个电路正常工作或依期望的目的工作,一个封闭回路型网络必须要存在。附图五表示了这样的典型电路。当一条走线从来源端到达负载,一个回传电流路径也必须要存在,这是Kirchhoff和Ampere定律所规定的。
 
图五:封闭回路型电路
 
如附图六所示,一个开关和来源驱动端(E)串联。当开关关闭时,电路按照期望结果正常工作;当开关开启时,则不具任何功能。对时域而言,期望讯号从来源端到达负载。此讯号必须具有一个回传路径,才能使此电路成立,这通常是经过一个0V(接地)的回传结构(Kirchhoff定律)。射频电流的流动是从来源端到达负载,而且必须经过阻抗尽可能最小的路径返回,通常它是经过一个接地走线或接地平面(镜射平面)。射频电流的存在,最好使用Ampere定律来说明。
 
图六:一个封闭回路型电路的描述
 

 

磁通量最小化
在探讨「EMI是如何在PCB内产生」之前,必须先明白「磁通线是如何在传输线中产生」的基本机制,因为后者是前者的一个基本概念。磁通线是一电流流经一个固定或变动的阻抗所产生的。在一个网络中的阻抗,永远都存在于走线、组件的焊线、通孔(via)……等。如果磁通线有存在于PCB内,根据Maaxwell方程式,射频能量的各种传送路径也一定存在。这些传送途径可能是经过自由空间辐射出去,或经过缆线的相互连接传导出去。
 
为了消除PCB内的射频电流,必须先介绍「磁通量消除(flux cancellaTIon)」或「磁通量最小化(flux minimization)」的概念。因为磁通线在传输线中,以逆时钟方向运行,如果我们使射频回传路径,平行且邻近于来源端的走线,在回传路径(逆时钟方向的场)上的磁通线,与来源端的路径(顺时钟方向的场)做比较,它们的方向是相反的。当我们将顺时钟方向的场和逆时钟方向的场相互组合时,可以产生消除的效果。如果在来源端和回传路径之间,不需要的磁通线能够被消除或减至最少,则辐射或传导的射频电流就不会存在,除非是在走线的极小边界上。消除磁通量的概念很简单,但是在进行消除或最小化设计时,必须注意一些陷阱和容易疏忽的地方。因为一个小失误,可能会引起许多额外的错误,造成EMC工程师更多侦错和除错的负担。最简单的磁通量消除法,是使用「镜射平面(image plane)」。不管PCB布线是设计的多么好,磁场和电场都永远存在。但是,如果我们消除了磁通线,则EMI就不存在。就是那么简单!
 
在设计PCB布线时,要如何消除磁通线呢?目前有许多技巧可供参考,但是它们不是全部都和消除磁通线有直接关系,简述其中的一些技巧如下:
 
●多层板具有正确的多层设置(stackup assignment)和阻抗控制。
●将频率走线(clock trace)绕到回传路径接地平面(多层PCB)、接地网格(ground grid)的附近,单侧和双侧板可以使用接地走线,或安全走线(guard trace)。
●将组件的塑料封装内部所产生的磁通线,捕捉到0V的参考系统中,以降低组件的辐射量。
●警慎选择逻辑组件,尽量减少组件和走线所辐射的射频频谱分布量。可以使用讯号缘变化率(edge rate)比较慢的装置。
●藉由降低射频驱动电压(来自频率产生电路,例如:TTL/CMOS),来降低走在线的射频电流。
●降低接地噪声电压,此电压存在于供电和接地平面结构中。
●当必须推动最大电容负载,而所有装置的脚位同时切换时,组件的去耦合(decoupling)电路必须充足。
●必须将频率和讯号走线做妥善的终结,以避免发生阻尼振荡(ringing)、电压过高(overshoot)、电压过低(undershoot)。
●在选定的网络上,使用数据线路滤波器和共模扼流圈(common-mode choke)。
●当有提供外部I/O缆线时,必须正确地使用旁路(非去耦合)电容。
●为会辐射大量的共模式射频能量(由组件内部产生)之组件,提供一个接地的散热器(heatsink)。
 
检视上面所列的项目,可以知道, 磁通线只是「在PCB内会产生EMI」的部份原因而已。其它原因还有:
 
●在电路和I/O缆线之间,有共模和差模(differential mode)电流存在。
●接地回路会产生一个磁场结构。
●组件会辐射。
●阻抗不匹配。
 
请注意,大多数的EMI辐射是由共模准位产生的。在电路板或电路中,这些共模准位可能会被转变成最小的场。
 
结语
要消除PCB中的EMI,必须先从消除磁通量开始。但是,这是「说比做容易」,因为射频能量是看不见、闻不着的。不过,藉由寻找射频电流的位置与流动方向,并采用本文所介绍的几项技巧,以及参照Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律,就可以逐渐缩小可疑的区域,找出正确的EMI位置,并消除它。


 
 
 
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