EMI的产生分析

　　我们来分析一下EMI的产生，忽略自然干扰的影响，在电子电路系统中我们主要考虑是电压瞬变和信号的回流这两方面。

　　1 电压瞬变

　　对于电磁干扰的分析，可以从电磁能量外泄方面来考虑，如果器件向外泄露的能量越少，我们可以认为产生的电磁干扰就比较小。对于高速的数字器件来说，产生高频交流信号时的电压瞬变是产生电磁干扰的一个主要原因。我们知道，数字信号在开关输出时产生的频谱不是单一的，而是融合了很多高次谐波分量，这些谐波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降时间来决定，信号上升和下降速率越快，即开关频率越高，则产生的能量越多。所以，如果器件在很短的时间内完成很大的电压瞬变，将会产生严重的电磁辐射，这个电磁能量的外泄就会造成电磁干扰问题。通常，高速数字电路的EMI发射带宽可以通过下面的公式计算：

　　F=1/πTr，

　　F为开关电路产生的最高EMI频率，单位为GHz，Tr为信号的上升时间或者下降时间，单位为ns。

　　比如，对于上升时间为1ns左右的器件，那么它所产生的最高EMI频率将为350MHz，而如果上升时间降为为500ps，那么它的最高EMI发射频率将为700MHz，远远高于系统正常的工作频率，这将会在一定程度上影响周围其他系统的正常工作。

　　显然，如果能减缓信号的上升沿，将会在很大程度上减少EMI，但是随着电子设计和芯片制造水平的发展，器件总是朝着高速方向发展，单一的降低信号开关速率显然是不现实的。但我们却可以通过降低信号电压来达到同样的目的，因为在相同的时间内，低电压器件需要跨越的逻辑门电压幅度较小，就同样减缓器件的上升沿速率，所以低电压器件也是高速电路发展的趋势。

　　2信号的回流

　　任何信号的传输都存在一个闭环的回路，当电流从驱动端流入接收端的时候，必然会有一个回流电流通过与之相邻的导体从接收端回流至驱动端，构成一个闭合的环路，而环路的大小却和EMI的产生有着很大的关系，我们都知道，每一个环路都可以等效为一个天线，环路数量或者面积越大，引起的EMI也越强。我们知道，交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端，但实际情况中，信号不可能始终保持如图1所示的理想路径，特别是在高密度布线的PCB板上，过孔，缝隙等都可能降低参考平面理想的特性，而是表现为更复杂的回流形式(图2)。

　　

 

　　图1 理想信号回流示意图

　　

 

　　图2 实际情况中的信号回流

　　对高频信号回流的理解不能有一个思维定势，认为回流必须完全存在于信号走线正下方的参考平面上。事实上，信号回流的途径是多方面的：参考平面，相邻的走线，介质，甚至空气都可能成为它选择的通道，究竟哪个占主要地位归根结底看它们和信号走线的耦合程度，耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。比如在多层PCB设计中，参考平面离信号层很近，耦合了绝大部分的电磁场，99%以上的信号能量将集中在最近的参考平面回流，由于信号和地回流之间的环路面积很小，所以产生的EMI也很低。但如果由于相邻的参考平面上存在缝隙等非理想因素，这就导致了回流的面积增大，低电感的耦合作用减弱，将会有更多的回流通过其它途径或者直接释放到空中，这就会导致EMI的大大增加。

　　我们参考图3来分析信号回流对EMI的影响，可以看到：信号和回流外部区域，由于磁场的极性相反，可以相互抵消，而中间部分是加强的，这也是对外辐射的主要来源。很明显，我们只要缩短信号和回流之间的距离，就可以更好的抵消外围的电磁场，同时也能降低中间加强部分的面积，大大抑制EMI。

　　

 

　　图3信号回路的磁场耦台分析

　　3 共模和差摸EMI

　　当两条或者多条信号线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候，就会产生共模干扰。共模特性表现为这些导线组中的感生电流方向全部相同，而产生的磁场也是他们相同方向磁场的迭加，增大了磁场强度，向外辐射能量的大天线就是这样形成的。在共模的情况下，会导致磁场强度的变大和电场强度减小，这样就相当于增加了传输线的电感和减小传输线的电容值。因此，如果传输线的阻抗变大，电磁场能量外泄增加，电磁干扰也变大。

　　电源线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间耦合产生的干扰，就叫做差模干扰。电流流向负载时，会产生等值的回流，这两个方向相反的电流，当回流电流完全居于传输电流下方的时候，就形成了标准的差模信号。由于它们相互之间产生的磁场方向相反，因而可以抵消大部分的磁场，抑制了磁场的外泄比率，而其中残留的电磁场就形成了差模EMI。

　　通常，线路上这两种电磁干扰是同时存在的，由于线路的阻抗不平衡，两种分量在传输过程中回相互转变，情况十分复杂。干扰在线路上经过长距离传输后，由于线路阻抗和地线阻抗不同，差模干扰的衰减要比共模干扰的衰减大，因此控制共模干扰往往比控制差模干扰要困难的多。

　　在PCB的电磁兼容设计中，主要考虑的标准是电路板对外辐射能量的多少，所有的辐射分为共模辐射和差模辐射两种。PCB上的每根信号走线都会引起一定的共模辐射，在传输线阻抗很高、终端开路的情况下引起的共模辐射最强，也可以从单根天线的角度考虑。而由信号走线和回流之间的回路引起的辐射称为差模辐射，可以看为简单的环形天线。一般来说，共模辐射的影响要更为严重，所以在高速PCB抑制EMI的设计中，有一个很重要的思想就是“将共模辐射转化为差模辐射”。这是如何实现的呢?刚才说到，造成强烈的共模辐射的条件就是高阻抗走线和高阻抗的负载(开路)，如果我们能有效地降低走线的阻抗，即缩小信号走线到参考平面的距离，就可以大大减小共模辐射的强度。此外，对终端进行合理的匹配，也可以降低高阻抗负载的影响。这时，对外电磁能量辐射的主体就转变为信号和回流之间的差模辐射。所以，我们在高速PCB的EMC设计中，往往更多地考虑电流回路，这并不是忽略共模辐射，而是在将共模辐射有效地转化为差模辐射的前提下，对EMI的整体控制。