電子電路設計中抗干擾技術的實現

蘇江帆

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著微電子技術以及網絡和計算機等先進技術的不斷發展，電子產品隨著經濟快速發展，已經融入到了人們生活、工作以及學習的全部進程，給人們的生活帶來了極大便利。但是電子電路中存在復雜的電磁環境，電磁干擾問題一直是一個無法消除的問題，在某種程度上影響著各類電子產品性能的發揮，制約了電子科學信息技術的發展。為了保證電子產品性能的穩定運行，在電子電路設計時需要充分認識和分析電子干擾產生的機理和影響因素，盡可能地進行元器件的參數匹配、PCB合理安排以及布局設計，同時綜合考慮電子設備間的電磁兼容性和抗干擾性設計，從而提升電子產品的功能要求，降低各類干擾噪聲影響，實現多種電子產品在同一環境下的安全、高效、穩定運行[1]。

1 電磁干擾風險分析

半導體器件作為電子電路的主要功能器件，是現代信息技術發展的核心，目前正朝著微型化、多功能、高速率以及低功耗方向不斷發展。隨著納米級集成電路芯片的廣泛應用，量子材料和超導材料也促進了超低功耗、超高速率以及高度密集型半導體技術的發展，新型數字電路及通信系統也需要寬頻帶、高頻率、低功耗、低時延以及高傳輸的處理系統來滿足超級運算和海量數據處理。這些技術的發展和應用都需要有效解決電磁干擾問題[2]。

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）設計已經建立了國際標準，大量研究和應用了干擾源的電磁發射、傳輸耦合路徑以及敏感器件的控制，較好抑制了靜電、浪涌以及快速瞬變群脈沖等電磁能量干擾，極大降低了電子產品的電磁污染量，保證了電子產品的可靠性和質量。解決EMC問題需要從芯片、封裝、PCB及整機等層次進行處理，PCB板封裝階段需要利用專業EMI軟件進行檢測、評估及改進設計。高速數字系統中，充分考慮EMI、信號完整性（Signal Integrity，SI）及電源完整性（Power Integrity，PI）間的相關性[3]。設計時需要防止鍵合線和信號過孔輻射造成高速信號邊沿畸變與退化，充分考慮阻抗突變和回路面積增大造成的電源/地平面諧振結構。另外，參考地平面不連續和非對稱的差分信號轉換過程，形成共模輻射及諧波分量，而且對地電容耦合的差模輻射也會形成大量的EMI問題。在PCB及電子器件封裝過程，鍵合線和表層走線等大量互連結構中，各種信號電流及信號返回電流形成共模電流和差分電流，這些電流形成的電場分量相互疊加，容易產生電磁輻射干擾[4]。平行雙導線中共模電流和差分電流輻射場如圖1所示。

圖1 導線中共模、差分電流輻射場圖

2 EMI抑制措施

高速電子電路系統中，由于高頻信號采用頻譜較寬，高頻分量較為復雜，在非理想互連結構中產生的EMI輻射較高，當表層信號回路處于復雜工作環境時，極易向外輻射電磁波或受外界電磁波干擾[5]。因此，需要減少電子電路的回路面積，盡量做到回路電流和信號電流緊鄰分布，減少臨近參考平面距離及表層走線。為降低非連續性互聯結構的阻抗，減少高頻分量在信號傳輸線上的反射頻度和振蕩頻率，設計封裝時需要充分考慮阻抗匹配，最大限度地縮短各種引線長度，增加引線寬度。電源/地平面對存在諧振腔結構，信號頻率或信號倍頻和諧振頻率一致時，電源/地平面形成高特定的平行板天線特性，產生的板間諧振容易在PCB板間形成大量的邊緣輻射干擾。目前采用的措施是諧振抑制和邊緣電磁場的屏蔽，即增加一定的去耦電容和短路過孔，為兩平面提供低阻抗電流通路，另外可采用過孔欄、邊緣電鍍、設置屏蔽殼以及植入共模濾波器等措施。屏蔽殼多為帶有引腳的銅箔薄片，可以通過過孔和地平面聯通。采用屏蔽殼應充分考慮PCB散熱要求及成本要求。共模濾波器作用機理在于從信號層面將共模噪聲反射回源端，或者通過地線泄放至參考地，從而最大限度地降低EMI共模輻射[6]。

另外，在電子產品設計過程，PCB鍵合線附近需要設置屏蔽線，屏蔽線與信號線拱高相同，用來抑制輻射和串擾。隨著電子傳遞介質厚度的增加，過孔寄生電感增大會造成諧振頻率的移動，從而形成過孔寄生效應。為了減少諧振頻率向低頻移動的影響，PCB板設計時，基板介質材料需要采用薄介質板，設置合理的過孔、焊盤以及反焊盤等尺寸，盡量減少信號換層，在信號過孔周邊放置一定數量的最短距離短路過孔[7]。表層介質厚度和介質材料電磁反射特性如圖2所示。

圖2 不同表層介質厚度和介質材料對應的電磁反射

3 硬件抗干擾設計

3.1 接地技術

電子電路產品中不合理的接地容易引入共地線干擾和地環路干擾等電磁干擾。根據不同功能，接地可分為安全接地、靜電接地、防雷接地、電源接地、電路工作接地以及屏蔽接地等。安全接地需要將電子電路外殼通過導線直接與大地連接，避免外殼因電荷積累產生靜電放電，造成設備短路燒毀或人員觸電和人身安全，另外當電路絕緣降低或機殼帶電時，產生電源短路保護啟動[8]。工作接地主要包括交流地、直流地、模擬地、數字地、信號地、功率地以及電源地等，為電路正常工作提供一個基準電位。工作接地按工作頻率可分為單點（并聯、串聯）接地、多點接地、混合接地以及浮地等方式。低頻率電路適合采用單點接地和浮地方式，浮地多用于隔離耦合低頻電路中，高頻電路多采用多點接地，有利于降低電路阻抗。對于復雜電路系統可采用混合接地模式。電源接地應做到與信號接地的有效隔離，減少地線間耦合，可以將多條功能相同的電源接地通路以最佳路徑連接到低阻抗接地導體上，從而降低電源電路阻抗值。電源接地不允許多端接地母線或橫向接地環。另外還應區分直流和交流。機架地線必須同交流中線絕緣，且不允許其作為設備接地線使用[9]。

3.2 隔離技術

EMC技術中，電路隔離技術不可或缺，通過隔離光電子元件切斷電路耦合造成的噪聲干擾路徑，從而很好地抑制噪聲干擾影響。電子設備中常采用機電隔離、光電隔離、磁電隔離以及浮地隔離等方式。機電隔離多采用繼電器控制隔離，即通過低電壓電路控制高電壓電路，常用于低頻控制電路，其缺點在于產生的電弧和交流峰值大，頻率高的電壓脈沖串容易通過輻射和傳導造成保護電路和控制電路的強烈干擾[10]。電磁隔離主要采用隔離變壓器阻止電路性耦合產生的電磁干擾。多用于交流開關電源，隔離變壓器繞組間分布較大電容，應當選擇漏磁小的變壓器，且需要做好磁場屏蔽和接地防護。光電隔離主要采用光電耦合器來實現，通過半導體發光二極管和光敏半導體實現信號的有效傳輸。發光二極管和光敏半導體相互絕緣，光電耦合器的輸入阻抗一般較小，其隔離電阻很大，隔離電容很小隔能有效阻止電路性耦合產生的電磁干擾。

3.3 濾波技術

濾波技術主要用于信號濾波和抑制噪聲干擾，電磁干擾濾波器主要包括電源EMI濾波器、隔離EMI濾波器、信號線EMI濾波器、PCB板EMI濾波器以及反射EMI濾波器等。通常，開關電源電路中采用的EMI濾波器可有效抑制差模和共模干擾。開關電源EMI濾波器原理如圖3所示。

圖3 開關電源EMI濾波器原理

開關電源多采用高功率MOS等元器件。在開關過程，功率MOS管漏極、柵極以及源極相互之間形成耦合寄生電容，容易引發高頻電流或電壓信號波形的振蕩和電流階躍，產生較大的EMI噪聲。因此，EMI濾波器設計時需要提高增大柵電阻和柵電容，減少寄生電感，同時優化設計功率器件二極管軟度因子，有效減少EMI的影響。

4 結 論

電子產品應用越來越廣泛，由于電子產品電磁能量以及電子產品使用環境和元器件老化等因素，不可避免的存在EMI問題。因此，在電子電路設計時需要充分認識和分析電子干擾產生的機理及影響因素，盡可能進行元器件的參數匹配、PCB合理安排以及布局設計，同時綜合考慮電子設備間的電磁兼容性，降低各類干擾噪聲的影響，提高電子產品的有效功能。