电路板级的EMC设计 （2）元件的选择和电路设计技术

文章目录

• 电路板级的EMC设计 （2）元件的选择和电路设计技术
• • 文档简介
  • 第二部分：元件的选择和电路设计技术
  • • 元件组
    • • 1.电阻
      • 2.电容
      • 3.电感
      • 4.二极管
    • 集成电路
    • 微控制器电路

文档简介

应用文档从元件选择、电路设计和印制电路板的布线等几个方面讨论了电路板级的电磁兼容性（EMC）设计

本文从以下几个部分进行论述：

• 第一部分：电磁兼容性的概述
• 第二部分：元件选择和电路设计技术
• 第三部分：印制电路板的布线技术

第二部分：元件的选择和电路设计技术

元件的选择和电路设计是影响板级电磁兼容性性能的主要因素。每一种电子元件都有它各自的特性，因此，要求在设计时仔细考虑。下面将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。

元件组

有两种基本的电子元件组：有引脚的和无引脚的元件。

有引脚线元件有寄生效果，尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感，大约是 1nH/mm/引脚。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应，大约有4pF。因此，引脚的长度 应尽可能的短。

与有引脚的元件相比，无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。其典型值为： 0.5nH的寄生电感和约0.3pF的终端电容。从电磁兼容性的观点看，表面贴装元件效果最好 ，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。

1.电阻

由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点，因此，表面贴装电阻总是优于有引脚电阻，对于有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是线绕电阻。

由于在相对低的工作频率下（约MHz数量级），金属膜电阻是主要的寄生元件，因此其适合用于高功率密度或和高准确度的电路中。

线绕电阻有很强的电感特性，因此在对频率敏感的应用中不能用它。它最适合用在大功率处理的电路中。

在放大器的设计中，电阻的选择非常重要。在高频环境下，电阻的阻抗会因为电阻的电感效应而增加。因此，增益控制电阻的位置应该尽可能的靠近放大器电路以减少电路板 的电感。

在上拉/下拉电阻的电路中，晶体管或集成电路的快速切换会增加上升时间。为了减小这个影响，所有的偏置电阻必须尽可能靠近有源器件及他的电源和地，从而减少PCB连线 的电感。

在稳压（整流）或参考电路中，直流偏置电阻应尽可能地靠近有源器件以减轻去耦效应（即改善瞬态响应时间）。 在RC滤波网络中，线绕电阻的寄生电感很容易引起本机振荡，所以必须考虑由电阻引起的电感效应。

2.电容

由于电容种类繁多，性能各异，选择合适的电容并不容易。但是电容的使用可以解决许多EMC问题。接下来的几小节将描述几种最常见的电容类型、性能及使用方法。铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔而制成，这样可在单位体积内得到较大的电容值，但也使得该部分的内部感抗增加。

钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成，其内部感抗低于铝电解电容。陶质电容的结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗，并且通常这将在低于MHz的区域造成阻抗。

绝缘材料的不同频响特性意味着一种类型的电容会比另一种更适合于某种应用场合。铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围 内（从KHz到MHz），陶质电容比较适合，常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗 （通常价格比较昂贵）陶质电容和云母电容适合于甚高频应用和微波电路。

为得到最好的EMC特性，电容具有低的ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）值是很重要的，因为它会对信号造成大的衰减，特别是在应用频率接近电容谐振 频率的场合。

a）旁路电容

旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求，一般在10至470µF范围内。若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。

b）去耦电容

有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100到1/1000。为了得到更好的EMC特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC），因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。

陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如，对一个33MHz的时钟信号，可使用4.7nF到100nF的电容；对一个100MHz时钟信号，可使用10nF的 电容。

选择去耦电容时，除了考虑电容值外，ESR值也会影响去耦能力。为了去耦，应该选择ESR值低于1欧姆的电容。

c）电容谐振

接下来简单讨论一下如何根据谐振频率选择旁路电容和去耦电容的值。如图3所示，电容在低于谐振频率时呈现容性，而后，电容将因为引线长度和布线自感呈现感性。表1列出了两种陶瓷电容的谐振频率，一种具有标准的0.25英寸的引脚和3.75nH的内部互连自感，另一种为表面贴装类型并具有1nH的内部自感。我们看到表面贴装类型的谐振频率是通孔插装类型的两倍。

另一个影响去耦效力的因素是电容的绝缘材料（电介质）。去耦电容的制造中常使用钡钛酸盐陶瓷（Z5U）和锶钛酸盐（NPO）这两种材料。Z5U具有较大的介电常数，谐振频率在1MHz到20MHz之间。NPO具有较低的介电常数，但谐振频率较高（大于10MHz）。 因此Z5U更适合用作低频去耦，而NPO用作50MHz以上频率的去耦。

常用的做法是将两个去耦电容并联。这样可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络产生的开关噪声。多个去耦电容的并联能提供6dB增益以抑制有源器件开关造成的射频电流。

多个去耦电容不仅能提供更宽的频谱范围，而且能提供更宽的布线以减小引线自感， 因此也就能更有效的改善去耦能力。两个电容的取值应相差两个数量级以提供更有效的去耦（如0.1 µF + 0.001 µF并联）。

需要注意的是数字电路的去耦，低的ESR值比谐振频率更为重要，因为低的ESR值可以提供更低阻抗的到地通路，这样当超过谐振频率的电容呈现感性时仍能提供足够的去耦能力。

3.电感

电感是一种可以将磁场和电场联系起来的元件，其固有的、可以与磁场互相作用的能力使其潜在地比其他元件更为敏感。和电容类似，聪明地使用电感也能解决许多EMC问题。

下面是两种基本类型的电感：开环和闭环。它们的不同在于内部的磁场环。在开环设计中，磁场通过空气闭合；而闭环设计中，磁场通过磁芯完成磁路。如图4所示。

电感比起电容和电阻而言的一个优点是它没有寄生感抗，因此其表面贴装类型和引线类型没有什么差别。

开环电感的磁场穿过空气，这将引起辐射并带来电磁干扰（EMI）问题。在选择开环电感时，绕轴式比棒式或螺线管式更好，因为这样磁场将被控制在磁芯（即磁体内的局部磁场）。

对闭环电感来说，磁场被完全控制在磁心，因此在电路设计中这种类型的电感更理想，当然它们也比较昂贵。螺旋环状的闭环电感的一个优点是：它不仅将磁环控制在磁心，还可以自行消除所有外来的附带场辐射。

电感的磁芯材料主要有两种类型：铁和铁氧体。

铁磁芯电感用于低频场合（几十KHz），而铁氧体磁芯电感用于高频场合（到MHz）。因此铁氧体磁芯电感更适合于EMC应用。

在EMC应用中特别使用了两种特殊的电感类型：铁氧体磁珠和铁氧体磁夹。铁和铁氧体可作电感磁芯骨架。铁芯电感常应用于低频场合（几十KHz），而铁氧体芯电感常应用于高频场合（MHz）。所以铁氧芯感应体更适合于EMC应用。

在EMC的特殊应用中，有两类特殊的电感：铁氧体磁珠和铁氧体夹。铁氧体磁珠是单环电感，通常单股导线穿过铁氧体型材而形成单环。这种器件在高频范围的衰减为10dB，而直流的衰减量很小。类似铁氧体磁珠，铁氧体夹在高达MHz的频率范围内的共模（CM）和差模（DM）的

衰减均可达到10dB至20dB。

在DC-DC变换中，电感必须能够承受高饱和电流，并且辐射小。线轴式电感具有满足该应用要求的特性。在低阻抗的电源和高阻抗的数字电路之间，需要LC滤波器，以保证电源电路的阻抗匹配，如图6所示。

电感最广泛的应用之一是用于交流电源滤波器，如图7所示。

图7中，L1是共模扼流圈，它既通过其初级电感线圈实现差分滤波，又通过其次级电感线圈实现共模滤波。L1、Cx1和Cx2构成差分滤波网络，以滤除进线间的噪声。L1、Cy1和Cy2构成共模滤波网络，以减小接线回路噪声和大地的电位差。对于50Ω的终端阻抗，典型的EMI滤波器在差分模式能降低50 dB/十倍频程，而在共模降低为40 dB/十倍频程。

4.二极管

二极管是最简单的半导体器件。由于其独特的特性，某些二极管有助于解决并防止与EMC相关的一些问题。表2列出了典型的二极管。

二极管的应用

许多电路为感性负载，在高速开关电流的作用下，系统中产生瞬态尖峰电流。二极管是抑制尖峰电压噪声源的最有效的器件之一。下面举例说明用二极管实现尖峰抑制。

如图8所示，控制终端开/关线圈，线圈中的开关尖峰脉冲将耦合并辐射到电路的其它

部分。二极管D1能嵌位电压的波动。

图9中的二极管用于抑制高压开关的尖峰电压。

图10是典型的变压和整流电路。D2是肖特基或齐纳二极管，用于抑制滤波后的尖峰瞬态噪声电压。

在汽车控制应用中，无论有刷还是无刷电机，当电机运行时，都将产生电刷噪声或换向噪声。因此需要噪声抑制二极管，为了改进噪声抑制效果，二极管应尽量靠近电机接点。

在电源输入电路中，需要用TVS或高电压变阻器进行噪声抑制。

信号连接接口的EMI问题之一是静电释放（ESD）。屏蔽电缆和连接器用于保护而不受外界静电的干扰。另一种方法是使用TVS或变阻器保护信号线。

集成电路

现代数字集成电路（IC）主要使用CMOS工艺制造。CMOS器件的静态功耗很低，但 是在高速开关的情况下，CMOS器件需要电源提供瞬时功率，高速CMOS器件的动态功率 要求超过同类双极性器件。因此必须对这些器件加去耦电容以满足瞬时功率要求。

（1）集成电路封装

现在集成电路有多种封装结构，对于分离元件，引脚越短，EMI问题越小。因为表贴器件有更小的安装面积和更低的安装位置，因此有更好的EMC性能，因此应首选表贴器件 。甚至直接在PCB板上安装裸片。

IC的引脚排列也会影响EMC性能。电源线从模块中心连到IC引脚越短，它的等效电感越少。因此VCC与GND之间的去耦电容越近越有效。

无论是集成电路、PCB板还是整个系统，时钟电路是影响EMC性能的主要因素。集成电路的大部分噪声都与时钟频率及其多次谐波有关。因此无论电路设计还是PCB设计都应该考虑时钟电路以减低噪声。合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小辐射。用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。

对于使用TTL和CMOS器件的混合逻辑电路，由于其不同的开关/保持时间，会产生时钟、有用信号和电源的谐波。为避免这些潜在的问题，最好使用同系列的逻辑器件。由于CMOS器件的门限宽，现在大多数设计者选用CMOS器件。由于制造工艺是CMOS工艺，因此微处理器的接口电路也优选这种器件。需要特别注意的是，未使用的CMOS引脚应该接地线或电源。在MCU电路中，噪声来自没连线/终端的输入，以至MCU执行错误的代码。

它也是设计微控制器接口首选的逻辑系列产品,这些微控制器也是基于CMOS技术制造的。关于CMOS设备，一个重要方面就是其不用的输入引脚要悬空或者接地。在MCU电路中，噪声环境可能引起这些输入端运行混乱，还导致MCU运行乱码。

（2）电压校准

对于典型的校准电路，适当的去耦电容应该尽可能近地放置在校准电路的输出位置，因为在跟踪过程中,距离在校准的输出和负荷之间将会产生电感影响，并引起校准电路的内部振动。一个典型例子，在校准电路的输入和输出中，加上0.1uF的去耦电容可以避免可能的内在振动和过滤高频噪声。除此之外，为了减少输出脉动，要加上一个相对大的旁路电容(10uF/A)。图11演示了校准电路的旁路和去耦电容。电容要放到离校准装置尽可近的地方。

（3）线路终端

当电路在高速运行时,在源和目的间的阻抗匹配非常重要。因为错误的匹配将会引起信号反馈和阻尼振荡。过量的射频能量将会辐射或影响到电路的其他部份，引起EMI(电磁兼容性)问题。信号的端接有助于减少这些非预计的结果。

信号端接不但能减少在源和目的之间匹配阻抗的信号反馈和振铃，而且也能减缓信号边沿的快速上升和下降。

有很多种信号端接的方法,每种方法都有其利弊。表3给出了一些信号端接方法的概要。

a)串联/源端接 (Series/Source Termination)

图12演示了串联/源端接方法。在源Zs和分布式的线迹Zo之间，加上了源端接电阻Rs，用来完成阻抗匹配。Rs还能吸收负载的反馈。

Rs必须离源驱动电路尽可能的近。Rs的值在等式Rs=(Zo-Zs)中是实数值。一般Rs大约取15－75欧的一个值。

b)并联端接

图13演示了并联端接方法。附加一个并联端接电阻Rp，这样 Rp // Zl就和Zo相匹配了。

但是这个方法对手持式产品不适用的，因为Rp的值太小了(一般为50欧)，而且这个方法很耗能量，再者这个方法还需要源驱动电路来驱动一个较高的电流([email protected],50欧)。

由于ZolCd的值还使这个方法增加了一个小的延时，这里Zol = Rp //ZL和Cd是负载的输入分流电容。

c)RC端接

图14演示了RC端接方法。这个方法类似于并联端接，但是增加了一个C1。和在并联端接方法中一样，R用于提供匹配Zo的阻抗。C1为R提供驱动电流并过滤掉从线迹到地的射频能量。因此，相比并联端接方法，RC端接方法需要的源驱动电流更少。

R和C1的值由Zo，Tpd(环路传输延迟)和Cd确定。

时间常数，RC = 3 x Tpd，这里R // Zl = Zo , C = C1 // Cd。

d)Thevenin端接

图15演示了Thevenin端接方法。此电路由上拉电阻R1和下拉电阻R2组成，这样就使逻辑高和逻辑低与目标负载相符。R1和R2的值由R1 // R2 = Zo决定。

R1 + R2 + ZL的值要保证最大电流不能超过源驱动电路容量。

举例来说, R1=220欧,R2=330欧

e)二极管端接 (Diode termination)

图16演示了二极管端接方法。除了电阻被二极管替换以降低损耗之外，它与Thevenin端接方法类似。D1和D2用来限制来自负载的过多信号反射量。与Thevenin端接方法不一样，二极管不会影响线性阻抗。对这种端接方法而言，选择Schottky和快速开关二极管是比较好的。

这种端接方法的优点在于不用已知Z0的值，而且还可以和其他类型的端接方法结合使用。通常在MCU的内部应用这种端接方法来保护I/O端口。

微控制器电路

时下，许多IC制造业者不断地减小微控制器的尺寸以达到在单位硅片上增加更多部件的目的。通常减小尺寸会使晶体管更快。这样一来，虽然MCU时钟速率无法增加，但是上升和下降速度会增加，从而谐波分量使得频率值上升。许多情况下，减小微控制器尺寸无法通知给用户，这样最初时电路中的MCU是正常的，但以后在产品生命周期中的某个时间就可能出现EMC问题。对此最好的解决方法就是在开始设计电路时就设计一个较稳健的电路。

许多实时应用方面都需要高速MCU，设计者一定要认真对待其电路设计和PCB布线以减少潜在的EMC问题。MCU需要的电源功率随着其处理功率的增加而增加。让供给电路（比如校准电路）靠近微控制器是不难办到的，再用一个独立的电容就可以减少直流电源对其它电路的影响。

MCU通常有一个片上振荡器，它用自己的晶体或谐振器连接，从而避免使用其他时钟驱动电路的时钟。这个独立的时钟能更好地防止系统其他部份所产生的噪声辐射。在时钟频率方面，MCU通常是对功率要求最高的设备，这样让时钟靠近MCU就能保证对时钟频率仅有最小的驱动需求。

（1）I/O口引脚

对于大多数MCU，引脚通常都是高阻输入或混合输入/输出。高阻输入引脚易受噪声影响，并且在非正常终端时会引至寄存器锁存错误的电平。一个非内部终端的输入引脚需要有高阻抗（例如4.7KΩ或10KΩ）连接每个引脚到地或者到供电电平，以便确保一个可知的逻辑状态。未连接的输入引脚通常浮动在供电电平的中间值周围，或者由于有内部泄露通路而浮动在不确定的电压值。

对于IRQ或复位引脚（输入引脚）来说，其终端比普通I/O口引脚更为重要。如果噪声导致这两个引脚误触发，它将对整个电路的行为产生巨大的影响。当输入引脚未连接，同时输入锁存器半开半闭时，会导致IC内部电流泄漏，此时通常可以看到高电流消耗，尤其是在CMOS器件中。因此在输入引脚终端连接高阻抗可以减少供电电流，就象电磁兼容的其他好处一样。

（2）IRQ口引脚

由于中断对MCU操作有影响，因此它是元件中最敏感的引脚之一。从远端设备到PCB板上的MCU，甚至在插件适配器或子系统卡上，IRQ都可以被查询。因此，确保与中断请求引脚的任何连线都有瞬时静电释放保护是非常重要的。对于静电释放来说，在IRQ连线上有双向二极管、transorbs或金属氧化变阻器终端通常就足够了，而且他们还能在不产生大的线路负荷的情况下帮助减少过冲和阻尼震荡。即便是对价格很敏感的应用，IRQ线上的电阻终端也同样不可缺少。

（3）复位引脚

不恰当的复位将导致许多问题，因为不同的应用利用了MCU启动和断电的不同条件。复位最基本的功能保证了一旦上电，MCU便开始用可控制的方式执行代码。

上电时，电源上升到MCU的工作电压，在晶振稳定之前需要等一段时间。因此在复位引脚上要有时间延时。最简单的延时就是电阻-电容（RC）网络，在电流经过电阻时电容开始充电，一直到电平达到了能被MCU在逻辑1状态时的复位电路检测到的值为止。

理想情况下没有严格规定电阻和电容的大小，但也有其他方面的考虑。复位引脚的内部泄漏电流通常规定不能超出1µA（针对 Motorola HC08 MCU），这意味着电阻最大为100kΩ，电容不能是电解电容，以保持停止电流的最小值。推荐使用陶瓷电容，因为它折衷了低价格，低泄漏，高频反应性能好的优点。复位引脚电容非常小（Motorola HC08MCU低于5pF）。对于最小阻抗值也有限制，因为最大上拉电流大约为5mA，1V (Vol )。

加上外部电容的低阻抗电压源，则确定了上拉电阻的最小值为2KΩ。用二极管来钳住复位引脚的电压也是一种推荐做法，能防止供电电压过度，并且能够在断电时令电容迅速放电。

（4）振荡器

许多MCU合成了倒相放大器，用来与外部晶体或陶瓷共振器一起构成皮尔斯振荡器结构。下面则讨论用来与特殊外部元件一起得到振荡的放大器最小增益（跨导）。图17给出了MCU上使用的典型标准皮尔斯振荡器结构，晶体在1MHz到20MHz的频率范围。下面用简单的形式给出了MCU的内部电路，与非门后面是变极器。与非门有两个输入：一个连到MCU的OSC1脚，另一个连接到内部STOP上。

对于振荡电路来说，必须有正反馈，且闭环增益必须比1大。电阻R0导致了负反馈，增大了放大器的开环增益需求。R0通常尽量的大，以将反馈减到最小，同时克服上电时的电流泄漏。当使用1MHz和20MHz的晶体时，R0应该在1MΩ至10MΩ的范围里。对于陶瓷共振器，R0一般用1 MΩ。

共振器Q和电容C1、C2构成了共鸣回路。C1、C2代表了外部电容和任何并行的寄生电

容。晶体和陶瓷共振器有小信号等效电路，如图18所示：

R是串联电阻，L和C是起动或串联电感、电容。C0是分流电容，它代表了晶体盒中共振器和寄生电容的低频并联电容量的总和。任何在OSC1和OSC2引脚之间的附加寄生电容都包括在这个值里。

晶体制造商的数据手册里详细说明了特殊晶体中R, L, C和C0的值。为了测量这些值，制造商必须给晶体送信号，也就是从晶体里功率消耗的特殊电平中获得。然而，在晶体启动时，通过晶体的唯一信号应归于热噪声，因此晶体里的功率消耗是非常低的。众所周知，当晶体内功率消耗减少到低水平时R的有效值可以增长。因此R的最大值由晶体制造者来估计。

既然R0, C1和C2的值不仅依赖于MCU的变极器特性，还依赖于外部晶体或陶瓷共振器的特性，则从各制造商的数据手册里可以得到精确的元件结构。