面對(duì)電磁輻射干擾，如何輕松進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)布局?

電磁輻射干擾問題

無線通信非常復(fù)雜，要分基帶和射頻，在數(shù)字電子線路設(shè)計(jì)中，多數(shù)工程師常常對(duì)電磁兼容性(EMC)的問題感到困擾。

EMC是指電子系統(tǒng)在目標(biāo)電磁環(huán)境下保持良好性能且不會(huì)向該環(huán)境中引入大量電磁干擾的能力。

電磁環(huán)境包含輻射和傳導(dǎo)能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產(chǎn)品不必要地產(chǎn)生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境，通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產(chǎn)品容忍其他電磁產(chǎn)品的輻射，或傳導(dǎo)電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標(biāo)。抗擾度與敏感度相反。敏感度高的設(shè)備抗擾度低。常見的EMC問題包括：電磁輻射發(fā)射超出標(biāo)準(zhǔn)要求;ESD靜電放電問題產(chǎn)生的失效現(xiàn)象如系統(tǒng)死機(jī)、系統(tǒng)復(fù)位、顯示面板出現(xiàn)錯(cuò)誤;產(chǎn)品的輻射抗擾度問題導(dǎo)致某些頻率上產(chǎn)品的信號(hào)輸出變化巨大，通信出現(xiàn)錯(cuò)誤，或系統(tǒng)復(fù)機(jī)、死機(jī)。針對(duì)EMC常見問題，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu提出了他的看法并給出了解決方案。

電磁輻射原理

使用閉合導(dǎo)體，在其兩端加載時(shí)變電流，就會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)和圍繞它的電場(chǎng)。當(dāng)電荷加速移動(dòng)時(shí)，如果同時(shí)出現(xiàn)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)跟著電荷做加速運(yùn)動(dòng)，而遠(yuǎn)場(chǎng)無法與電荷移動(dòng)同步，就會(huì)出現(xiàn)扭結(jié)(Kink)。電場(chǎng)扭結(jié)太大，就會(huì)脫離原來的場(chǎng)，輻射出去。

圖1 電場(chǎng)扭結(jié)及輻射原理

通常來說，采用兩根平行線纜，長度相對(duì)比波長短，所產(chǎn)生的電場(chǎng)為近場(chǎng)，我們通常稱為“差分信號(hào)”，這種線纜很難產(chǎn)生扭結(jié)(Kink)。如果線纜張開一定的角度，電磁場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，形成近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，產(chǎn)生扭結(jié)(Kink)，形成天線，這也是無線通信中的天線原理。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)的形成原理

傳輸波形的諧波分量

在數(shù)字電路中，大部分基帶信號(hào)都類似于方波，這些波形是無數(shù)依次遞減的諧波分量疊加而成。電流的諧波分量會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)會(huì)通過耦合或者輻射的方式往下傳輸。

圖3 數(shù)字信號(hào)的諧波分量

PCB傳輸線路模型

在PBC Layout中，大部分工程師喜歡把電源線或者信號(hào)線和地分開布，這樣很危險(xiǎn)，因?yàn)橐坏┉h(huán)路和高頻信號(hào)的波長接近，就會(huì)形成一個(gè)環(huán)形天線，高頻的諧波頻率會(huì)通過電磁場(chǎng)耦合進(jìn)來，形成共振。

圖4 PCB布線中產(chǎn)生的環(huán)形天線

根據(jù)下面兩種布線，兩個(gè)導(dǎo)體會(huì)形成一個(gè)電容。按照電磁場(chǎng)輻射原理，左邊布線，電子在高頻運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，很容易形成近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，產(chǎn)生扭結(jié)，發(fā)射電磁波。同時(shí)也很容易接收外來電磁波。而右邊布線，電源和地之間，回路足夠小，形成閉合回路，電場(chǎng)輻射就非常微弱，很難產(chǎn)生電場(chǎng)輻射，也很難被其他電磁場(chǎng)干擾。

圖5 電源和地的布局布線對(duì)比

大部分信號(hào)，特別是高速信號(hào)，都會(huì)設(shè)計(jì)成差分電路。在差分電路中，主要分為直流分量和交流分量，直流分量不會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交流分量會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁干擾。

圖6 差分電路模型

有關(guān)差分電路的布局布線問題，其實(shí)就是嚴(yán)格按照等長對(duì)稱線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)封閉電路，電磁場(chǎng)很難穿透差分電路。這就是為何差分信號(hào)的傳輸特性相對(duì)比較穩(wěn)定。除了需要對(duì)差分信號(hào)做等分布線之外，工程師還需要對(duì)差分信號(hào)做電源匹配和包地。

圖7 差分電路等長對(duì)稱原理

實(shí)際上，在電路結(jié)構(gòu)中，各個(gè)回路的電源和地才是整個(gè)電路中最大的差分對(duì)，大多時(shí)候，工程師們喜歡把電源布線，布成如圖8所示的結(jié)構(gòu)，在早期的單面板產(chǎn)品布局布線中，這算是最好的布線方法。

圖8 傳統(tǒng)單面板布局布線圖

隨著通信速率要求的提高，圖8中這個(gè)布線結(jié)構(gòu)就會(huì)形成天線效應(yīng)，產(chǎn)生電磁波輻射。所以為了降低電磁干擾，Wolfe Yu建議在布線時(shí)將電源和地盡量布在一起。

圖9 主芯片電源地布線建議

電流匯集模型

有關(guān)電流連續(xù)性的問題，有一個(gè)比較形象的比喻：每顆電容都是一個(gè)蓄水池，上游存儲(chǔ)的蓄水要大于下游，才不會(huì)因?yàn)閿嗔髟斐珊恿鞲煽?。電源供電原理相同，設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)電磁干擾。

圖10 電流匯集模型之蓄水池理論

再來看看電源拓?fù)洌珼CDC電源大致分為三個(gè)環(huán)(一說四個(gè)環(huán))，高頻交流斬波環(huán)把兩個(gè)直流輸入環(huán)和輸出環(huán)分割開來，交流環(huán)主要做高速PWM斬波，產(chǎn)生電磁切割，一旦布線不好，容易產(chǎn)生電磁輻射。

圖11 DCDC電源拓?fù)鋱D

為了設(shè)計(jì)方便，Wolfe建議在布局的時(shí)候，把兩個(gè)直流環(huán)和交流環(huán)分開布局，方便在布線的時(shí)候分開布線。

圖12 DCDC電源布局布線建議

基于同軸線的全封閉電路

在傳輸線路中，工程師們很難保證電路能夠達(dá)到100%的閉合效果。為了防止在傳輸線上產(chǎn)生電磁輻射，于是提出一種基于同軸線的傳輸方式。同軸線傳輸就是把電磁場(chǎng)封閉在內(nèi)外導(dǎo)體之間，輻射損耗和受外界損耗都非常小。

圖13 同軸線閉合電磁場(chǎng)

同軸線傳輸解決了高速信號(hào)傳輸?shù)碾姶泡椛涞膯栴}。除了電磁輻射問題，電路傳輸中還會(huì)面臨另外一個(gè)問題。那就是，當(dāng)信號(hào)頻率很高的時(shí)候，除了阻性負(fù)載，還有容性負(fù)載和感性負(fù)載產(chǎn)生的反射信號(hào)，反射信號(hào)會(huì)疊加在原信號(hào)上，改變?cè)盘?hào)的形狀，這被稱為“傳輸線損耗”。

圖14 傳輸線等效模型

圖14是一個(gè)傳輸線等效模型，除了阻性負(fù)載，還存在容性負(fù)載和感性負(fù)載。根據(jù)理論公式，很容易計(jì)算出傳輸線的阻抗值。為了抵消反射信號(hào)，工程師可以在電路源端和負(fù)載之間插入無源網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載阻抗和源阻抗共軛匹配，這就是阻抗匹配。

圖15 阻抗匹配原理

Microchip基于CoaXpress®一攬子解決方案

Excelpoint世健代理的Microchip推出一種基于CoaXpress®的視頻傳輸方案就是基于同軸線的全封閉電路傳輸方案。

EQCO125T40集成均衡器、CDR和電纜驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在一根電纜或PCB跟蹤對(duì)上發(fā)送/接收信號(hào)，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸，傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到40m。

同軸電纜固有地被其外部導(dǎo)體屏蔽，從而使其對(duì)許多操作環(huán)境中存在的外部電磁干擾(EMI)高度耐受，特別是在嘈雜的工廠環(huán)境中。這使CoaXpress可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，是高清攝像頭鏡頭傳輸?shù)牟欢桨浮?

圖16 基于CoaXpress®的視頻傳輸方案

這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire®視頻平臺(tái)上，客戶可以利用Microchip提供的免費(fèi)IP包輕松完成產(chǎn)品開發(fā)，縮短開發(fā)流程。

圖17 Microchip PolarFire®視頻平臺(tái)

圖18 MIC28517評(píng)估板

同時(shí)，Excelpoint世健為客戶提供相關(guān)參考設(shè)計(jì)以及技術(shù)指導(dǎo)，針對(duì)國內(nèi)客戶在進(jìn)行DCDC設(shè)計(jì)以及布局布線時(shí)容易出現(xiàn)的一系列技術(shù)瓶頸，推出一系列PCB布線指導(dǎo)，同時(shí)也提供PCB設(shè)計(jì)文件讓客戶方便導(dǎo)入，幫助客戶輕松進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)布局。