电路设计中的EMI问题分析及控制

冯国斌

（广东省轻工业技师学院，广东 广州 510000）

1 EMI基本内容

电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）有传导干扰和辐射干扰2种。传导干扰指通过导电介质将1个电网络上的信号耦合（干扰）到另1个电网络。辐射干扰指干扰源通过空间将信号耦合(干扰)到另1个网络。在高速印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）及系统中，高频信号线以及集成电路的引脚和各类插件都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能源发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他系统的正常工作[1]。

2 EMI问题产生原因分析

EMI是由于电磁干扰源通过耦合路径将能量传递给敏感系统造成的。它主要包括经由导线或者公共地线的传导、通过空间辐射、通过进场耦合3种基本形式[2]。EMI的危害表现为能够降低传输信号质量，导致电流或设备被干扰甚至破坏，从而导致设备无法满足电磁兼容标准所规定的技术指标要求。

EMI可以来自于某个不定向发射源以及某个无意形成的天线。传导性EMI可能是某个辐射EMI干扰源或某个电路板组件引起的。当电路板接收到传导性干扰后，就会注入到电路PCB线路中。在正常运行过程中，开关式电源电路会产生传导性EMI，电源中的“开”“关”可以切换操作，从而产生较强的非连续性电流。这些非连续性电流会存在于降压转化器的输入端、升压转换器的输出端以及反激和降升压拓扑结构的输入端与输出端。开关动作会引起非连续性电流产生电压纹波，其通过PCB线迹传播至系统的其他部分。开关式电源引起的输入或者输出电压纹波会对负载电路的正常运行产生危害。

传导性EMI干扰是开关电流中正常工作于寄生电容和电感共同作用产生的结果，如数字信号线迹等，这些干扰源的耦合方式均是通过线迹之间的寄生电容，这些信号会将电流尖脉冲带入邻近的PCB线迹[3]。此外，干扰源也可能来自于PCB某个天线，干扰源的耦合方式也均是线迹之间的寄生电感，该信号将电压扰动带入邻居PCB线迹，每3个EMI源来自线缆内相邻的导线，通过这些导线传播的信号则会产生连续的串扰效应。当正常运行时开关式电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）电路为传导性EMI的形成带来机会，这些电源内的“开”“关”可以切换操作，进而产生较强的非连续性电流。该非连续性电流存在于降压转换器的输入端、升压转化器的输出端以及反激和降升压拓扑结构的输入与输出端。开关动作则会导致非连续性电流产生电压纹波，SMPS就会引起输入或者输出电压纹波，进而出现干扰源。

除此之外，EMI共有2类传导性干扰，即差模辐射干扰和共辐射干扰。差模辐射干扰信号出现在电路输入端之间，如信号于接地之间，电流流经同相的2个输入端，就会形成随电流强弱变化的电压。

3 电子电路设计原则

3.1 整体性原则

在进行电子电路设计中，首先要遵循整体性原则，以整体角度出发，从整体到局部对电子电路进行设计。具体而言，在设计电子电路时要充分考虑电子电路各个部件之间存在的关联性，并对各个部件进行分析，从而判断其整体性质[4]。

3.2 功能性原则

虽然电子电路设计过程较为复杂，但是无论电子电路多么复杂都可以利用划分部件的方式将电子电路划分为不同层次的小电路。因此，在设计电子电路时可以根据各个部件的功能进行划分，再结合实际电路情况，融合各个部件。

3.3 最优化原则

最优化原则指对1个设计标准达标的电子电路而言，都会由不同的小组件组成。具体而言，电子电路中，无论是哪个小部件质量不符合标准都会导致电子电路整体质量不达标，为此在设计电子电路时必须确保每1个部件都符合质量标准。

3.4 稳定性原则

对电子电路影响的因素诸多，且部分问题并非人为可以控制的。具体而言，设计电子电路时大多因素都是不可控制的，因此要确保电子电路设计过程的稳定性。

3.5 性价比原则

现如今，电子产业市场竞争日益激烈，无论是任何电子产品都需有效控制其生产成本和周期，只有通过出色的使用性能与性价比才能提高产品的竞争力，为此设计电子电路时要重视性价比原则。

4 EMI解决方案及控制措施

4.1 器件选型

在电路设计EMI时首先重点考虑选用器件的速率，任何电路若要将上升时间为5 ns的器件转换成上升时间为2.5 ns的器件，EMI会提高大约4倍。EMI的辐射强度和频率的平方会成正比，最高EMI频率也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数[5]。这种辐射型EMI的频率范围为30 MHz～50 GHz，在此频段上波长会很短，电路板上虽然短也可能会成为发射天线。而EMI较高时电路就会丧失正常功能，为此在器件选型后，要以确保电路性能要求为前提，选择使用低速芯片。此外，器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在电路设计中器件形式对信号的影响也是不容忽视的，它也是产生EMI辐射的主要因素。

4.2 连接器的选择与信号端子定义

连接器是高速信号传输的关键环节，也是产生EMI辐射的主要因素[6]。在连接器的端子设计中可以多次安排地针，减少信号与地面的距离以及连接器产生的EMI辐射信号环路面积，提供低阻抗回流通路，必要情况下可以将关键信号用地针隔离。

4.3 叠层设计

在设计成本允许的情况下适当增加地线层数量，信号层与地面层紧邻即可减少EMI辐射。对于高速PCB电源层和地线层紧邻耦合即可降低电源阻抗，从而达到降低EMI辐射的目的。

4.4 布 局

结合信号电流流向，对电路设计进行合理布局，从而减小信号间干扰[7]。合理布局是有效控制EMI的关键，布局需遵循以下原则：（1）模拟电路要与数字电路隔开；（2）时钟线是主要的干扰和辐射源，要远离敏感电路，促使时钟走向最短；（3）要确保布局对电源分割的可行性，多电源其要基于电源分割区域的边界布放，降低平面分割对EMI的影响。

4.5 布 线

（1）阻抗控制，高速信号线会以传输线的特性呈现，需要对其进行阻抗控制，避免信号出现反冲、过冲或振铃，以此降低EMI辐射干扰[8]。（2）分类信号，根据不同时钟信号以及总线等的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源和敏感系统尽量分离，降低耦合。（3）信号环路，信号流出至信号流入形成的回路，是电路设计中EMI控制的关键，在布线过程中必须要加强控制，对每一关键信号流向都要了解，对关键信号靠近回流路时则要确保环路面积最小[9,10]。

5 结 论

在电路设计过程中控制EMI问题是1项系统、长期且复杂的工程，一方面要充分考虑设备条件及环境，明确电子产品设计与实际电子产品需求，另一方面还需要对信号干扰源严格控制，确保电子信号输入、输出稳定，并以全局角度去看待问题，规避不同信号干扰源所产生的影响。此外，需要合理布线，对地线及电源线妥善处理，减少EMI辐射干扰，从而实现电路兼容性需求。