EMI的產生分析

　　我們來分析一下EMI的產生，忽略自然干擾的影響，在電子電路系統中我們主要考慮是電壓瞬變和信號的回流這兩方面。

　　1 電壓瞬變

　　對于電磁干擾的分析，可以從電磁能量外泄方面來考慮，如果器件向外泄露的能量越少，我們可以認為產生的電磁干擾就比較小。對于高速的數字器件來說，產生高頻交流信號時的電壓瞬變是產生電磁干擾的一個主要原因。我們知道，數字信號在開關輸出時產生的頻譜不是單一的，而是融合了很多高次諧波分量，這些諧波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降時間來決定，信號上升和下降速率越快，即開關頻率越高，則產生的能量越多。所以，如果器件在很短的時間內完成很大的電壓瞬變，將會產生嚴重的電磁輻射，這個電磁能量的外泄就會造成電磁干擾問題。通常，高速數字電路的EMI發射帶寬可以通過下面的公式計算：

　　F=1/πTr，

　　F為開關電路產生的最高EMI頻率，單位為GHz，Tr為信號的上升時間或者下降時間，單位為ns。

　　比如，對于上升時間為1ns左右的器件，那么它所產生的最高EMI頻率將為350MHz，而如果上升時間降為為500ps，那么它的最高EMI發射頻率將為700MHz，遠遠高于系統正常的工作頻率，這將會在一定程度上影響周圍其他系統的正常工作。

　　顯然，如果能減緩信號的上升沿，將會在很大程度上減少EMI，但是隨著電子設計和芯片制造水平的發展，器件總是朝著高速方向發展，單一的降低信號開關速率顯然是不現實的。但我們卻可以通過降低信號電壓來達到同樣的目的，因為在相同的時間內，低電壓器件需要跨越的邏輯門電壓幅度較小，就同樣減緩器件的上升沿速率，所以低電壓器件也是高速電路發展的趨勢。

　　2信號的回流

　　任何信號的傳輸都存在一個閉環的回路，當電流從驅動端流入接收端的時候，必然會有一個回流電流通過與之相鄰的導體從接收端回流至驅動端，構成一個閉合的環路，而環路的大小卻和EMI的產生有著很大的關系，我們都知道，每一個環路都可以等效為一個天線，環路數量或者面積越大，引起的EMI也越強。我們知道，交流信號會自動選取阻抗最小的路徑返回驅動端，但實際情況中，信號不可能始終保持如圖1所示的理想路徑，特別是在高密度布線的PCB板上，過孔，縫隙等都可能降低參考平面理想的特性，而是表現為更復雜的回流形式(圖2)。

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　　圖1 理想信號回流示意圖

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　　圖2 實際情況中的信號回流

　　對高頻信號回流的理解不能有一個思維定勢，認為回流必須完全存在于信號走線正下方的參考平面上。事實上，信號回流的途徑是多方面的：參考平面，相鄰的走線，介質，甚至空氣都可能成為它選擇的通道，究竟哪個占主要地位歸根結底看它們和信號走線的耦合程度，耦合最強的將為信號提供最主要的回流途徑。比如在多層PCB設計中，參考平面離信號層很近，耦合了絕大部分的電磁場，99%以上的信號能量將集中在最近的參考平面回流，由于信號和地回流之間的環路面積很小，所以產生的EMI也很低。但如果由于相鄰的參考平面上存在縫隙等非理想因素，這就導致了回流的面積增大，低電感的耦合作用減弱，將會有更多的回流通過其它途徑或者直接釋放到空中，這就會導致EMI的大大增加。

　　我們參考圖3來分析信號回流對EMI的影響，可以看到：信號和回流外部區域，由于磁場的極性相反，可以相互抵消，而中間部分是加強的，這也是對外輻射的主要來源。很明顯，我們只要縮短信號和回流之間的距離，就可以更好的抵消外圍的電磁場，同時也能降低中間加強部分的面積，大大抑制EMI。

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　　圖3信號回路的磁場耦臺分析