电子电路设计中抗干扰技术的实现

苏江帆

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着微电子技术以及网络和计算机等先进技术的不断发展，电子产品随着经济快速发展，已经融入到了人们生活、工作以及学习的全部进程，给人们的生活带来了极大便利。但是电子电路中存在复杂的电磁环境，电磁干扰问题一直是一个无法消除的问题，在某种程度上影响着各类电子产品性能的发挥，制约了电子科学信息技术的发展。为了保证电子产品性能的稳定运行，在电子电路设计时需要充分认识和分析电子干扰产生的机理和影响因素，尽可能地进行元器件的参数匹配、PCB合理安排以及布局设计，同时综合考虑电子设备间的电磁兼容性和抗干扰性设计，从而提升电子产品的功能要求，降低各类干扰噪声影响，实现多种电子产品在同一环境下的安全、高效、稳定运行[1]。

1 电磁干扰风险分析

半导体器件作为电子电路的主要功能器件，是现代信息技术发展的核心，目前正朝着微型化、多功能、高速率以及低功耗方向不断发展。随着纳米级集成电路芯片的广泛应用，量子材料和超导材料也促进了超低功耗、超高速率以及高度密集型半导体技术的发展，新型数字电路及通信系统也需要宽频带、高频率、低功耗、低时延以及高传输的处理系统来满足超级运算和海量数据处理。这些技术的发展和应用都需要有效解决电磁干扰问题[2]。

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）设计已经建立了国际标准，大量研究和应用了干扰源的电磁发射、传输耦合路径以及敏感器件的控制，较好抑制了静电、浪涌以及快速瞬变群脉冲等电磁能量干扰，极大降低了电子产品的电磁污染量，保证了电子产品的可靠性和质量。解决EMC问题需要从芯片、封装、PCB及整机等层次进行处理，PCB板封装阶段需要利用专业EMI软件进行检测、评估及改进设计。高速数字系统中，充分考虑EMI、信号完整性（Signal Integrity，SI）及电源完整性（Power Integrity，PI）间的相关性[3]。设计时需要防止键合线和信号过孔辐射造成高速信号边沿畸变与退化，充分考虑阻抗突变和回路面积增大造成的电源/地平面谐振结构。另外，参考地平面不连续和非对称的差分信号转换过程，形成共模辐射及谐波分量，而且对地电容耦合的差模辐射也会形成大量的EMI问题。在PCB及电子器件封装过程，键合线和表层走线等大量互连结构中，各种信号电流及信号返回电流形成共模电流和差分电流，这些电流形成的电场分量相互叠加，容易产生电磁辐射干扰[4]。平行双导线中共模电流和差分电流辐射场如图1所示。

图1 导线中共模、差分电流辐射场图

2 EMI抑制措施

高速电子电路系统中，由于高频信号采用频谱较宽，高频分量较为复杂，在非理想互连结构中产生的EMI辐射较高，当表层信号回路处于复杂工作环境时，极易向外辐射电磁波或受外界电磁波干扰[5]。因此，需要减少电子电路的回路面积，尽量做到回路电流和信号电流紧邻分布，减少临近参考平面距离及表层走线。为降低非连续性互联结构的阻抗，减少高频分量在信号传输线上的反射频度和振荡频率，设计封装时需要充分考虑阻抗匹配，最大限度地缩短各种引线长度，增加引线宽度。电源/地平面对存在谐振腔结构，信号频率或信号倍频和谐振频率一致时，电源/地平面形成高特定的平行板天线特性，产生的板间谐振容易在PCB板间形成大量的边缘辐射干扰。目前采用的措施是谐振抑制和边缘电磁场的屏蔽，即增加一定的去耦电容和短路过孔，为两平面提供低阻抗电流通路，另外可采用过孔栏、边缘电镀、设置屏蔽壳以及植入共模滤波器等措施。屏蔽壳多为带有引脚的铜箔薄片，可以通过过孔和地平面联通。采用屏蔽壳应充分考虑PCB散热要求及成本要求。共模滤波器作用机理在于从信号层面将共模噪声反射回源端，或者通过地线泄放至参考地，从而最大限度地降低EMI共模辐射[6]。

另外，在电子产品设计过程，PCB键合线附近需要设置屏蔽线，屏蔽线与信号线拱高相同，用来抑制辐射和串扰。随着电子传递介质厚度的增加，过孔寄生电感增大会造成谐振频率的移动，从而形成过孔寄生效应。为了减少谐振频率向低频移动的影响，PCB板设计时，基板介质材料需要采用薄介质板，设置合理的过孔、焊盘以及反焊盘等尺寸，尽量减少信号换层，在信号过孔周边放置一定数量的最短距离短路过孔[7]。表层介质厚度和介质材料电磁反射特性如图2所示。

图2 不同表层介质厚度和介质材料对应的电磁反射

3 硬件抗干扰设计

3.1 接地技术

电子电路产品中不合理的接地容易引入共地线干扰和地环路干扰等电磁干扰。根据不同功能，接地可分为安全接地、静电接地、防雷接地、电源接地、电路工作接地以及屏蔽接地等。安全接地需要将电子电路外壳通过导线直接与大地连接，避免外壳因电荷积累产生静电放电，造成设备短路烧毁或人员触电和人身安全，另外当电路绝缘降低或机壳带电时，产生电源短路保护启动[8]。工作接地主要包括交流地、直流地、模拟地、数字地、信号地、功率地以及电源地等，为电路正常工作提供一个基准电位。工作接地按工作频率可分为单点（并联、串联）接地、多点接地、混合接地以及浮地等方式。低频率电路适合采用单点接地和浮地方式，浮地多用于隔离耦合低频电路中，高频电路多采用多点接地，有利于降低电路阻抗。对于复杂电路系统可采用混合接地模式。电源接地应做到与信号接地的有效隔离，减少地线间耦合，可以将多条功能相同的电源接地通路以最佳路径连接到低阻抗接地导体上，从而降低电源电路阻抗值。电源接地不允许多端接地母线或横向接地环。另外还应区分直流和交流。机架地线必须同交流中线绝缘，且不允许其作为设备接地线使用[9]。

3.2 隔离技术

EMC技术中，电路隔离技术不可或缺，通过隔离光电子元件切断电路耦合造成的噪声干扰路径，从而很好地抑制噪声干扰影响。电子设备中常采用机电隔离、光电隔离、磁电隔离以及浮地隔离等方式。机电隔离多采用继电器控制隔离，即通过低电压电路控制高电压电路，常用于低频控制电路，其缺点在于产生的电弧和交流峰值大，频率高的电压脉冲串容易通过辐射和传导造成保护电路和控制电路的强烈干扰[10]。电磁隔离主要采用隔离变压器阻止电路性耦合产生的电磁干扰。多用于交流开关电源，隔离变压器绕组间分布较大电容，应当选择漏磁小的变压器，且需要做好磁场屏蔽和接地防护。光电隔离主要采用光电耦合器来实现，通过半导体发光二极管和光敏半导体实现信号的有效传输。发光二极管和光敏半导体相互绝缘，光电耦合器的输入阻抗一般较小，其隔离电阻很大，隔离电容很小隔能有效阻止电路性耦合产生的电磁干扰。

3.3 滤波技术

滤波技术主要用于信号滤波和抑制噪声干扰，电磁干扰滤波器主要包括电源EMI滤波器、隔离EMI滤波器、信号线EMI滤波器、PCB板EMI滤波器以及反射EMI滤波器等。通常，开关电源电路中采用的EMI滤波器可有效抑制差模和共模干扰。开关电源EMI滤波器原理如图3所示。

图3 开关电源EMI滤波器原理

开关电源多采用高功率MOS等元器件。在开关过程，功率MOS管漏极、栅极以及源极相互之间形成耦合寄生电容，容易引发高频电流或电压信号波形的振荡和电流阶跃，产生较大的EMI噪声。因此，EMI滤波器设计时需要提高增大栅电阻和栅电容，减少寄生电感，同时优化设计功率器件二极管软度因子，有效减少EMI的影响。

4 结 论

电子产品应用越来越广泛，由于电子产品电磁能量以及电子产品使用环境和元器件老化等因素，不可避免的存在EMI问题。因此，在电子电路设计时需要充分认识和分析电子干扰产生的机理及影响因素，尽可能进行元器件的参数匹配、PCB合理安排以及布局设计，同时综合考虑电子设备间的电磁兼容性，降低各类干扰噪声的影响，提高电子产品的有效功能。