電磁兼容實(shí)踐技術(shù)

1、電磁兼容實(shí)踐技術(shù)目錄1電路設(shè)計(jì)及EMC器件選擇1.1數(shù)字器件與EMC電路設(shè)計(jì)1.2模擬器件和電路設(shè)計(jì)1.3 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 1.4 信號(hào)通信器件及電路設(shè)計(jì)1.4.5“無(wú)地”和“浮地”通信1.4.6危險(xiǎn)區(qū)和高度安全通信1.4.7通信協(xié)議1.5無(wú)源器件的選擇2 電纜都是天線2.1 頻譜利用及潛在的干擾2.2 導(dǎo)體的泄漏與天線效應(yīng) 2.3 所有電纜受其固有電阻、電容、電感影響2.4 避免使用導(dǎo)體2.4.1 非導(dǎo)體產(chǎn)品的成本/效益分析2.5 電纜隔離和布局 2.6 選擇最優(yōu)電纜2.6.1 傳輸線2.6.2 設(shè)備內(nèi)部和外部連線的EMC考慮 2.6.3 雙饋送導(dǎo)線2.6.4充分發(fā)揮屏蔽電纜的作用：

2、關(guān)于屏蔽層2.6.5充分發(fā)揮屏蔽電纜的作用：端接屏蔽層2.6.6將電纜屏蔽層兩端端接2.7電纜連接器的最佳使用2.7.1非屏蔽連接器2.7.2用于 PCB板間的連接器2.7.3屏蔽連接器序 言文章中介紹的技術(shù)包括：1. 電路設(shè)計(jì)（數(shù)字電路、模擬電路、開(kāi)關(guān)電源、通信設(shè)備）和器件選擇2. 電纜和連接器3. 濾波器和瞬態(tài)干擾抑制4. 屏蔽5. 線路板設(shè)計(jì)（包括傳輸線）6. 靜電放電、機(jī)電設(shè)備和電源功率因數(shù)校正由于已經(jīng)有很多關(guān)于以上問(wèn)題的教科書(shū)，因此這篇文章僅將問(wèn)題提出并介紹最實(shí)用技術(shù)中的一些關(guān)鍵點(diǎn)，這些內(nèi)容都是十分重要且實(shí)用的。但我們?cè)谶@里并不介紹這些技術(shù)為什么管用，而僅介紹這些技術(shù)是什么，怎樣應(yīng)用

3、。當(dāng)然，了解這些技術(shù)的原理對(duì)于靈活應(yīng)用這些技術(shù)是十分必要的，您可以參考其它教科書(shū)和參加我們的培訓(xùn)課程。 1電路設(shè)計(jì)及EMC器件選擇在新設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的開(kāi)始，正確選擇有源與無(wú)源器件及完善的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，將有利于以最低的成本獲得EMC認(rèn)證，減少產(chǎn)品因屏蔽和濾波所帶來(lái)的額外的成本、體積和重量。 這些技術(shù)也可以提高數(shù)字信號(hào)的完整性及模擬信號(hào)信噪比，可以減少重復(fù)使用硬件及軟件至少一次，這也將有助于新產(chǎn)品達(dá)到其功能技術(shù)要求，盡早投入市場(chǎng)。這些EMC技術(shù)應(yīng)視為公司竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)的一部分，有助于使企業(yè)獲得最大的商業(yè)利益。 1.1數(shù)字器件與EMC電路設(shè)計(jì)1.1.1器件的選擇大部分?jǐn)?shù)字IC生產(chǎn)商都至少能生產(chǎn)某一系列輻射

4、較低的器件，同時(shí)也能生產(chǎn)幾種抗ESD的I/O芯片，有些廠商供應(yīng)EMC性能良好的VLSI（有些EMC微處理器比普通產(chǎn)品的輻射低40dB）；大多數(shù)數(shù)字電路采用方波信號(hào)同步，這將產(chǎn)生高次諧波分量，如圖1示。時(shí)鐘速率越高，邊沿越陡，頻率和諧波的發(fā)射能力也越高。 因此，在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量選擇低速時(shí)鐘。在HC能用時(shí)絕不要使用AC，CMOS4000能行就不要用HC。要選擇集成度高并有EMC特性的集成電路，比如：* 電源及地的引腳較近* 多個(gè)電源及地線引腳* 輸出電壓波動(dòng)性小* 可控開(kāi)關(guān)速率* 與傳輸線匹配的I/O電路* 差動(dòng)信號(hào)傳輸* 地線反射較低* 對(duì)ESD及其他干擾現(xiàn)象的抗擾性* 輸入電容

5、小* 輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)能力不超過(guò)實(shí)際應(yīng)用的要求* 電源瞬態(tài)電流低（有時(shí)也稱穿透電流）這些參數(shù)的最大、最小值應(yīng)由其生產(chǎn)商一一指明。由不同廠家生產(chǎn)的具有相同型號(hào)及指標(biāo)的器件可能有顯著不同的EMC特性，這一點(diǎn)對(duì)于確保陸續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品具有穩(wěn)定的電磁兼容符合性是很重要的。高技術(shù)集成電路的生產(chǎn)商可以提供詳盡的EMC設(shè)計(jì)說(shuō)明，比如Intel的奔騰MMX芯片就是這樣。設(shè)計(jì)人員要了解這些并嚴(yán)格按要求去做。詳盡的EMC設(shè)計(jì)建議表明：生產(chǎn)商關(guān)心的是用戶的真正需求，這在選擇器件時(shí)是必須考慮的因素。在早期設(shè)計(jì)階段，如果IC的EMC特性不清楚，可以通過(guò)一簡(jiǎn)單功能電路（至少時(shí)鐘電路要工作）進(jìn)行各種EMC測(cè)試，同時(shí)要盡量在高速數(shù)據(jù)傳

6、輸狀態(tài)完成操作。發(fā)射測(cè)試可方便地在一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行，將近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭連接到頻譜分析儀（或?qū)拵静ㄆ鳎┥?，有些器件明顯地比其他一些器件噪聲小得多，測(cè)試抗擾度時(shí)可采用同樣的探頭，并連到信號(hào)發(fā)生器的輸出端（連續(xù)射頻或瞬態(tài)）。但如果探頭是儀器專(zhuān)配的（不只是簡(jiǎn)單的短路環(huán)或?qū)Ь€），首先要檢查其功率承受能力是否滿足要求。測(cè)試時(shí)近場(chǎng)探頭需貼近器件或PCB板，為了定位“關(guān)鍵探測(cè)點(diǎn)”和最大化探頭方向 ， 應(yīng)首先在整個(gè)區(qū)域進(jìn)行水平及垂直掃描（使探頭在各個(gè)方向相互垂直），然后在信號(hào)最強(qiáng)的區(qū)域集中進(jìn)行掃描。 圖1 上升/下降時(shí)間為1ns的理想60MHz方波的頻譜 1.1.2不宜采用IC 座IC座對(duì)EMC 很不利，建議直

7、接在PCB上焊接表貼芯片，具有較短引線和體積較小的IC芯片則更好， BGA及類(lèi)似芯片封裝的IC在目前是最好的選擇。安裝在座（更糟的是，插座本身有電池）上的可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）的發(fā)射及敏感特性經(jīng)常會(huì)使一個(gè)本來(lái)良好的設(shè)計(jì)變壞。因此，應(yīng)該采用直接焊接到電路板上的表貼可編程儲(chǔ)存器。帶有ZIF座和在處理器（能方便升級(jí)）上用彈簧安裝散熱片的母板，需要額外的濾波和屏蔽，即使如此，選擇內(nèi)部引線最短的表貼ZIF 座也是有好處的。1.1.3電路技術(shù)* 對(duì)輸入和按鍵采用電平檢測(cè)（而非邊沿檢測(cè)）* 使用前沿速率盡可能慢且平滑的數(shù)字信號(hào)（不超過(guò)失真極限）* 在PCB樣板上，允許對(duì)信號(hào)邊沿速度或帶寬進(jìn)行控制（例如

8、，在驅(qū)動(dòng)端使用軟鐵氧體磁珠或串聯(lián)電阻）* 降低負(fù)載電容，以使靠近輸出端的集電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器便于上拉，電阻值盡量大* 處理器散熱片與芯片之間通過(guò)導(dǎo)熱材料隔離，并在處理器周?chē)帱c(diǎn)射頻接地。* 電源的高質(zhì)量射頻旁路（解耦）在每個(gè)電源管腳都是重要的。* 高質(zhì)量電源監(jiān)視電路需對(duì)電源中斷、跌落、浪涌和瞬態(tài)干擾有抵抗能力* 需要一只高質(zhì)量的看門(mén)狗* 決不能在看門(mén)狗或電源監(jiān)視電路上使用可編程器件* 電源監(jiān)視電路及看門(mén)狗也需適當(dāng)?shù)碾娐泛蛙浖夹g(shù)，以使它們可以適應(yīng)大多數(shù)的不測(cè)情況，這取決于產(chǎn)品的臨界狀態(tài)* 當(dāng)邏輯信號(hào)沿的上升/下降時(shí)間比信號(hào)在PCB走線中傳輸一個(gè)來(lái)回的時(shí)間短時(shí)，應(yīng)采用傳輸線技術(shù)：a 、經(jīng)驗(yàn)：信號(hào)在每

9、毫米軌線長(zhǎng)度中傳輸一個(gè)來(lái)回的時(shí)間等于36皮秒b 、為了獲得最佳EMC特性，對(duì)于比a中經(jīng)驗(yàn)提示短得多的軌線，使用傳輸線技術(shù)有些數(shù)字IC產(chǎn)生高電平輻射，常將其配套的小金屬盒焊接到PCB地線而取得屏蔽效果 。PCB上的屏蔽成本低，但在需散熱和通風(fēng)良好的器件上并不適用。時(shí)鐘電路通常是最主要的發(fā)射源，其PCB軌線是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，要作好元件的布局，從而使時(shí)鐘走線最短，同時(shí)保證時(shí)鐘線在PCB的一面但不通過(guò)過(guò)孔。當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘必須經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)長(zhǎng)的路徑到達(dá)許多負(fù)載時(shí)，可在負(fù)載旁邊安裝一時(shí)鐘緩沖器，這樣，長(zhǎng)軌線（導(dǎo)線）中的電流就小很多了。這里，相對(duì)的失真并非重要。長(zhǎng)軌線中的時(shí)鐘沿應(yīng)盡量圓滑，甚至可用正弦波，然后由負(fù)載旁

10、的時(shí)鐘緩沖器加以整形。1.1.4擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘所謂的“擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘”是一項(xiàng)能夠減小輻射測(cè)量值的新技術(shù)，但這并非真正減小了瞬時(shí)發(fā)射功率，因此，對(duì)一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。這種技術(shù)對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行1% 2% 的調(diào)制，從而擴(kuò)散諧波分量，這樣在CISPR16或FCC發(fā)射測(cè)試中的峰值較低。所測(cè)的發(fā)射減小量取決于帶寬和測(cè)試接收機(jī)的積分時(shí)間常數(shù)，因此這有一點(diǎn)投機(jī)之嫌，但該項(xiàng)技術(shù)已被FCC所接受，并在美國(guó)和歐洲廣泛應(yīng)用。調(diào)制度要控制在音頻范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)使時(shí)鐘信號(hào)失真，圖2是一時(shí)鐘諧波發(fā)射改善的例子。擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如以太網(wǎng)、光纖、FDD、ATM、SONET和ADS

11、L。絕大多數(shù)來(lái)自數(shù)字電路發(fā)射的問(wèn)題是由于同步時(shí)鐘信號(hào)。非同步邏輯（比如AMULET微處理器，正由steve Furbe教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在UMIST研制）將大大地降低發(fā)射量，同時(shí)也可獲得真正的擴(kuò)頻效果，而不只是集中在時(shí)鐘諧波上產(chǎn)生發(fā)射。 圖2 時(shí)鐘擴(kuò)頻導(dǎo)致的輻射降低  1.2模擬器件和電路設(shè)計(jì)1.2.1選擇模擬器件從EMC的角度選擇模擬器件不象選擇數(shù)字器件那樣直接，雖然同樣希望發(fā)射、轉(zhuǎn)換速率、電壓波動(dòng)、輸出驅(qū)動(dòng)能力要盡量小，但對(duì)大多數(shù)有源模擬器件，抗擾度是一個(gè)很重要的因素，所以確定明確的EMC訂購(gòu)特征相當(dāng)困難。來(lái)自不同廠商的同一型號(hào)及指標(biāo)的運(yùn)算放大器，可以有明顯不同的EMC性能，因此確

12、保后續(xù)產(chǎn)品性能參數(shù)的一致性是十分重要的。敏感模擬器件的廠商提供EMC或電路設(shè)計(jì)上的信噪處理技巧或PCB布局，這表明他們關(guān)心用戶的需求，這有助于用戶在購(gòu)買(mǎi)時(shí)權(quán)衡利弊。1.2.2防止解調(diào)問(wèn)題大多數(shù)模擬設(shè)備的抗擾度問(wèn)題是由射頻解調(diào)引起的。運(yùn)放每個(gè)管腳都對(duì)射頻干擾十分敏感，這與所使用的反饋線路無(wú)關(guān)（見(jiàn)圖3），所有半導(dǎo)體對(duì)射頻都有解調(diào)作用，但在模擬電路上的問(wèn)題更嚴(yán)重。即使低速運(yùn)放也能解調(diào)移動(dòng)電話頻率及其以上頻率的信號(hào)，圖4表明了實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果。為了防止解調(diào)，模擬電路處于干擾環(huán)境中時(shí)需保持線性和穩(wěn)定，尤其是反饋回路，更需在寬頻帶范圍內(nèi)處于線性及穩(wěn)定狀態(tài)，這就常常需要對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行緩沖，同時(shí)用一個(gè)小串聯(lián)

13、電阻（約為500）和一個(gè)大約5PF的積分反饋電容串聯(lián)。進(jìn)行穩(wěn)定度及線性測(cè)試時(shí)，在輸入端注入小的但上升沿極陡 (<1ns) 的方波信號(hào)（也可以通過(guò)電容饋送到輸出端和電源端），方波的基頻必須在電路預(yù)期的頻帶內(nèi)，電路輸出應(yīng)用100MHz（至少）的示波器和探針進(jìn)行過(guò)沖擊和振鈴檢查，對(duì)音頻或儀表電路也應(yīng)如此，對(duì)更高速模擬電路，要選取頻帶更寬的示波器，同時(shí)注意使用探頭的技巧。超過(guò)信號(hào)高度50%的過(guò)沖擊表明電路不穩(wěn)定，對(duì)過(guò)沖擊應(yīng)予以有效的衰減，信號(hào)的任何長(zhǎng)久的振鈴（超過(guò)兩個(gè)周期）或突發(fā)振蕩表明其穩(wěn)定度不好。以上測(cè)試應(yīng)在輸入及輸出端均無(wú)濾波器的情況下進(jìn)行，也可以用掃頻代替方波，頻譜分析儀代替示波器（更易

14、看出共振頻率） 圖3 任何半導(dǎo)體器件都會(huì)發(fā)生解調(diào)，所有引線都敏感 圖4 運(yùn)算放大器能夠有效地解調(diào)射頻信號(hào) 1.2.3其它模擬電路技術(shù)獲得一穩(wěn)定且線性的電路后，其所有聯(lián)線可能還需濾波，同一產(chǎn)品中的數(shù)字電路部分總會(huì)把噪聲感應(yīng)到內(nèi)部連線上，外部連線則承受外界的電磁環(huán)境的騷擾。濾波器將在后面介紹。決不要試圖采用有源電路來(lái)濾波和抑制射頻帶寬以達(dá)到EMC要求，只能使用無(wú)源濾波器（最好是RC型）。在運(yùn)放電路中，只有在其開(kāi)環(huán)增益遠(yuǎn)大于閉環(huán)增益時(shí)的頻率范圍內(nèi)，積分反饋法才有效，但在更高頻率，它不能控制頻率響應(yīng)。應(yīng)避免采用輸入、輸出阻抗高的電路，比較器必須具有遲滯特性（正反饋），以防止因?yàn)樵肼暫透蓴_而使輸出產(chǎn)生誤

15、動(dòng)作，還可防止靠近切換點(diǎn)處的振蕩 。不要使用比實(shí)際需要快得多的輸出轉(zhuǎn)換比較器，保持dv/dt在較低狀態(tài)。對(duì)高頻模擬信號(hào)（例如射頻信號(hào)），傳輸線技術(shù)是必需的，取決于其長(zhǎng)度和通信的最高頻率，甚至對(duì)低頻信號(hào)，如果對(duì)內(nèi)部聯(lián)接用傳輸線技術(shù)，其抗擾度也將有所改善。有些模擬集成電路內(nèi)的電路對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)極為敏感，這時(shí)可用小金屬殼將其屏蔽起來(lái)（如果散熱允許），并將屏蔽盒焊接到PCB地線面上。與數(shù)字電路相同，模擬器件也需要為電源提供高質(zhì)量的射頻旁路（去耦），但同時(shí)也需低頻電源旁路，因?yàn)槟M器件的電源噪聲抑制率（PSRR）對(duì)1kHz以上頻率是很微弱的，對(duì)每個(gè)運(yùn)放、比較器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)模擬電源引腳的RC或LC濾波都是

16、必要的，這些電源濾波器轉(zhuǎn)折頻率和過(guò)渡帶斜率應(yīng)補(bǔ)償器件PSRR的轉(zhuǎn)折頻率和斜率，以在所關(guān)心的頻帶內(nèi)獲得期望的PSRR。一般的EMC設(shè)計(jì)指南中都很少涉及射頻設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樯漕l設(shè)計(jì)者一般都很熟悉大多數(shù)連續(xù)的EMC現(xiàn)象，然而需要注意的是，本振和IF頻率一般都有較大的泄漏 ，所以需要著重屏蔽和濾波。  1.3 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的特征就是產(chǎn)生強(qiáng)電磁噪聲，若不加嚴(yán)格控制，將產(chǎn)生極大的干擾。下面介紹的技術(shù)有助于降低開(kāi)關(guān)電源噪聲，能用于高靈敏度的模擬電路。1.3.1電路和器件的選擇一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是保持dv/dt和di/dt在較低水平,有許多電路通過(guò)減小dv/dt和/或di/dt來(lái)減小輻射，這也減輕了對(duì)

17、開(kāi)關(guān)管的壓力，這些電路包括ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）、ZCS（零電流開(kāi)關(guān)）、共振模式.(ZCS的一種)、SEPIC（單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器）、CK（一套磁結(jié)構(gòu)，以其發(fā)明者命名）等。減小開(kāi)關(guān)時(shí)間并非一定就能引起效率的提高，因?yàn)榇判栽腞F振蕩需要強(qiáng)損耗的緩沖，最終可以觀察到不斷減弱的回程。使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，雖然會(huì)稍微降低效率，但在節(jié)省成 本和濾波/屏蔽所占用空間方面有更大的好處。 1.3.2阻尼為了保護(hù)開(kāi)關(guān)管免受由于寄生參數(shù)等因素引起的振蕩尖峰電壓的沖擊常需要阻尼，如圖5示。阻尼器連到有問(wèn)題的線圈上，這也可以減小發(fā)射。阻尼器有多種類(lèi)型：從EMC角度看，RC阻尼器通常在EMC上是最好的，但比其他的

18、發(fā)熱多一些。權(quán)衡各方面的利弊，在緩沖器中應(yīng)謹(jǐn)慎使用感性電阻。 圖5開(kāi)關(guān)電源電路中需要阻尼 1.3.3散熱器散熱器與集電極或TO247功率器件的漏極之間有50pF的電容，因此可以產(chǎn)生很強(qiáng)的發(fā)射。僅僅直接地把散熱片連到機(jī)殼，這只是把噪聲引向大地，很可能不能減小總體發(fā)射水平。較好的做法是：把它們連到一恰當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)點(diǎn)一次整流輸出端，但要注意安全要求。具有屏蔽作用的絕緣隔離片可以連接到開(kāi)關(guān)管上，把它們屏蔽內(nèi)層接至一次整流端，散熱片要么懸浮要么連到機(jī)殼。散熱片也可以通過(guò)電容連到有危險(xiǎn)電壓的線上，電容的引線和PCB軌線構(gòu)成的電感可能會(huì)與電容 “諧振”，這可對(duì)解決某些特殊頻率上的問(wèn)題特別有效。應(yīng)該在樣機(jī)上多次

19、試驗(yàn)，最終找到散熱片的最佳安裝方法。1.3.4整流器件用于一次電源上的整流器和二次整流器，因?yàn)槠浞聪螂娏?，可以引起大量的噪聲，最好使用快速軟開(kāi)關(guān)型號(hào)的器件，如圖6示。 圖6 快恢復(fù)軟開(kāi)關(guān)整流器的改進(jìn) 1.3.5磁性元件有關(guān)問(wèn)題及解決方案特別需注意的是電感和變壓器的磁路要閉合。例如，用環(huán)形或無(wú)縫磁芯，環(huán)形鐵粉芯適合于存儲(chǔ)磁能的場(chǎng)合，若在磁環(huán)上開(kāi)縫，則需一個(gè)完全短路環(huán)來(lái)減小寄生泄漏磁場(chǎng)。 初級(jí)開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)通過(guò)隔離變壓器的線圈匝間電容注入到次級(jí)，在次級(jí)產(chǎn)生共模噪聲，這些噪聲電流難以濾除，而且由于流過(guò)路徑較長(zhǎng)，便會(huì)產(chǎn)生發(fā)射現(xiàn)象。一種很有效的技術(shù)是將次級(jí)地用小電容連接到初級(jí)電源線上，從而為這些共

20、模電流提供一條返回路徑，但要注意安全，千萬(wàn)別超出安全標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)明的總的泄漏地電流，這個(gè)電容也有助于次級(jí)濾波器更好的工作。線圈匝間屏蔽（隔離變壓器內(nèi)）可以更有效地抑制次級(jí)上感應(yīng)的初級(jí)開(kāi)關(guān)噪聲。雖然也曾有過(guò)五層以上的屏蔽，但三層屏蔽更常見(jiàn)。靠近初級(jí)線圈的屏蔽通常連到一次電源線上，靠近次級(jí)線圈的屏蔽經(jīng)常連到公共輸出地（若有的話），中間屏蔽體一般連到機(jī)殼。在樣機(jī)階段最好反復(fù)實(shí)驗(yàn)以找到線圈匝間屏蔽的最好的連接方式。以上兩項(xiàng)技術(shù)也能減小輸入端上感應(yīng)的次級(jí)開(kāi)關(guān)噪聲。適當(dāng)大小的輸出電感可以將次級(jí)交流波形變成半正弦波（圖7上半部分），因此可以顯著地減小變壓器繞組間噪聲（直流紋波和噪聲）。但這仍將在波形不連續(xù)處產(chǎn)生噪

21、聲騷擾，比較好的方法采用適當(dāng)大小的兩邊繞線的磁性元件，如圖7下半部分所示，這里的黑點(diǎn)標(biāo)志繞線的始端（一般慣例），這樣便可在次級(jí)得到無(wú)噪聲的完整正弦波，還能改善直流紋波和噪聲，同時(shí)也能減小發(fā)射。 圖7 用輸出電感改善輸出噪聲 1.3.6時(shí)鐘擴(kuò)頻與數(shù)字時(shí)鐘擴(kuò)頻相似的一項(xiàng)技術(shù)，防止發(fā)射集中在幾個(gè)窄帶頻點(diǎn)，這在開(kāi)關(guān)電源中同樣有效，擴(kuò)頻范圍經(jīng)常比1%或2%大很多，有些大功率電源生產(chǎn)商幾乎采用白噪聲。 1.4 信號(hào)通信器件及電路設(shè)計(jì)1.4.1最好使用非金屬導(dǎo)線通信金屬電纜通信有許多EMC問(wèn)題。從EMC方面考慮，最佳通信方式是紅外線（如IRDA）或光纖，只要發(fā)射機(jī)噪聲不是很大且接收機(jī)有一定的抗擾性（目前金屬

22、外殼屏蔽的種類(lèi)很多）就不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。使用不含金屬的光纖時(shí)，經(jīng)?？梢灾苯訉⒐饫w穿過(guò)屏蔽體連接到內(nèi)部PCB板或電路模塊上，而不會(huì)破壞屏蔽體的屏蔽效能；然而，金屬電纜則必須在穿過(guò)屏蔽體的地方進(jìn)行濾波和/或屏蔽搭接。1.4.2金屬導(dǎo)線通信技術(shù)單端信號(hào)通信技術(shù)在發(fā)射和抗擾度方面的EMC性能都很差，因此僅限于在低頻、低數(shù)據(jù)傳輸率和短距離場(chǎng)合應(yīng)用。只要保持PCB所有軌線下的地線面的完整性，同時(shí)不通過(guò)任何連接器或電纜，這種通信方式就不會(huì)有不良影響。因此單一PCB 產(chǎn)品往往是成本最低的。為了獲取優(yōu)質(zhì)完整信號(hào)和EMC特性，高頻或遠(yuǎn)程（有時(shí)甚至在線路板上 ）信號(hào)需用平衡信號(hào)來(lái)發(fā)送和接收，這將在本節(jié)著重討論。圖8是一

23、個(gè)優(yōu)劣對(duì)比的例子，該實(shí)例中傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)通過(guò)電纜連接到一個(gè)放大器上。在第一種連接中，將電纜屏蔽層和零電壓點(diǎn)連接起來(lái)是不好的，這里使用的“小辮”連接方式也不好，另外電纜屏蔽層僅一端接地同樣是不可取的。在寬闊或工業(yè)場(chǎng)地中，當(dāng)電纜屏蔽層兩端接地時(shí)，會(huì)有電纜屏蔽層發(fā)熱的問(wèn)題，要解決這個(gè)問(wèn)題應(yīng)采用在平行地導(dǎo)體（PEC）上鋪設(shè)通信電纜以使兩端等電位的方法，而不能采用將屏蔽層一端懸浮起來(lái)的方法來(lái)解決。這個(gè)PEC可以是接地網(wǎng)狀的金屬件、電纜管或?qū)ｉT(mén)為此目的而鋪設(shè)的較粗的標(biāo)準(zhǔn)電纜。對(duì)電纜鋪設(shè)方面的EMC技術(shù)的進(jìn)一步討論超出了本節(jié)范圍，但I(xiàn)EC61000-5-2是很有用的參考資料。 圖8通信中的正確與錯(cuò)誤

24、連接 對(duì)于低頻信號(hào)（1MHz以下）通信中，出于抗擾度的考慮，采用較高電壓是有好處的，但對(duì)于10MHz以上的頻率，這將引起較強(qiáng)發(fā)射，因此應(yīng)采用較低的電壓（例如用于ECL和LVD芯片的電壓）。傳輸線技術(shù)對(duì)高速模擬或數(shù)字信號(hào)是必要的，這取決于連接線長(zhǎng)度和通信的最高頻率（見(jiàn)第5章）。即使是低頻信號(hào)，在其內(nèi)部連接采用傳輸線技術(shù)，也將使其抗擾度大大提高。平衡驅(qū)動(dòng)/接收電路在減少發(fā)射和改善抗擾度上更為有效，RS485是平衡通信的一個(gè)例子。最重要的一點(diǎn)是在整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到良好的平衡輸入/輸出。使用平衡輸入/輸出接收/驅(qū)動(dòng)芯片是最基本的方法，但也可用隔離變壓器，這還可增加共?？箶_度。為獲得最佳的發(fā)射和抗擾度性

25、能，采用平衡結(jié)構(gòu)的雙絞線或屏蔽雙絞電纜是必要的。雙絞線中的微小差異（即使是標(biāo)識(shí)絕緣材料的顏料的介電常數(shù)）也是相當(dāng)重要的。平衡是非常重要的，因此在高性能電路中，即使PCB布局本身也要處于物理平衡（鏡像）狀態(tài)，同時(shí)務(wù)必將平衡線布置在線路板的同一層。平衡所獲得的效果用共模抑制比（CMPR）來(lái)度量。當(dāng)用變壓器獲得電隔離時(shí)，其繞組間電容限制了高頻時(shí)的CMRR。為了在所關(guān)心的整個(gè)頻帶內(nèi)獲得連續(xù)的良好共模抑制性能，要串聯(lián)一個(gè)共模扼流圈。共模扼流圈一定要貼近電纜或連接器。即使采用平衡輸入/輸出芯片，其CMRR在較高頻率也會(huì)降低，因此也需要共模扼流圈。圖9說(shuō)明了這兩個(gè)例子，這兩種方法對(duì)任意速率或頻帶的數(shù)字及模擬

26、通信都能改善發(fā)射和抗擾度。圖10表明如何選擇變壓器及共模扼流圈，以使所關(guān)心的整個(gè)頻帶都具有良好的CMPR。 圖9 性能良好的高速電路實(shí)例 圖10 選擇磁性器件使全頻段內(nèi)有較高的CMRR 對(duì)于專(zhuān)業(yè)的音頻通信網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)頻率延伸到20Hz或更低，因此隔離變壓器需要做得很大，其繞組間巨大的寄生電容使CMPR在1MHz以就下降至0，因此需要更大的共模扼流圈，以保證在100kHz以下的仍有一定的CMRR。很難找到一個(gè)在整個(gè)頻段內(nèi)都能提供理想的CMPR的共模扼流圈， 因此要解決整個(gè)頻段內(nèi)的共模抑制問(wèn)題可能需要將兩個(gè)以上的共模扼流圈串聯(lián)起來(lái)。當(dāng)使用同軸電纜而不用雙絞線或屏蔽雙絞線時(shí)，若EMC和信號(hào)完整性受到破

27、壞，圖11中所使用的技術(shù)將有助于獲得最大的改善。 圖11 一些性能較低的通信電路 很多通信仍是低頻或低速率的，其信號(hào)并非很容易引起發(fā)射或受到干擾（例如，進(jìn)出8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)就沒(méi)有12位轉(zhuǎn)換器敏感，事實(shí)上16位和更高位的轉(zhuǎn)換器會(huì)更敏感）這樣的信號(hào)經(jīng)常在多芯電纜中以單根導(dǎo)線傳送以節(jié)省成本，如圖12示（RS232應(yīng)用的一個(gè)例子）。這里一根電纜有N股芯線，最好在電纜每一端通過(guò)有N個(gè)繞組的共模扼流圈連到電路上，圖12表明了一8芯電纜上使用的7繞組共模扼流圈，因?yàn)橐桓揪€按RS232標(biāo)準(zhǔn)連到機(jī)殼地。RS232僅適于短程通信，因?yàn)槠鋯味诵盘?hào)在以發(fā)射方式輻射能量時(shí)，其完整性很快受損。因此，盡管圖12（

28、圖11底部電路也如是）看似很簡(jiǎn)單，但單端信號(hào)的使用需要注意共模抑制和/或電纜和/或連接器的質(zhì)量，（電纜、連接器種類(lèi)和質(zhì)量在第二章討論）。使用具有很慢輸出沿的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可大大降低發(fā)射程度，另外，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路可經(jīng)過(guò)濾波來(lái)減少其高頻分量。 圖12 低速率數(shù)據(jù)電路的例子（這是RS232） 1.4.3光隔離器光隔離器對(duì)數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)常用的技術(shù)，但典型光耦的輸入/輸出電容大約為1pF,這在10MHz以上的頻率范圍內(nèi)阻抗很低，通過(guò)與電路阻抗相配合，便破壞了電纜中信號(hào)的平衡。如前所述，選擇合適的共模扼流圈將恢復(fù)高頻時(shí)的平衡，解決在進(jìn)行快速前沿信號(hào)通信時(shí)具有的發(fā)射或抗擾度問(wèn)題，圖13是在高速光隔離連接中的一個(gè)

29、成功例子。 圖13 高速率光耦 許多低速數(shù)據(jù)信號(hào)中使用光耦，并且經(jīng)常采用同軸或多芯電纜，多芯電纜中的每一根導(dǎo)線傳輸一路信號(hào)，并有一根公共回流線。這些實(shí)例中，只要在接到光耦的每根信號(hào)線上串聯(lián)一個(gè)鐵氧體磁環(huán)就能有效地控制高頻干擾?，F(xiàn)在，模擬信號(hào)也能通過(guò)光耦進(jìn)行隔離，線性度可達(dá)0.1%（例如，用IL300等器件）。 1.4.4外部I/O保護(hù)外部I/O電纜完全暴露在電磁環(huán)境中。對(duì)給定的信號(hào)和半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，以上各圖中EMC性能較好的電路僅需要較少的濾波或保護(hù)措施。所有上述的通信電路都可能需要額外的濾波以滿足電磁兼容要求。對(duì)于ESD、瞬態(tài)和浪涌現(xiàn)象，如果圖9、圖11、.圖13各圖中的上半部分電路中的隔離

30、變壓器或光耦能經(jīng)受住所施加的電壓，則能夠提供較好的保護(hù)。射頻濾波也能對(duì)ESD或快速瞬變脈沖提供一定程度的保護(hù)作用。以上無(wú)隔離變壓器或光耦的電路幾乎均需用二極管或瞬態(tài)抑制器進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，但在低速數(shù)據(jù)流或低頻時(shí)采取有力的濾波措施也能解決問(wèn)題。對(duì)于控制信號(hào)，可在緊靠連接器的地方串聯(lián)10K或100K電阻，然后用100nF或10 nF 的電容接到PCB地線面上，這樣對(duì)幾乎所有電磁干擾都會(huì)產(chǎn)生很好的屏障作用，不過(guò)這樣會(huì)使邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)變得遲緩。數(shù)字通信通常需遵循完善的數(shù)字協(xié)議，以防止數(shù)據(jù)沖突，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置只是阻止對(duì)半導(dǎo)體器件的物理?yè)p壞。在樣機(jī)電路板上預(yù)留布置額外保護(hù)性器件的地方，同時(shí)要及早測(cè)試，以弄清其必

31、要性。1.4.5“無(wú)地”和“浮地”通信電隔離的另一說(shuō)法是“無(wú)地”和“浮地”，但這些術(shù)語(yǔ)常被誤解或誤用。以上采用隔離變壓器或光耦的電路都是“無(wú)地”和“浮地”的極好例子，因?yàn)樵跊](méi)有電流從通信設(shè)備經(jīng)0V或機(jī)殼在TX和RX 間流動(dòng)。即使電纜屏蔽層兩端被連接到機(jī)殼上，也是這樣。事實(shí)上，泄漏電流會(huì)流過(guò)寄生電容，在CMRR很小時(shí)這個(gè)電流可意外地達(dá)到很大的值。術(shù)語(yǔ)“無(wú)地”和“浮地”有時(shí)也用于電平衡輸入或輸出，如圖9的下半部分電路。盡管CMRR特性較好的電路仍會(huì)通過(guò)0V或機(jī)殼產(chǎn)生低的泄漏，但這種電路并沒(méi)有進(jìn)行電隔離，對(duì)浪涌更脆弱。電平衡電路也因兩導(dǎo)線中某一條不經(jīng)意接地時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象而引起注意。需要注意的是，實(shí)

32、際的隔離效果受到給兩邊設(shè)備供電的電源本身隔離效果的限制。決不能試圖通過(guò)去掉任意一個(gè)設(shè)備的保護(hù)地來(lái)獲得“無(wú)地"，這樣將導(dǎo)致嚴(yán)重人身傷害后果，同時(shí)也與必須遵循的幾條標(biāo)準(zhǔn)相抵觸。若存在“地環(huán)路”問(wèn)題，可用適當(dāng)?shù)碾娐泛桶惭b技術(shù)（比如PEC），但千萬(wàn)別犧牲安全性。最好避免象“無(wú)地”和“浮地”之類(lèi)的術(shù)語(yǔ)，代之以簡(jiǎn)單電路術(shù)語(yǔ)陳述實(shí)際所需或想要表示的意思。屏蔽層不能兩端端接的情況：在一些場(chǎng)合，明確規(guī)定不能通過(guò)電纜屏蔽層或其他導(dǎo)體連到設(shè)備地，有關(guān)設(shè)備依然連到電源系統(tǒng)地，但接地系統(tǒng)用特殊方式進(jìn)行控制。這不利于用低成本獲得EMC，屏蔽層僅一端連接將使電路及其導(dǎo)體的平衡更加重要，這對(duì)一個(gè)給定信號(hào)來(lái)說(shuō)，想達(dá)到

33、預(yù)期的發(fā)射及抗擾度特性更困難，而且費(fèi)用更昂貴。就安全性而言，還要注意表面漏電流和絕緣間距。在較大的設(shè)備上，當(dāng)屏蔽層沒(méi)有兩端端接時(shí)，脈沖可在未連接處引起電弧，還可能引發(fā)火災(zāi)或有毒氣體。當(dāng)脈沖到來(lái)時(shí)，若人體碰巧觸摸屏蔽層和其他設(shè)備，人體也能感覺(jué)到電流的沖擊。很顯然，若電纜屏蔽層兩端不端接，則會(huì)在一些電纜和電路器件上增加額外的電氣及EMC壓力，使脈沖、瞬變和ESD破壞更容易發(fā)生。1.4.6危險(xiǎn)區(qū)和高度安全通信在正常和異常條件下，需采取特殊的裝置限制最大有效功率，有時(shí)也需要其它一些限制。由專(zhuān)業(yè)化公司制造的這些裝置的EMC性能是至關(guān)重要的。1.4.7通信協(xié)議數(shù)字通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)發(fā)射和抗擾度來(lái)說(shuō)是極其重

34、要的，購(gòu)買(mǎi)執(zhí)行這些協(xié)議的芯片比自己研制好得多。一般的協(xié)議簡(jiǎn)單明了，但卻不利于EMC。執(zhí)行CAN 、MIL5TD1553、LONWORKS等協(xié)議的芯片內(nèi)凝聚了數(shù)百個(gè)人年的干擾抑制經(jīng)驗(yàn)，任何一個(gè)普通的工程組都不能與之相比，因此多花點(diǎn)錢(qián)購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的產(chǎn)品是值得的。本章不進(jìn)一步討論協(xié)議的具體內(nèi)容。1.5無(wú)源器件的選擇所有的無(wú)源器件都包含寄生電阻，電容和電感。在高頻及EMC問(wèn)題容易發(fā)生的高頻段，這些寄生參數(shù)經(jīng)常占主導(dǎo)地位，并使器件功能徹底發(fā)生變化。例如，在高頻，碳膜電阻或者變成電容（由于大約0.2PF的旁路電容C），或者變成電感（由于引線自感和螺線），這二者甚至?xí)C振，從而使結(jié)果變得更為復(fù)雜；線繞電阻在幾干

35、赫茲以上是無(wú)用的，而1k以下的碳膜電阻直到幾百兆赫茲仍保持其電阻性。電容由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其外引線自感的影響會(huì)發(fā)生諧振，超過(guò)第一個(gè)諧振頻率點(diǎn)后，就呈現(xiàn)顯著的感抗。從EMC角度，表貼元件是首選器件，因?yàn)槠浼纳鷧?shù)小得多，而且能在直到很高的頻率提供令人滿意的參數(shù)。比如，表貼電阻（1k(以下）在1GHz時(shí)仍保持電阻性。對(duì)器件的限制還有功率（尤其是對(duì)付浪涌的）、dv/dt承受能力（若dv/dt值過(guò)大，固體鉭電容就會(huì)短路），di/dt承受能力等。嚴(yán)重的溫度系數(shù)也會(huì)影響無(wú)源器件，必要時(shí)要降額使用。對(duì)電容而言，陶瓷介質(zhì)常具有最好的高頻率特性，所以表貼陶瓷電容往往是最好的。有些陶瓷介質(zhì)具有很大的溫度或電壓系數(shù)，

36、但COG或NPO材料沒(méi)有溫度及電壓系數(shù)可言，是性能非常穩(wěn)定的高質(zhì)量高頻率電容器。但當(dāng)容量大于1nF時(shí)，其外形比較大，且比其它介質(zhì)的陶瓷電容貴得多。SMD元件較有引線的元件的功率標(biāo)稱值低，但由于大功率往往發(fā)生在較低頻率，在這些地方還是可以使用引腳元件的。磁性元件應(yīng)具有閉合磁路，這已在上面提到過(guò)，這對(duì)抗擾度和發(fā)射都是重要的。若不可完全避免（收音機(jī)磁性天線是什么形狀？），使用棒狀磁芯扼流圈和電感時(shí)必須倍加小心。即使用在線性電源中的電源變壓器，在把級(jí)間屏蔽層接至保護(hù)地時(shí)，也可以有較好的EMC特性。無(wú)源器件的所有這些非理想性，使濾波器設(shè)計(jì)比教科書(shū)中介紹的電路復(fù)雜得多，而且沒(méi)有仿真分析工具可用。當(dāng)將無(wú)源器

37、件在高頻下使用時(shí)，（例如，將高達(dá)1GHz的干擾電流耦合至地平面），了解所有的寄生參數(shù)是十分有用的，通過(guò)簡(jiǎn)單的累加可以推斷其影響。合格器件的生產(chǎn)廠商向用戶提供了產(chǎn)品有關(guān)的寄生數(shù)據(jù)，有時(shí)甚至還提供寬頻帶范圍的阻抗特性（這些常常揭示出器件自身的諧振）。有些無(wú)源器件需安全評(píng)定，尤其是連到危險(xiǎn)電壓上的所有器件，交流電源通常是最嚴(yán)重的。最好只使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)且印有其識(shí)別標(biāo)志（SEMKO、DEMKO、VDE、UL、CSA等等）的元件。但元件上的標(biāo)識(shí)符號(hào)并不意味什么，更好的辦法是給符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件取得全部測(cè)試認(rèn)證的一份副本，同時(shí)檢查應(yīng)注意的一切現(xiàn)象。如果在高速信號(hào)的場(chǎng)合或要滿足EMC的場(chǎng)合使用寄生參數(shù)未知的

38、無(wú)源器件，可能要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)，并推遲產(chǎn)品推上市場(chǎng)的時(shí)間。  2 電纜都是天線 2.1 頻譜利用及潛在的干擾圖14給出了日常生活中常用的頻率范圍，包括交流電源頻率、音頻、長(zhǎng)、中、短波收音機(jī)占有的頻段、調(diào)頻及電視廣播、蜂窩電話常用的900MHz及1.8GHz。但實(shí)際的頻譜遠(yuǎn)比這擁擠得多，9KHz以上的頻段幾乎都被用于特定的場(chǎng)合。隨著微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活，該圖中所示的頻率也很快將擴(kuò)展至10GHz（甚至100GHz）。圖15在圖14上覆蓋了一些大家不太熟悉的頻譜，這些頻譜是普通電氣及電子設(shè)備所發(fā)射的。圖14 日常生活中使用的頻率 圖15 疊加我們產(chǎn)生的干擾后的頻譜 交流電源整

39、流器件在基頻至相當(dāng)高的諧波頻率范圍內(nèi)均可發(fā)射開(kāi)關(guān)噪聲，具體情況取決于這些器件的功率。5千伏安左右的電源（線性或開(kāi)關(guān)模式）由于其50或60Hz橋式整流所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲，通常在數(shù)MHz頻率以下不能滿足傳導(dǎo)發(fā)射的限制要求?？煽毓柚绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及交流移相控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲也大致如此。這些噪聲極易干擾中長(zhǎng)波和部分短波廣播。開(kāi)關(guān)電源的工作基頻一般在2kHz至500kHz之間。開(kāi)關(guān)電源在其工作頻率1000倍的頻率處仍具有很強(qiáng)的發(fā)射是常見(jiàn)的。圖15給出了個(gè)人計(jì)算機(jī)中常用的頻率為70kHz的開(kāi)關(guān)電源的發(fā)射頻譜。這將干擾包括調(diào)頻廣播在內(nèi)的廣播通信。圖15中還給出了由16MHz時(shí)鐘微處理器或微控制器產(chǎn)生的典型發(fā)

40、射頻譜。這些器件的發(fā)射通常會(huì)在200MHz甚至更高的頻率超過(guò)發(fā)射極限值。目前，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)采用400MHz甚至1GHz以上的時(shí)鐘頻率，因此數(shù)字技術(shù)必然會(huì)對(duì)高端頻譜產(chǎn)生干擾。之所以會(huì)發(fā)生以上各種現(xiàn)象，是因?yàn)樗袑?dǎo)體都是天線。它們把傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)變成電磁場(chǎng)，然后泄漏到廣闊的環(huán)境中。同時(shí)，它們也能把其周?chē)碾姶艌?chǎng)轉(zhuǎn)變成傳導(dǎo)電信號(hào)。這是放之四海而皆準(zhǔn)的真理。因此，導(dǎo)體是信號(hào)產(chǎn)生輻射發(fā)射的主要原因，也是外來(lái)場(chǎng)使信號(hào)受到污染的原因（敏感度和抗擾度）。2.2 導(dǎo)體的泄漏與天線效應(yīng)電場(chǎng)（E）由導(dǎo)體上的電壓產(chǎn)生，磁場(chǎng)（M）由環(huán)路中流動(dòng)的電流產(chǎn)生。導(dǎo)體上的各種電信號(hào)均可產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng)，因此，所有導(dǎo)體都可將其上的電

41、信號(hào)泄漏至外部環(huán)境中，同時(shí)也將外部場(chǎng)導(dǎo)入信號(hào)中。在遠(yuǎn)大于所關(guān)心頻率的波長(zhǎng)（）的1/6處，電場(chǎng)和磁場(chǎng)匯合成包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)的完整電磁場(chǎng)（平面波）。例如：對(duì)于30MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1.5m；對(duì)于300MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在150m；對(duì)于900MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在50m。因此隨著頻率的增加，僅僅把導(dǎo)體視為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的發(fā)射和接收器是不夠的，如圖16示。 圖16 電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨著距離增加變?yōu)殡姶艌?chǎng) 隨頻率增加的另一個(gè)效應(yīng)是：當(dāng)波長(zhǎng)（）與導(dǎo)體的長(zhǎng)度比擬時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振。這時(shí)信號(hào)信號(hào)幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)（或反之）。例如，標(biāo)準(zhǔn)的振子天線僅是一段導(dǎo)線，但當(dāng)其長(zhǎng)度為信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，便是一個(gè)將信號(hào)

42、轉(zhuǎn)變成場(chǎng)的極好的轉(zhuǎn)換器。雖然這是一個(gè)很簡(jiǎn)單的事實(shí)，但對(duì)于使用電纜及連接器的技術(shù)人員而言，認(rèn)識(shí)到所有的導(dǎo)體都是諧振天線這一點(diǎn)很重要。 顯然，我們希望它們都是效率很低的天線。如果假定導(dǎo)體是一個(gè)振子天線（很適合我們的目的），我們就可以利用圖17來(lái)幫助我們分析。 圖17 電纜長(zhǎng)度與天線效率 圖17的縱軸表示導(dǎo)體長(zhǎng)度（單位：米），為了便于觀察，將圖15的頻譜復(fù)制出來(lái)。最右邊的斜線給出了導(dǎo)體成為理想天線時(shí)導(dǎo)體的長(zhǎng)度與頻率的關(guān)系。很明顯，在常用的頻段內(nèi)，即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問(wèn)題?？梢钥吹剑?00MHz處，1米長(zhǎng)的導(dǎo)體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導(dǎo)體就成為很好的天線。這個(gè)簡(jiǎn)單的

43、事實(shí)就是使EMC被稱為“黑色藝術(shù)”的主要原因。前幾年， 日常生活中廣泛使用的頻率都較低，典型的電纜不能成為很有效的天線，這就是為什么電氣配線“慣例”趨于過(guò)時(shí)的原因。圖17中，中間的斜線表示雖然導(dǎo)體沒(méi)有成為高效的天線，但仍有可能引起問(wèn)題的導(dǎo)體長(zhǎng)度。左邊的斜線表示導(dǎo)體的長(zhǎng)度極短，其天線效應(yīng)可忽略的情況（特別嚴(yán)格的產(chǎn)品除外）。有人說(shuō)：“沒(méi)問(wèn)題，我已經(jīng)接地了”，你聽(tīng)這話多少次了？在EMC業(yè)界人士中，射頻是色盲是經(jīng)常的笑話。因此不能將傳輸射頻信號(hào)的黃/綠色導(dǎo)線（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全地線為黃/綠色）想象成很好的地，并且，所有用于接地的導(dǎo)體也都是天線。2.3 所有電纜受其固有電阻、電容、電感影響暫時(shí)不考慮場(chǎng)和

44、天線的作用，先看下面幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子。這些例子可以說(shuō)明：在常用的頻率范圍內(nèi)，與理想狀態(tài)微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體上所傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)問(wèn)題。*直徑1mm的導(dǎo)線，在160MHz時(shí)，其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50倍還要多，這是趨膚效應(yīng)的結(jié)果，迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導(dǎo)體最外層5微米厚度范圍內(nèi)。*長(zhǎng)度為25 mm，直徑為1 mm的導(dǎo)線具有大約1pF左右的寄生電容。這聽(tīng)起來(lái)似乎微不足道，但在176MHz時(shí)呈現(xiàn)大約1k的負(fù)載作用。若這根25 mm長(zhǎng)的導(dǎo)線在自由空間中，由理想的峰-峰電壓為5V、頻率為16MHz的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，則在16MHz的十一次諧波處，僅驅(qū)動(dòng)這根導(dǎo)線就要0.45mA的電流。*連接器中的引腳長(zhǎng)度

45、大約為10mm，直徑為1 mm，這根導(dǎo)體具有大約10nH左右的自感。這聽(tīng)起來(lái)也是微不足道的，但當(dāng)通過(guò)它向母板總線傳輸16MHz的方波信號(hào)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)電流為40mA，則連接器針上的電壓跌落大約在40mV左右，足以引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性和/或EMC方面的問(wèn)題。*1米長(zhǎng)的導(dǎo)線具有大約1H左右的電感，當(dāng)把它用于建筑物的接地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便會(huì)阻礙浪涌保護(hù)裝置的正常工作。*濾波器的100 mm長(zhǎng)的地線的自感可達(dá)100nH，當(dāng)頻率超過(guò)5MHz時(shí)，會(huì)導(dǎo)致濾波器失效。*4米長(zhǎng)的屏蔽電纜，如果其屏蔽層以長(zhǎng)度為25mm“小辮”方式端接，則在30MHz以上的頻率就會(huì)使電纜屏蔽層失去作用。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：對(duì)于直徑2 mm以下的導(dǎo)線，其

46、寄生電容和電感分別是：1pF / 英寸和1 nH/毫米（對(duì)不起沒(méi)有統(tǒng)一單位，但這更容易記憶）。其簡(jiǎn)單的算術(shù)關(guān)系式如下： 2.4 避免使用導(dǎo)體 以上的種種分析表明：隨著頻率升高，電纜的問(wèn)題越來(lái)越多。用它來(lái)完整地傳輸信號(hào)和防止它產(chǎn)生泄漏越來(lái)越困難。即使對(duì)諸如音頻之類(lèi)的低頻信號(hào)，電纜也開(kāi)始呈現(xiàn)越來(lái)越多的問(wèn)題。由于所有的半導(dǎo)體器件在直到數(shù)百M(fèi)Hz的頻段（即使象LM324之類(lèi)的低速運(yùn)放）內(nèi)都具有晶體檢波器的特性，所以電纜天線效應(yīng)會(huì)使音頻信號(hào)不知不覺(jué)地受到污染。因此，從以最經(jīng)濟(jì)的手段滿足EMC要求的角度來(lái)說(shuō)，最好徹底避免金屬電纜和連接器?？梢允褂梅墙饘賹?dǎo)線進(jìn)行通信，目前已經(jīng)有許多類(lèi)似的產(chǎn)品出現(xiàn)，

47、包括：*光纖（更適宜非金屬導(dǎo)線場(chǎng)合）*無(wú)線通信（例如：Bluetooth；局域網(wǎng)）*紅外（例如：IrDA）*自由空間微波和激光通信（例如：兩建筑物之間）2.4.1 非導(dǎo)體產(chǎn)品的成本/效益分析許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為：只有采用傳統(tǒng)的電纜和導(dǎo)線才能壓縮成本。但當(dāng)考慮到一個(gè)完整項(xiàng)目的成本、產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性、安裝等諸多因素時(shí)，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，光纖或無(wú)線通信的總成本較低。當(dāng)然，這時(shí)一切都晚了。對(duì)于信號(hào)電纜及連接器而言，除了最簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品以外，原材料價(jià)格與銷(xiāo)售價(jià)格沒(méi)有什么必然的聯(lián)系。對(duì)信號(hào)完整性、EMC兼容性、過(guò)充電的危險(xiǎn)、高返修率的風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量投訴、產(chǎn)品滯銷(xiāo)等方面進(jìn)行正確的成本/效益分析是十分必要的

48、。設(shè)計(jì)工程師們不愿考慮他們?cè)O(shè)計(jì)出的產(chǎn)品所具有的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，但他們是唯一決定產(chǎn)品是否具有競(jìng)爭(zhēng)力的人（通常需求是由市場(chǎng)人員提出）。但是，如果電子工程師們一味地只考慮產(chǎn)品的功能參數(shù)和原材料價(jià)格，那么，他們公司將失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還會(huì)承受不可預(yù)測(cè)的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。2.5 電纜隔離和布局電纜安裝規(guī)則不是本書(shū)所討論范圍，但產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要了解這些規(guī)則，以設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外部連接。下面簡(jiǎn)單概述一下標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-5-2：1997和其它一些標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于信息設(shè)備和遠(yuǎn)程通信設(shè)備安裝方面的建議。A. 所有建筑物要按照BS6651 附錄 C的規(guī)定或等價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)安裝雷電保護(hù)系統(tǒng)，至少將其內(nèi)部搭接網(wǎng)絡(luò)與大地連接起來(lái)。在建筑物中，所有

49、鋼材、金屬件、電纜輸送管、導(dǎo)管、設(shè)備機(jī)殼、接地導(dǎo)體應(yīng)交叉搭接，形成三維搭接網(wǎng)絡(luò)，搭接網(wǎng)格尺寸不得大于4米。B. 將電源電纜和信號(hào)電纜從最敏感到噪聲最強(qiáng)至少分成“四級(jí)”。C. 設(shè)備單元之間的電纜在單一路徑上分布（因此要求設(shè)備具有單一的連接面板），但在不同電纜之間應(yīng)至少保留最低間隙。D. 只要沒(méi)有設(shè)備廠家的明文禁止，都應(yīng)該將電纜屏蔽層兩端3600端接至設(shè)備屏蔽殼上。E. 將所有電纜貼近構(gòu)成地線網(wǎng)格的導(dǎo)體或金屬件分布，防止過(guò)多的屏蔽層電流。F. 當(dāng)沒(méi)有建筑網(wǎng)格地時(shí)，可采用電纜托架、電纜輸送管、導(dǎo)管等來(lái)代替，要是這些都沒(méi)有，可采取較粗的接地導(dǎo)體，用它構(gòu)成平行地導(dǎo)體（PEC）。PEC必須兩端搭接到設(shè)備機(jī)

50、殼地，同時(shí)信號(hào)電纜要沿著它布置。隔離的需求、PEC、屏蔽層兩端搭接都會(huì)影響互聯(lián)電纜面板布局的設(shè)計(jì)、連接器種類(lèi)選擇、搭接重型PEC方法等因素。圖18給出了用屏蔽電纜和非屏蔽電纜將屏蔽殼體連接起來(lái)的技術(shù)。 圖18 安裝屏蔽機(jī)箱時(shí)的正確方法 對(duì)于設(shè)備之間較短的連接（比如微機(jī)主機(jī)與顯示器、打印機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間的連接），假如所有的互聯(lián)設(shè)備均由同一電源線供電，并且所有連至建筑物其它部分的長(zhǎng)電纜（比如網(wǎng)絡(luò)電纜）全部被電隔離（例如以太網(wǎng)），則僅上面D項(xiàng)的要求（屏蔽電纜屏蔽層兩端與屏蔽機(jī)箱3600端接）是必須的。對(duì)家庭高保真音響及家庭影院系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些屏蔽搭接技術(shù)也是不可缺少的。然而，A項(xiàng)也經(jīng)常方便地用來(lái)保護(hù)

51、這些設(shè)備免受雷電帶來(lái)的損害。  2.6 選擇最優(yōu)電纜翻開(kāi)信號(hào)電纜生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品目錄，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使用于同一目的，可供選擇的電纜種類(lèi)也各式各樣。這就給人們一個(gè)提示：所有的電纜均有其不足之處。要想為具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇最好的電纜是相當(dāng)困難的，同時(shí)也可能相當(dāng)昂貴、相當(dāng)笨重、相當(dāng)硬的，同時(shí)只能專(zhuān)門(mén)訂貨，訂貨周期為26周，最小訂量為每卷5千米。 2.6.1 傳輸線傳輸線技術(shù)可以防止電纜成為諧振天線。當(dāng)信號(hào)電流環(huán)路的發(fā)送和回流導(dǎo)線靠得很近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合，其互電容和互電感的組合構(gòu)成了特性阻抗： 式中：L和C分別表示每單位長(zhǎng)度（所關(guān)心的最高頻率處的波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)）的電感和電容。對(duì)電纜和連

52、接器來(lái)說(shuō)，Z0可以計(jì)算出來(lái)，（對(duì)PCB走線也能算出，見(jiàn)本書(shū)第5章）當(dāng)Z0在互聯(lián)電纜的全長(zhǎng)上都保持恒定，且驅(qū)動(dòng)和/或輸出阻抗（源端和負(fù)載端）與Z0匹配時(shí)，就形成了受控阻抗的傳輸線，這種傳輸線不會(huì)發(fā)生諧振。導(dǎo)線的固有電感與電容也不會(huì)帶來(lái)太多問(wèn)題。這就是為什么射頻和所有測(cè)試設(shè)備均用50傳輸線電纜及連接器的原因，同時(shí)也是高速和/或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)總線和串行通信線路也采用傳輸線的原因（通常阻抗在50120之間）。世界上沒(méi)有十全十美的事情，即使電纜不諧振，并且是最好的傳輸線，輕微的泄漏依然是存在的。另外，在鋪設(shè)電纜過(guò)程中，由于彎折、形變、捆扎、擠壓、反復(fù)屈伸、損壞或與不適當(dāng)?shù)倪B接器配合使用，會(huì)引起阻抗Z0的變化，

53、從而進(jìn)一步使傳輸線性能降低（使泄漏增加）。不幸的是：在目前的高頻范圍內(nèi)，制造優(yōu)質(zhì)的傳輸線電纜互連線的成本是相當(dāng)高的。例如，微波測(cè)試設(shè)備使用的柔韌電纜，價(jià)格高達(dá)每米數(shù)百英鎊。這就是GHz以太網(wǎng)采用非屏蔽雙絞線的原因。這必須采用復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法以減小數(shù)據(jù)傳輸率并進(jìn)行隨機(jī)擴(kuò)展，且這需要四對(duì)線。因此，盡管傳輸線的性能非常好，它并不是解決電纜高頻問(wèn)題的萬(wàn)能手段。 2.6.2 設(shè)備內(nèi)部和外部連線的EMC考慮 在設(shè)備內(nèi)部，如果其屏蔽體及外部電纜的屏蔽和濾波都很好的話，幾乎任何一種類(lèi)型的導(dǎo)線和電纜都可使用，盡管信號(hào)的完整性將受到一定程度的損壞。這里的問(wèn)題就是對(duì)于高性能數(shù)字或模擬電子設(shè)

54、備，對(duì)其進(jìn)行屏蔽和濾波的成本將是很高的，而使用昂貴的內(nèi)部電纜反而要經(jīng)濟(jì)得多。最經(jīng)濟(jì)的方法是盡量避免在設(shè)備內(nèi)使用互聯(lián)電纜，使所有非光纖信號(hào)通過(guò)互插在一起的PCB走線傳輸（最好是單塊PCB，即使通過(guò)柔性線路板連接也不是很理想）。為了達(dá)到這個(gè)目的，PCB需按照第5章介紹的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使PCB的一面專(zhuān)門(mén)作為一個(gè)地線面。這一般都能減少屏蔽和濾波帶來(lái)的額外的成本，最大程度地降低產(chǎn)品成本，同時(shí)還因?yàn)檫@樣做能保持信號(hào)的完整性，所以還能夠減少反復(fù)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的次數(shù)。在設(shè)備外部，不管是數(shù)字產(chǎn)品還是模擬產(chǎn)品，包含單線信號(hào)的非屏蔽電纜問(wèn)題很大。對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波也不能使發(fā)射減少很多，因?yàn)閱尉€驅(qū)動(dòng)會(huì)在信號(hào)自身頻率處產(chǎn)生

55、大量的共模電流，從而使產(chǎn)品不能通過(guò)傳導(dǎo)或輻射發(fā)射的測(cè)試，具體情況取決于信號(hào)頻率。不論何種濾波措施，都將或多或少地影響信號(hào)，這是其不利的一面。對(duì)低頻模擬信號(hào)而言，采取濾波技術(shù)是很有效的，但在精度高于±0.05%（12位）時(shí)，濾波的成本及其電路板的面積將迅速增加。當(dāng)然，濾波器不能去除帶內(nèi)干擾（比如電源線的交流聲），但設(shè)計(jì)很好的平衡通信系統(tǒng)很容易能將其削除。 2.6.3 雙饋送導(dǎo)線當(dāng)不使用傳輸線時(shí)，總可以用雙導(dǎo)線。在與發(fā)送路徑盡可能近的地方為回流電流提供一個(gè)專(zhuān)門(mén)的饋送通路(不經(jīng)過(guò)任何地或屏蔽層)。即使用單線傳輸信號(hào)時(shí)，將所有回饋導(dǎo)線均接至一公共參考電位，也能起到一定的作用。由于磁

56、通補(bǔ)償效應(yīng)，回流電流在最接近發(fā)送導(dǎo)線路徑中流動(dòng)，而不會(huì)選擇其它電流路徑。利用此現(xiàn)象，可以使電纜中場(chǎng)模式恒定，同時(shí)也能減小電場(chǎng)和磁場(chǎng)的泄漏。圖19給出了基本原理，這在實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。 圖19 導(dǎo)體的布置 圖19表示的是一對(duì)電源線，其中一條線上裝有開(kāi)關(guān)，但同樣的原理也適合于信號(hào)線。在最高頻率處，要使電路仍能很好的工作，整個(gè)電流回路上的發(fā)送和返回導(dǎo)線的間距是至關(guān)重要的，決不要死套EMC原則。含有大量單線傳輸（即，以0V為參考點(diǎn)）信號(hào)的扁平電纜對(duì)EMC和信號(hào)完整性來(lái)說(shuō)是很不理想的。但對(duì)其屏蔽會(huì)導(dǎo)致僵硬、體積增大。建議在高檔的電纜組件中應(yīng)避免這種電纜。在扁平電纜中采用雙饋送導(dǎo)線技術(shù)可以顯著地改善其EMC特性，按下面順序來(lái)布置導(dǎo)線是最好的：回流線，信號(hào)線，回流線，信號(hào)線，回流線，.經(jīng)常建議采用但效果稍差的另一種辦法是：回流線，信號(hào)線，信號(hào)線，回流線，信號(hào)線，信號(hào)線，回流線，.在源端的扁平電纜上裝上扁平鐵氧體磁環(huán)（共模扼流圈）通?？梢燥@著改善其性能，因?yàn)?，在高頻時(shí)，導(dǎo)線對(duì)就如同由一個(gè)平衡的源驅(qū)動(dòng)一般。當(dāng)然如能使用適當(dāng)?shù)钠胶怛?qū)動(dòng)/接收電路就更好了