一款485通讯隔离产品的EMC设计与改善

张同兴，钱剑敏，王 安

（1.东华大学 上海 201619；2.上海航锐电源科技有限公司 上海 201101）

为了便于PC机采集产品（具有RS-485接口）数据，需要在上位机添加一个COM口，从而实现PC与产品信息的互通。产品设计之初，并未充分考虑到EMC要求，导致认证失败，项目进度拖延。为了降低产品EMI，后续在实验基础上提出并实施了多项改进措施，使产品顺利通过FCC Class B认证。

1 产品设计及EM I分析

该产品使用USB供电，当连接至电脑后，在电脑上虚拟出一个COM口。通过该COM端口，PC机则可以与外部RS-485设备进行通讯。考虑到通讯的稳定及可靠性，系统选用了Analog Device具有信号及电源隔离功能的RS-485转换芯片ADM2587。

产品设计之初，即改板前，PCB采用普通的两层板，地层填充在信号/电源层上，以ADM2587芯片为基准，隔离距离为6 mm。FCC Class B认证辐射测试结果如图1（a）所示。

由结果可知，在400 MHz和810 MHz频率点上，辐射超标分别为11 dB和6 dB。因为RS485电平转换芯片ADM2587使用了isoPower技术，应用高频率开关元件通过变压器实现功率转换，该功能类似开关电源，但其工作频率比标准DC-DC转换器高3个数量级，使转换器工作所产生的噪声落在30 MHz至1 GHz范围内，因而产生辐射问题[3]。

2 原理改进

为了达到认证要求，必须综合运用多项抗电磁辐射技术。

铁氧体磁珠广泛应用于印制电路板，专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。选择磁珠应考虑两方面：一是电路中噪声干扰的情况，二是需要通过的电流大小。要大概了解噪声的频率、强度，不同的磁珠的频率阻抗曲线是不同的。一般也没有很明确的计算和选择的标准，主要看实际使用的效果。

共模电感又名共模扼流线圈，顾名思义共模电感的主要功用即是抑制共模干扰。共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。

图1 FCC辐射测试结果Fig.1 FCC Radiation emission result

一般在选用共模电感的时候重点注意以下几个参数：1）最大的阻抗值，一般在应用共模电感的时候，都是以此值作为重点参考；2）额定电流。电路工作电流一定要小于器件额定电流，不然容易烧毁器件。

图2为USB端EMI防护设计图。电源线采用磁珠滤除高频干扰，这里要选用大电流磁珠。信号线上采用共模电感抑制共模干扰，选用时要避开USB信号的差模频率。电阻R1，R2为限流电阻，根据实际情况选择；C1，C3不要超过 5 pF。PGND和GND之间用磁珠连接，避免地间产生串扰[2]。

3 PCB设计

3.1 PCB堆叠及布线设计

电路板的堆叠结构是PCB系统设计及生产加工的基础，好的堆叠结构能够有效减少EMI问题。传统单、双层板在控制EMI辐射方面主要从布线和布局考虑，受限于所用元器件的密度及特性、信号频率及结构设计等多方面原因，电磁兼容问题越来越突出，所以要考虑多层板设计。并且应尽量做到每个信号层都有一个电源层或地层与之相邻并紧密耦合；临近的电源层或地层要保持最小间距，以提供较大的耦合电容。

图2 USB端EMI防护Fig.2 USB EMI protection

所以本产品的 PCB设计考虑四层堆叠，如图3（a）所示。4mil的层间距能够提供较大的耦合电容。它有2个优点：1）缩短高频噪声在接地层-电源层的扩散距离；2）通过提供旁路电容，降低进入电源接地层中的噪声。辐射和传导噪声的降低均与电源和接地噪声的降低成比例。

布线时，要考虑信号的参考层，使其有最小的传输路径，参考层不能存在间隙；引线在层间交替越少越好，使用的过孔尽可能大，从而降低其电感及电容效应；相邻层间走线尽量垂直，减少串扰；高速信号线应尽量短，空间允许时应增大布线间距，或在相邻信号线间插入地线或地平面，且不能靠近PCB边缘[5]。

3.2 边缘辐射的防护

因电源旁路不充分，层间存在感性过孔等原因[6]，当各种来源产生的差分噪声在电路板边缘汇合并从层间泄露出来时，便会产生边缘辐射。成本较低且效果不错的方案是采用“过孔护栏”结构处理电路板边缘，如图3所示。采用该结构能够将噪声反射回内层空间中，虽然这会增加内侧的电压噪声，但边缘辐射能够得到显著降低[3]。

图3 过孔护栏结构示意图Fig.3 Via fence structure

过孔的间隙需要设计为信号波长的1/20。在FR4带状线中，1 GHz正弦波的波长约为14 mm，这里设置过孔间隙为2 mm，此间隔非常小，足以衰减辐射信号。

3.3 偶极子辐射的防护

当高频电流通过接地层或电源层之间的间隙时，便会产生偶极子辐射。本例为达到较好的隔离效果，要求芯片的隔离距离不小于6 mm。根据这一特性，隔离器需要驱动电流通过接地层之间的间隙，但高频镜像电荷无法跨越边界返回，导致间隙上出现差分信号，从而形成偶极子天线。解决办法就是为镜像电荷提供跟随通路[1]。

为了兼顾爬电距离、电气间隙及耐受电压的要求，可以利用安规电容，如Y电容提供这一路径。但Y电容不是理想电容，存在电感效应，高频率下很难起到作用，反而有可能增加噪声。因此，只能利用PCB本身的电容，即在间隙处利用铜皮构建“拼接电容”。

如图4所示，在电源层利用浮动铜皮连接原边和副边的电源层。这种结构形成了两个容性区域，如阴影部分所示。

图4 拼接电容示意图Fig.4 Stitching capacitor structure

其中电容大小可以通过平行板电容的基本关系式进行计算：

C为拼接电容的大小，A为交叠面积，ε0为自由空间的介电常数：8.854×10-12F/m，εr为 PCB绝缘材料的相对介电常数，FR4约为4.5，d为层间距。

此处的铜皮应尽可能大且保持完整，并且需要对称设计，避免因回流路径的不同而影响效果。需要注意的是，铜皮与电源层的距离，会影响电路板隔离。不同的隔离标准对多层PCB板的表层和里层的电气间隙有不同的要求，所以在设计之初就要充分考虑这一情况。这里选择16 mil的绝缘间隙。上文提到的Ground层与Power层的层间距为4 mil，除了有助于提高耦合电容外，也有助于增大此处的拼接电容[3]。

4 PCB布局参考

图5为产品的PCB布局，列出关键的第一层（Ground）及第二层（Power）信息，仅供参考。FCC辐射测试结果请参见图1（b）。

图5 PCB布局Fig.5 PCB layout

5 结 论

对于如何抑制EMI，上面提到的方法，对PCB设计具有很大的参考意义。在原理和PCB制板方面，还有很多其它路径可循，都可以一同加以利用。除此之外，结构及屏蔽设计对产品的EMC性能也有很大影响，如辐射可能从电源或信号接口处泄露，可以考虑添加磁环，改用屏蔽线及使用金属机壳等方法来解决，效果往往比PCB改板更加简单易行。

[1]Archambeault，Bruce R， Drewniak J.PCB Design for Real-World EMI Control[M].Boston:Kluwer Academic Publishers，2002.

[2]马永健.EMC设计工程实务[M].北京:国防工业出版社，2008.

[3]CantrellM.Recommendations forControlofRadiated Emissions with isoPower Devices[EB/OL].（2009-06-20）[2011-09-01].http://www.analog.com/an-0971.pdf.

[4]唐辉.基于EMC的普通电子元器件选择 [J].电子技术，2012（1）:70-72.TANG Hui.The selection of general electronic components based on EMC[J].Electronic Technology，2012（1）:70-72.

[5]齐志强.高速 PCB设计经验与体会[J].电子设计工程，2011，19（16）:141-143.QI Zhi-qiang.Experience and understanding of high-speed PCB design[J].Electronic Design Engineering，2011，19（16）:141-143.

[6]刘烨铭，曹跃胜.高速多层板过孔分析与仿真[J].计算机工程与设计，2008，29（3）:713-715.LIU Ye-ming，CAO Yue-sheng.Analysis and simulation of via in high-speed PCB[J].Computer Engineering and Design，2008，29（3）:713-715.