探析電磁兼容與電路保護(hù)技術(shù)

便攜式電子設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄，越來越多的新功能或新特性不斷被集成到設(shè)備中，使得便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)率及時(shí)鐘頻率越來越高。與此同時(shí)，便攜設(shè)備必將面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風(fēng)險(xiǎn)，如開關(guān)負(fù)載、電源電壓波動(dòng)、短路、雷電、開關(guān)電源、RF放大器和功率放大器及時(shí)鐘信號(hào)的高頻噪聲等。因此，電路設(shè)計(jì)和電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)將起到非常關(guān)鍵的作用。

電磁干擾通常有兩種情形，即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問題的研究實(shí)際上就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。電磁兼容設(shè)計(jì)就是針對(duì)電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之成為符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

電磁兼容設(shè)計(jì)考慮為節(jié)省能源和提高工作效率，目前大多數(shù)電子產(chǎn)品都選用開關(guān)電源供電。同時(shí)，越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路，以便提供更多的應(yīng)用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)字電路中的時(shí)鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。設(shè)計(jì)中，需要把模擬信號(hào)部分、高速數(shù)字電路部分以及噪聲源DC-DC電源三部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合達(dá)到最小。在器件布設(shè)方面，遵從相互關(guān)聯(lián)的器件盡量靠近的原則，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。此外，印刷電路板中電源線和地線的設(shè)計(jì)是克服電磁干擾的重要手段。

一些電子產(chǎn)品由于對(duì)電磁兼容性的考慮不足，致使產(chǎn)品沒有達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，重新設(shè)計(jì)將大大推遲產(chǎn)品的上市時(shí)間，因此，電磁兼容性的改變顯得比較重要。首先，要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行診斷，找出干擾源及相互干擾的途徑和方式，依據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行有針對(duì)性的整改。如：對(duì)干擾源進(jìn)行允許范圍內(nèi)的減弱；分類整理電線電纜以減少線間耦合；改善地線系統(tǒng)；選擇高導(dǎo)電材料和鐵磁性材料實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽等。當(dāng)這些措施均無法有效改善產(chǎn)品的電磁兼容性能時(shí)，改變電路板的布線結(jié)構(gòu)是解決問題的根本辦法。

電路的ESD保護(hù)靜電放電（ESD）是從事硬件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工程師都必須掌握的知識(shí)。很多開發(fā)人員往往會(huì)遇到這樣的情形：實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的產(chǎn)品，測(cè)試完全通過，但客戶使用一段時(shí)間后，即會(huì)出現(xiàn)異常現(xiàn)象，故障率也不是很高。一般情況下，這些問題大多由于浪涌沖擊、ESD沖擊等原因造成。在電子產(chǎn)品的裝配和制造過程中，超過25%的半導(dǎo)體芯片的損壞歸咎于ESD。隨著微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用及電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，人們對(duì)靜電放電的電磁場效應(yīng)如電磁干擾（EMI）及電磁兼容性（EMC）問題越來越重視。

電路設(shè)計(jì)工程師一般通過一定數(shù)量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護(hù)。如固狀器件(二極管)、金屬氧化物變阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可變電壓的材料(新聚合物器件)、氣體電子管和簡單的火花隙。隨著新一代高速電路的出現(xiàn)，器件的工作頻率已經(jīng)從幾kHz上升到GHz，對(duì)用于ESD保護(hù)的高容量無源器件的要求也越來越高。例如，TVS必須迅速響應(yīng)到來的浪涌電壓，當(dāng)浪涌電壓在0.7ns達(dá)到8KV(或更高)峰值時(shí)，TVS器件的觸發(fā)或調(diào)整電壓 (與輸入線平行)必須足夠低以便作為一個(gè)有效的電壓分配器。安森美半導(dǎo)體的NUC2401是一款帶集成低電容ESD保護(hù)功能的共模濾波器，能提供高速 USB 2.0信號(hào)必要的帶寬、恰當(dāng)?shù)墓材Ｋp及敏感的內(nèi)部電路ESD保護(hù)，保持了信號(hào)的完整性。Vishay公司VBUS054B-HS3是一種單芯片ESD解決方案，線路電容間的差別非常小，可保護(hù)雙高速USB端口，以防瞬態(tài)電壓信號(hào)。還可對(duì)略低于接地電平的負(fù)瞬態(tài)進(jìn)行鉗位，同時(shí)在略高于5V工作電壓范圍對(duì)正瞬態(tài)進(jìn)行鉗位。現(xiàn)在，電路設(shè)計(jì)工程師在高頻電路設(shè)計(jì)中越來越多地采用ESD抑制方案。盡管低成本的硅二極管(或變阻器)的觸發(fā)/箝位電壓非常低，但其高頻容量和漏電流無法滿足不斷增長的應(yīng)用需求。聚合物ESD抑制器在頻率高達(dá)6GHz時(shí)的衰減小于0.2dB，對(duì)電路的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

電磁兼容和電路保護(hù)對(duì)所有電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而言都是無法回避的問題。電路設(shè)計(jì)工程師除了熟悉電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中還需綜合考慮器件本身的性能、寄生參數(shù)、產(chǎn)品性能、成本以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每個(gè)功能模塊，通過布局布線優(yōu)化、增加去耦電容、磁珠、磁環(huán)、屏蔽、PCB諧振抑制等措施來確保EMI在控制范圍之內(nèi)。在制定電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案時(shí)，最重要的是首先掌握因應(yīng)的技術(shù)方案和設(shè)計(jì)手段，并據(jù)此選擇正確的ESD保護(hù)器件。

總結(jié)：

解決電路保護(hù)與電磁兼容問題，是工程師們熱心去解決和討論的話題。電磁兼容性EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。隨著工程師們的熱心研究，難題也逐漸被攻克了。