PCB的电磁辐射研究

阮星

【摘 要】PCB的电磁辐射骚扰是电子产品电磁辐射骚扰的一个重要根源,它不仅影响了产品的研发成本,也影响了产品的上市时间。本文针对产品在PCB电磁兼容设计中常见的电磁辐射问题,介绍PCB的电磁辐射原理与降低电磁辐射的方法。%Electromagnetic radiated disturbance is an important problem for electronic product due to PCB radiated emission. It not only influences design cost of product and also influences time to market of product. The paper analyze the familiar radiated disturbance problem in EMC design about PCB of product, introducing electromagnetic radiation principle and give the solution to reduce electromagnetic radiation about PCB. 【期刊名称】《质量技术监督研究》 【年(卷),期】2011(000)006 【总页数】4页(P51-54) 【关键词】电磁兼容;差模;共模 【作 者】阮星

【作者单位】福建省产品质量检验研究院,福建福州350002;国家电子信息产品质量监督检验中心,福建福州350009 【正文语种】中 文 【中图分类】TN41

1 引言

线路板在进行电磁兼容性设计时有两方面要求，一方面保证电路能够可靠工作，具有较高的抗骚扰能力，另一方面还需尽量减少线路板的电磁辐射，以避免干扰其他电子设备的正常工作。由于一个电路的电磁辐射和接收的能力往往是一致的，因此在设计中通过有效措施能够抑制线路板的电磁辐射，也就能够提高线路板的抗干扰能力[1]。本文着重介绍PCB的电磁辐射原理与降低电磁辐射的方法。 2 PCB的两种辐射及产生原理

根据辐射驱动电流的模式，辐射有共模和差模辐射两种。共模辐射是由于传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同所产生的辐射，共模噪声发生在每根传输线和地线之间，干扰噪声会经由容性路径耦合到接地面或结构，通常出现在2MHz以上。差模辐射是由于电路工作电流在信号环路中流动所产生的电磁辐射，差模噪声是通常意义上的噪声，发生在输入、输出线和其回线之间，频率一般不超过2MHz [2-3]。由于共模电流的方向相同，产生的电磁场相互叠加；而差模电流的方向相反，所以产生的电磁场可以相互抵消，因此，通常幅度比差模电流小几个数量级的共模电流就可以产生相同的辐射场[3]。在电子设备中，大多数的电缆辐射主要以共模辐射为主。 3 如何减小差模辐射

由差模辐射的计算公式：（式中为差模电流强度，为差模电流环路面积，为差模电流频率，为测试点距离差模环路的距离[3]。）分析可知，可从通过减小差模电流、差模电流的环路面积A以及降低频率几个方面减小差模辐射。但降低频率的方法往往会受限制，因为要得到高速的处理速度需要高速的时钟频率来保证。因此重点考虑减小差模电流和环路面积两个方面。 3.1 电流回路的阻抗

在分析差模辐射时，最重要的一点是知道差模电流的实际路径，从而确定差模电流的环路面积。要明确的一点是：实际的电流并不是按照你所设计的路径流动，而是选择阻抗最小的路径流动。所以，估算电流路径的实际阻抗是十分重要的一步。只要确定出最小阻抗的路径，也就确定了差模电流的路径。

电流回路的阻抗：电流回路的阻抗由两部分组成，导线的电阻和环路的电感形成的感抗。频率较低时，感抗很小，回路的阻抗主要由电阻决定。当频率较高时，电感的感抗所占比重越来越大，回路的阻抗主要由电感决定。回路的电感越大，阻抗越高。

影响回路电感的因素：回路电感为磁通量与回路中的电流的比值。因此，回路的面积越大，则回路所包围的磁通量越大，电感量也越大。因此，回路的阻抗与回路的面积成正比。

图1所示的实验可以更加明确在高频时回路的面积决定了回路的阻抗。有关实验的说明如下：

实验装置为同轴电缆的一端接信号发生器，频率可变；另一端接电阻负载。同轴电缆的两端外皮（金属编织层）用一根短粗的铜线连接起来，铜线的电阻和电感都很小。在铜线上套一个电流卡钳，用示波器监视铜线中电流的大小。将信号源的频率从低往高调，观察铜线中电流的变化。可以发现：当频率低于1kHz时，电流几乎全部走铜线，当频率高于10kHz时，电流几乎全部同轴电缆的外屏蔽层，在1kHz和10kHz之间，两个路径都有。因此，高频电流总是走电感最小的路径，也就是回路面积最小的路径。 3.2 单层或双层板如何减小环路的面积

出于成本的考虑，在一般民用设备中都使用单层或双层印刷线路板。随着数字脉冲电路广泛应用，单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要

原因之一就是信号回路面积过大。不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路板的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。 从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指能产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。如前所述，能够产生较强辐射的信号是周期性信号，如时钟信号或地址的低位信号。对干扰较敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。

减小回路面积的方法：一种简单的方法是在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射和对外界干扰的敏感度。根据前面的分析，当在信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，地线尽量宽。这样形成的回路面积等于线路板的厚度乘以信号线的长度。 4 怎样减小共模辐射

共模辐射的公式：，式中：为共模电流，为电缆长度，为电缆上信号的频率，为观测点到电路的距离[3]。

电缆长度控制：在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆。但电缆长度是受设备间连接距离所限制的。 减小共模电流：

（1）增加共模电流环路的阻抗：在共模电压一定的情况下（共模电压与线路板设计、电缆布置、机箱结构等因素有关），增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流。

（2）减少电缆上的高频共模电流：可以通过使用共模低通滤波器来实现。但是，共模滤波器往往对差模信号也有一定的影响，当差模信号的信号频率较高时，不能够有效地滤除高频共模电流。共模扼流圈是唯一的对差模信号影响很小的共模滤波器件，但是其效果往往很有限。

（3）减小共模电压阻抗：当回路阻抗一定时，通过减小共模电压也可达到减小共模电流的目的。但是共模电压产生的机理十分复杂，没有丰富的电磁兼容知识，很难搞清共模电压是那里产生的。 4.1 平衡接口电路

平衡电路在解决电路敏感性方面应用广泛，它可以减小外界的共模干扰干扰对电路的影响。平衡电路同样也能减小电路的共模辐射。因为平衡电路中两根导线的阻抗相等且两个信号的幅度相等、方向相反，因此两根导线上产生大小相等、方向相反的共模电流，可以相互抵消，减小共模辐射[4]。 4.2 增加共模回路的阻抗

设备组装完成后，由设备在电缆上产生的共模电压也就一定了。因此通过增加共模电流回路的阻抗可以减小共模电流，从而减小共模辐射。

共模环路的阻抗由以下几部分构成：电缆的阻抗、地线的阻抗、线路板与机箱之间的阻抗 (包括两个设备的)、机箱与大地之间的阻抗 (两个设备的)。

对于低频而言，将线路板与机箱断开，或将机箱与大地断开都能够增加共模回路的阻抗。但对高频而言，将线路板与机箱的联线断开，或将机箱与大地之间的联线断开并不能增加回路阻抗。在实践中，常用的方法是在电缆上安装一个共模扼流圈。简单的方法就是套一个铁氧体磁环。电缆上套了铁氧体磁环后，其效果如何取决于原来共模环路的阻抗。这可以用下面推导来说明：

共模辐射改善 = 20lg（加铁氧体前的辐射/加铁氧体后的辐射）= 20lg（加铁氧体前的共模电流 / 加铁氧体后的共模电流）= 20lg（加铁氧体后的共模环路阻抗 / 加铁氧体前的共模环路阻抗）如果没加铁氧体时的共模环路阻抗为100，加了铁氧体以后为1000，则共模辐射改善为20dB。

许多人对铁氧体寄予了过高期望，只要一遇到电缆辐射的问题，就在电缆上套铁氧体，往往会失望。因为有些电缆的终端是开路的，原来的共模环路已经有了很高的

阻抗，在加上几百的阻抗几乎没有什么影响。有时套上铁氧体后，电磁辐射并没有明显的改善，这并不一定是铁氧体没有起作用，而可能是除了这根电缆以外，还有其它辐射源。

4.3 I/O接口布线的一些要点

电缆上产生共模电压的一个主要原因就是线路板上其它电路与I/O接口电路部分的耦合，既有空间耦合的，也有通过地线、电源线等传导耦合的。因此，在进行布线时，设法减小这种耦合，对于减小电缆上的共模电压具有重要的意义。

辐射较强的电路（高速数字脉冲电路、时钟电路、震荡器电路等）要尽量远离I/O接口电路。在有些产品中看到在I/O电路与强干扰电路之间加一片金属遮挡层。理论分析和试验均表明，这个遮挡层的作用很有限。

地线实际是信号电流的回流路径，它上面的射频噪声是很严重的。当电缆连接到这种地线上时，电缆上就有了共模电压。因此，要尽量在电缆接口处保持不受这种噪声的影响，形成一块干净区域。

干净区域通过“壕沟”获得。即，I/O区域的地线和电源线与线路板上其它电路的地线面和电源线面之间没有任何联系，I/O区域好比一个孤岛。它与主电路之间的联系有以下两个方法：

（1）用隔离变压器或光藕隔离器来连接。I/O区域与主电路之间的连接只能通过金属机壳连接。如果I/O区域中需要电源，可以将电源通过一个套有铁氧体磁珠的导线连接，地线用导线直接连接。必要时，在电源上加一个解耦电容。解耦电容的一端接在I/O区域的电源线上，另一端接在电路地线面上。电源线与地线要尽量靠近，以减小环路面积。

（2）I/O区域的地与电路地之间通过“桥”连接，电源线、数据线等均通过桥上过。电源线通常需要滤波。桥的两端应与金属机壳或大的金属板搭接起来，这样不

仅能减小共模电压，还能提高对静电放电和浪涌等高能干扰的抗扰度。 以上方法需注意隔离区域的边缘满足“20H”法则。 4.4 用屏蔽电缆抑制共模辐射

许多人认为屏蔽电缆对于减小电磁辐射总是有好处的。但实际情况并不是这样，很多时候屏蔽电缆并没有预期的效果，而且有时加上屏蔽电缆后辐射还更大。要使屏蔽电缆在抑制共模辐射方面发挥预期的作用，要求电缆屏蔽层与机箱一起构成一个完整的屏蔽体[5]。此外，做好电缆屏蔽的关键需要为共模电流提供一个低阻抗的通路。这不仅要求电缆本身屏蔽层的质量要好（射频阻抗低），而且电缆屏蔽层与金属机箱之间的搭接阻抗要低。其中，后一点是设计中的关键之一。

如果电缆两端的机箱不是完全屏蔽的机箱，那么，至少要为电缆屏蔽层提供两个大块金属板作为端接点，为共模电流提供一个回流的路径。在有些场合，电缆的屏蔽层仅在一端端接，另一端悬浮起来（如传感器的电缆），这时，电缆屏蔽层仅能够屏蔽低频电场，对射频共模辐射没有任何作用。这时，可用滤波的方法来解决。 5 结束语

许多国家对电子设备和仪器有严格的电磁兼容性标准。为适应这个要求，设计者必须从板级设计开始就考虑抑制电磁干扰。但仅仅实现板级的电磁兼容性还不够，我们仍然要对外壳防护技术、供电电源设计以及利用PCB做子部件的系统级的部件组装技术等问题做深入研究。 参考文献

【相关文献】

[1]江思敏.PCB和电磁兼容设计[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]Mark I. Montrose. Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance,

Second Edition [M].New York：IEEE Press,2002.

[3]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

[4]秦晓辉. 微机保护电磁兼容研究及变电站内电磁干扰的传播途径[D]. 华北电力大学（北京）, 硕士学位论文,2003.12.

[5]朱葛俊, 崔景, 张海全. 电子设备PCB电磁兼容设计的分析[J]. 内蒙古电力技术, 2005,23(5): 26-28.