電磁輻射干擾問題

無線通信非常復雜，要分基帶和射頻，在數字電子線路設計中，多數工程師常常對電磁兼容性(EMC)的問題感到困擾。

EMC是指電子系統(tǒng)在目標電磁環(huán)境下保持良好性能且不會向該環(huán)境中引入大量電磁干擾的能力。

電磁環(huán)境包含輻射和傳導能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產品不必要地產生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境，通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產品容忍其他電磁產品的輻射，或傳導電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標。抗擾度與敏感度相反。敏感度高的設備抗擾度低。常見的EMC問題包括：電磁輻射發(fā)射超出標準要求;ESD靜電放電問題產生的失效現象如系統(tǒng)死機、系統(tǒng)復位、顯示面板出現錯誤;產品的輻射抗擾度問題導致某些頻率上產品的信號輸出變化巨大，通信出現錯誤，或系統(tǒng)復機、死機。針對EMC常見問題，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu提出了他的看法并給出了解決方案。

電磁輻射原理

使用閉合導體，在其兩端加載時變電流，就會產生波動的磁場和圍繞它的電場。當電荷加速移動時，如果同時出現近場和遠場，近場跟著電荷做加速運動，而遠場無法與電荷移動同步，就會出現扭結(Kink)。電場扭結太大，就會脫離原來的場，輻射出去。

圖1 電場扭結及輻射原理

通常來說，采用兩根平行線纜，長度相對比波長短，所產生的電場為近場，我們通常稱為“差分信號”，這種線纜很難產生扭結(Kink)。如果線纜張開一定的角度，電磁場就會出現不協(xié)調，形成近場和遠場，產生扭結(Kink)，形成天線，這也是無線通信中的天線原理。

圖2 遠場的形成原理

傳輸波形的諧波分量

在數字電路中，大部分基帶信號都類似于方波，這些波形是無數依次遞減的諧波分量疊加而成。電流的諧波分量會產生波動的磁場，這些磁場會通過耦合或者輻射的方式往下傳輸。

圖3 數字信號的諧波分量

PCB傳輸線路模型

在PBC Layout中，大部分工程師喜歡把電源線或者信號線和地分開布，這樣很危險，因為一旦環(huán)路和高頻信號的波長接近，就會形成一個環(huán)形天線，高頻的諧波頻率會通過電磁場耦合進來，形成共振。

圖4 PCB布線中產生的環(huán)形天線

根據下面兩種布線，兩個導體會形成一個電容。按照電磁場輻射原理，左邊布線，電子在高頻運動的時候，很容易形成近場和遠場，產生扭結，發(fā)射電磁波。同時也很容易接收外來電磁波。而右邊布線，電源和地之間，回路足夠小，形成閉合回路，電場輻射就非常微弱，很難產生電場輻射，也很難被其他電磁場干擾。

圖5 電源和地的布局布線對比

大部分信號，特別是高速信號，都會設計成差分電路。在差分電路中，主要分為直流分量和交流分量，直流分量不會產生交變磁場，交流分量會產生交變磁場，產生電磁干擾。

圖6 差分電路模型

有關差分電路的布局布線問題，其實就是嚴格按照等長對稱線來實現一個封閉電路，電磁場很難穿透差分電路。這就是為何差分信號的傳輸特性相對比較穩(wěn)定。除了需要對差分信號做等分布線之外，工程師還需要對差分信號做電源匹配和包地。

圖7 差分電路等長對稱原理

實際上，在電路結構中，各個回路的電源和地才是整個電路中最大的差分對，大多時候，工程師們喜歡把電源布線，布成如圖8所示的結構，在早期的單面板產品布局布線中，這算是最好的布線方法。

圖8 傳統(tǒng)單面板布局布線圖

隨著通信速率要求的提高，圖8中這個布線結構就會形成天線效應，產生電磁波輻射。所以為了降低電磁干擾，Wolfe Yu建議在布線時將電源和地盡量布在一起。

圖9 主芯片電源地布線建議

電流匯集模型

有關電流連續(xù)性的問題，有一個比較形象的比喻：每顆電容都是一個蓄水池，上游存儲的蓄水要大于下游，才不會因為斷流造成河流干枯。電源供電原理相同，設計不當，就會引發(fā)強電磁干擾。

圖10 電流匯集模型之蓄水池理論

再來看看電源拓撲，DCDC電源大致分為三個環(huán)(一說四個環(huán))，高頻交流斬波環(huán)把兩個直流輸入環(huán)和輸出環(huán)分割開來，交流環(huán)主要做高速PWM斬波，產生電磁切割，一旦布線不好，容易產生電磁輻射。

圖11 DCDC電源拓撲圖

為了設計方便，Wolfe建議在布局的時候，把兩個直流環(huán)和交流環(huán)分開布局，方便在布線的時候分開布線。

圖12 DCDC電源布局布線建議

基于同軸線的全封閉電路

在傳輸線路中，工程師們很難保證電路能夠達到100%的閉合效果。為了防止在傳輸線上產生電磁輻射，于是提出一種基于同軸線的傳輸方式。同軸線傳輸就是把電磁場封閉在內外導體之間，輻射損耗和受外界損耗都非常小。

圖13 同軸線閉合電磁場

同軸線傳輸解決了高速信號傳輸的電磁輻射的問題。除了電磁輻射問題，電路傳輸中還會面臨另外一個問題。那就是，當信號頻率很高的時候，除了阻性負載，還有容性負載和感性負載產生的反射信號，反射信號會疊加在原信號上，改變原信號的形狀，這被稱為“傳輸線損耗”。

圖14 傳輸線等效模型

圖14是一個傳輸線等效模型，除了阻性負載，還存在容性負載和感性負載。根據理論公式，很容易計算出傳輸線的阻抗值。為了抵消反射信號，工程師可以在電路源端和負載之間插入無源網絡，使負載阻抗和源阻抗共軛匹配，這就是阻抗匹配。

圖15 阻抗匹配原理

Microchip基于CoaXpress

一攬子解決方案

Excelpoint世健代理的Microchip推出一種基于CoaXpress的視頻傳輸方案就是基于同軸線的全封閉電路傳輸方案。

EQCO125T40集成均衡器、CDR和電纜驅動，可以實現在一根電纜或PCB跟蹤對上發(fā)送/接收信號，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸，傳輸距離最遠可以達到40m。

同軸電纜固有地被其外部導體屏蔽，從而使其對許多操作環(huán)境中存在的外部電磁干擾(EMI)高度耐受，特別是在嘈雜的工廠環(huán)境中。這使CoaXpress可以應用于各種復雜的工業(yè)環(huán)境，是高清攝像頭鏡頭傳輸的不二方案。

圖16 基于CoaXpress的視頻傳輸方案

這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire視頻平臺上，客戶可以利用Microchip提供的免費IP包輕松完成產品開發(fā)，縮短開發(fā)流程。

圖17 Microchip PolarFire視頻平臺

圖18 MIC28517評估板

同時，Excelpoint世健為客戶提供相關參考設計以及技術指導，針對國內客戶在進行DCDC設計以及布局布線時容易出現的一系列技術瓶頸，推出一系列PCB布線指導，同時也提供PCB設計文件讓客戶方便導入，幫助客戶輕松進行電子線路設計布局。

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原文標題：【世說芯語】面對電磁輻射干擾，如何輕松進行電子線路設計布局?

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審核編輯：湯梓紅