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高频电路设计中电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）研究

水恒春　赵小珍　刘同旵
摘 要：当今时代是以半导体产业为基础和支柱的时代，微电子技术的迅速发展和应用已深入到人类生产和生活的方方面面。随着用电设备的体积越来越小，它的安全性、可靠性和电磁兼容性令人特别担忧，人为产生的电磁与日俱增，由此而产生的电磁干扰日趋严重。因此，造成了所谓的电磁环境污染。为了降低这些电磁环境污染，该文分别从电磁干扰产生机理和电磁兼容设计两方面进行了详细阐述。并且，结合本人实际的研究情况，总结出高频电路中常用元器件的特性和PCB布线规则，为今后工程设计人员提供设计依据。
关键词：高频电路 PCB 电磁环境污染 电磁干扰 电磁兼容
：TP274+.2 ：A ：1674-098X（2014）03（a）-0021-03
随着科学技术的日益发展，电气及电子设备已经深入到人们生产及生活中的各个环节，随之所带来的电磁干扰也日趋严重。如果在一个系统中各种用电设备能和谐地、正常地工作，不相互受对方的电磁干扰，就说这个系统中的用电设备是相互兼容的。但是随着用电设备功能的多样化、结构的复杂化、功率增加和频率增高，同时它们的灵敏度也越来越高，很难做到相互兼容又各显其能的效果。要想让电磁兼容，必须以系统整体电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它具有一定的抗干扰能力。只有满足以上两点要求，才可达到电磁兼容的目的。
1 电磁干扰产生机理
1.1 电磁干扰原理
电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。而电磁骚扰又是指任何可能引起装置、设备或系统性能的降低，或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。可以说，只要在同一环境中有两个以上的元件，他们在工作时就会产生电磁干扰[1]。
根据法拉第电磁感应定理，数字传输过程中，传输回路必然存在电磁效应，对于回路，辐射和感应对偶存在，如果它的辐射（干扰）能力强，其接收（被干扰）能力也自然强，存在辐射的电路也容易被干扰。EMI的形成条件是：变化的电流引起变化的电磁场，产生辐射；变化电磁场的部分磁力线通过接收回路形成耦合电流和电压，接收回路被干扰。被干扰回路接收到的噪声电压Vnoise为公式（1），其中M为两回路之间的互感，di/dt为干扰回路的电流变换率。
1）两导线间距越远、互感越小，导线越短、互感越小，相互干扰越小。
2）两回路距离越远、互感越小，各回路面积越小、互感越小，相互干扰越小。
3）有公共地平面的两平行圆形、微带、带状线，两导线间距比线地高越大、互感越小，导线越短、互感越小，相互干扰越小。
4）回路的电感越小，辐射越小。
所以，PCB板布线时，信号线要尽量短，线间距要尽可能大，回路面积要尽可能小，板厚尽可能薄[2]。
1.2 电磁干扰的形式、分类、危害及解决方法
电磁干扰的形式有很多种，例如：由输电线、电网及各种电子和电气设备工作引起的工业干扰；由超高层建筑、铁塔等设备产生不必要的反射，从而出现重影干扰问题；由传输电路间的电或磁的相互耦合引起的串扰；由银河系的电磁辐射引起的宇宙干扰等等。电磁干扰的分类方法主要有以下几种：（1）电磁干扰按传播途径可分为传导干扰和辐射干扰（2）电磁干扰按干扰源的性质可分为自然干扰和人为干扰（3）电磁干扰按频带可分为宽带干扰和窄带干扰。电磁干扰按其危害程度可分为灾难性的、非常危险的、中等危险的、严重的和使人烦恼的5个等级。
电磁干扰的最大危害有以下几点：（1）电磁干扰会破坏或降低电子设备的工作性能（2）电磁干扰能量可能引起易燃易爆物的起火和爆炸，这样就会带来巨大经济损失和人身伤亡（3）电磁干扰能量可对人体组织器官造成伤害，危及人类的身体健康。由此可见，电磁干扰所带来的后果是多么的严重，为了避免人身的伤亡与经济的损失，电磁兼容设计就显得尤为重要。
在工程实践中，解决传导耦合的方法是防止导线感应噪声，即采用适当的屏蔽和将导线分离或者在骚扰进入敏感电路之前，用滤波的方法从导线上除去噪声。
2 高频电路中消除电磁干扰的措施以及常用元器件特性分析
2.1 高频电路中消除电磁干扰的措施
电磁干扰的来源有很多种而且也很复杂，有来自空间的、地面的、设备或系统外部的也有设备或系统内部的，但是它们不外乎两类，就是传导干扰和辐射干扰。由于电磁干扰由电磁干扰源、传输通道和敏感设备构成。因而，防止干扰通常也从这几个方面着手：（1）减少骚扰源产生的骚扰信号；（2）切断骚扰信号的传播途径（3）增强敏感设备的抗骚扰能力。
在表1中，简单说明了各常用元器件在低、高频时的特性。
其中，表示电阻，用R表示；表示电容，用C表示；表示电感，用L表示。
2.2 导线
导线和PCB印制线之间的区别主要是：金属导线是圆形的，PCB走线则是矩形的。金属导线的阻抗包括电阻R和电抗XL，在高频时Z=R+jXL=j2πfL。在直流和低频时，导线或走线基本上呈现电阻特性。在较高频时，电抗就成为这个阻抗方程的重要部分。在1 MHz以上，感性电抗就超过电阻，因此，导线或走线已不再是一个低电阻的连接，而是一个电感。工程实际表明，工作在音频以上的导线或走线都表现为电感特性，而不是一个纯电阻，并且可以看作为一个有效的辐射RF天线。如：一条长10 cm的走线，它具有57 mΩ的电阻，8 nH/cm的电感。如果工作在100 kHz，它就为一个5 mΩ的感性阻抗；如果工作在100 kHz以上，走线就变成电感了，此时电阻可以忽略不计；而工作在频率为150 MHz以上，这条走线就可视为一个有效的辐射体。
2.3 电阻
电阻是PCB中使用最广泛的元器件之一，因其材料不同（如碳质、碳薄膜、云母、绕线等），存在着与频域要求有关的EMI限制。绕线电阻由于导线中电感过大，对于高频应用是不合适的；而碳薄膜电阻包含一些电感成分，由于其有较低的引线电感而使其在高频中有所应用。endprint
2.4 电容
电容和电阻一样，在PCB中得到了极其广泛的应用，它主要应用于电源的去藕、旁路、滤波以及耦合等等。实际的电容直到它的自谐振频率时都保持电容特性，当频率超过自谐振频率时，则会呈现电感特性。例如，一个10 FμF的电解电容在10 kHz时的电抗为1.6 Ω，在100 MHz时将会出现短路状态，这将导致电磁干扰的发生。但是，由于电解电容的等效串联电感和等效串联电阻的值都很高，这就限制了它在1 MHz以下使用时的效果。
在工程实际的高频电路中，分析电容的模型主要是它的简化模型，如表1所示。在简化的模型中，电容的容抗可表示为Z=R +j（ωLS-1/ωC）。它的容抗—频率特性曲线见图1所示。
2.5 电感
电感在PCB中常用对电磁干扰的抑制。对于一个线性电感来说，其感抗随着频率的增加而线形增加。如一个100 mH的电感在10 kHz时有628 Ω的阻抗；在100 MHz时，阻抗则上升为6.2 MΩ；这时电感呈现出断路特性。这些原因限制它只能工作在1 MHz以下。当然在高频段工作时，可以用铁氧体来代替电感。
2.6 小结
高频电路中，导体的电感和电容将不可忽略，此时电抗值将随频率而变化，感抗随频率的增加而增加，容抗随频率的增加而减少。在无线电范围内，长电缆上的骚扰传播，应按传输特性来计算，而不是按集总电路元件来考虑。
3 高频电路中PCB布线原则
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤。可以这样说，在整个PCB中，以布线设计过程限制最高、技巧最细、工作量最大。如果布线不当，则会产生严重的电磁干扰。
高频电路布线时，应遵守以下原则：
（1）印制线应尽量短，在高频回路中更应如此；印制线的拐角应为圆角，因为直角或尖角在高频电路和布线密度高的地方会影响电气性能。顶层和底层布线时应相互垂直、斜交或弯曲，避免平行，以减小寄生耦合；作为输入和输出用的导线应避免相邻平行，并最好在这些导线之间加接地线。
（2）印制线应尽可能宽，它的最小值应根据承受电流大小而定，但最小不宜小于0.2 mm。电源线和地线的宽度应尽可能的宽。因为当地线过细时，由于流过电流的变化，地电位变动，从而导致其它信号电平不平稳，使噪声容限劣化。
（3）印制线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距应尽可能地宽。
（4）印制线电路中不允许有交叉电路，可以通过“钻”和“绕”的方法来解决。
（5）印制线的公共地线应尽量布置在PCB的边缘部分，并且尽可能多的保留铜箔做地线。这样使传输线特性得到改善，还起到了减小分布电容的作用。
（6）PCB载流能力估算。PCB载流能力主要取决于以下因素：线宽、线厚（铜箔厚度）和容许温升。众所周知，PCB走线越宽，载流能力越大。假如，在同等条件下，1 mil的走线承受1A，那么，5 mil的走线并非承受5 A。因此，在设计过程中，要慎重考虑PCB载流能力[3]。
4 工程实践及解决方法
在本人工程实践研究过程中，通过以上所述方法解决了某些电磁干扰和电磁兼容以外，还通过加弹性导电材料解决了电磁干扰和电磁兼容性问题。众所周知，影响屏蔽体屏蔽效能有两个因素：一是整个屏蔽体表面必须是导电连续的；二是不能直接有穿过屏蔽体的导体。由于我们所做的产品不可避免地有通信接口，从而导致外部壳体有缝隙，造成了屏蔽体表面不连续，产生电磁泄漏。其解决方法是在壳体外部缝隙处填加由聚合物合成的导电橡胶。并且，本产品在电磁干扰和电磁兼容性测试中，取得了理想的效果。其产品测试数据如表2所示。
5 结语
该文针对产品类型以及特点，总结出高频电路中常规元器件的特性以及PCB布线规则。并且，工程实践中，需采用前期设计和后期综合处理方法，才能有效地解决电磁干扰和电磁兼容问题，它既能保证电子产品或系统的可靠性，又能减少军用和民用工业中不必要的经济损失和人员伤亡，同时也大大改善了人们生活中的电磁环境。
参考文献
[1] （美）保罗.电磁兼容导论[M].闻映红，译.北京：机械工业出版社，2006.
[2] 任勇峰.基于DSP的铝电磁铸造磁场控制的设计和实现[D].中北大学博士论文[D].2007（6）.
[3] http：//，2003.4.5.endprint
2.4 电容
电容和电阻一样，在PCB中得到了极其广泛的应用，它主要应用于电源的去藕、旁路、滤波以及耦合等等。实际的电容直到它的自谐振频率时都保持电容特性，当频率超过自谐振频率时，则会呈现电感特性。例如，一个10 FμF的电解电容在10 kHz时的电抗为1.6 Ω，在100 MHz时将会出现短路状态，这将导致电磁干扰的发生。但是，由于电解电容的等效串联电感和等效串联电阻的值都很高，这就限制了它在1 MHz以下使用时的效果。
在工程实际的高频电路中，分析电容的模型主要是它的简化模型，如表1所示。在简化的模型中，电容的容抗可表示为Z=R +j（ωLS-1/ωC）。它的容抗—频率特性曲线见图1所示。
2.5 电感
电感在PCB中常用对电磁干扰的抑制。对于一个线性电感来说，其感抗随着频率的增加而线形增加。如一个100 mH的电感在10 kHz时有628 Ω的阻抗；在100 MHz时，阻抗则上升为6.2 MΩ；这时电感呈现出断路特性。这些原因限制它只能工作在1 MHz以下。当然在高频段工作时，可以用铁氧体来代替电感。
2.6 小结
高频电路中，导体的电感和电容将不可忽略，此时电抗值将随频率而变化，感抗随频率的增加而增加，容抗随频率的增加而减少。在无线电范围内，长电缆上的骚扰传播，应按传输特性来计算，而不是按集总电路元件来考虑。
3 高频电路中PCB布线原则
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤。可以这样说，在整个PCB中，以布线设计过程限制最高、技巧最细、工作量最大。如果布线不当，则会产生严重的电磁干扰。
高频电路布线时，应遵守以下原则：
（1）印制线应尽量短，在高频回路中更应如此；印制线的拐角应为圆角，因为直角或尖角在高频电路和布线密度高的地方会影响电气性能。顶层和底层布线时应相互垂直、斜交或弯曲，避免平行，以减小寄生耦合；作为输入和输出用的导线应避免相邻平行，并最好在这些导线之间加接地线。
（2）印制线应尽可能宽，它的最小值应根据承受电流大小而定，但最小不宜小于0.2 mm。电源线和地线的宽度应尽可能的宽。因为当地线过细时，由于流过电流的变化，地电位变动，从而导致其它信号电平不平稳，使噪声容限劣化。
（3）印制线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距应尽可能地宽。
（4）印制线电路中不允许有交叉电路，可以通过“钻”和“绕”的方法来解决。
（5）印制线的公共地线应尽量布置在PCB的边缘部分，并且尽可能多的保留铜箔做地线。这样使传输线特性得到改善，还起到了减小分布电容的作用。
（6）PCB载流能力估算。PCB载流能力主要取决于以下因素：线宽、线厚（铜箔厚度）和容许温升。众所周知，PCB走线越宽，载流能力越大。假如，在同等条件下，1 mil的走线承受1A，那么，5 mil的走线并非承受5 A。因此，在设计过程中，要慎重考虑PCB载流能力[3]。
4 工程实践及解决方法
在本人工程实践研究过程中，通过以上所述方法解决了某些电磁干扰和电磁兼容以外，还通过加弹性导电材料解决了电磁干扰和电磁兼容性问题。众所周知，影响屏蔽体屏蔽效能有两个因素：一是整个屏蔽体表面必须是导电连续的；二是不能直接有穿过屏蔽体的导体。由于我们所做的产品不可避免地有通信接口，从而导致外部壳体有缝隙，造成了屏蔽体表面不连续，产生电磁泄漏。其解决方法是在壳体外部缝隙处填加由聚合物合成的导电橡胶。并且，本产品在电磁干扰和电磁兼容性测试中，取得了理想的效果。其产品测试数据如表2所示。
5 结语
该文针对产品类型以及特点，总结出高频电路中常规元器件的特性以及PCB布线规则。并且，工程实践中，需采用前期设计和后期综合处理方法，才能有效地解决电磁干扰和电磁兼容问题，它既能保证电子产品或系统的可靠性，又能减少军用和民用工业中不必要的经济损失和人员伤亡，同时也大大改善了人们生活中的电磁环境。
参考文献
[1] （美）保罗.电磁兼容导论[M].闻映红，译.北京：机械工业出版社，2006.
[2] 任勇峰.基于DSP的铝电磁铸造磁场控制的设计和实现[D].中北大学博士论文[D].2007（6）.
[3] http：//，2003.4.5.endprint
2.4 电容
电容和电阻一样，在PCB中得到了极其广泛的应用，它主要应用于电源的去藕、旁路、滤波以及耦合等等。实际的电容直到它的自谐振频率时都保持电容特性，当频率超过自谐振频率时，则会呈现电感特性。例如，一个10 FμF的电解电容在10 kHz时的电抗为1.6 Ω，在100 MHz时将会出现短路状态，这将导致电磁干扰的发生。但是，由于电解电容的等效串联电感和等效串联电阻的值都很高，这就限制了它在1 MHz以下使用时的效果。
在工程实际的高频电路中，分析电容的模型主要是它的简化模型，如表1所示。在简化的模型中，电容的容抗可表示为Z=R +j（ωLS-1/ωC）。它的容抗—频率特性曲线见图1所示。
2.5 电感
电感在PCB中常用对电磁干扰的抑制。对于一个线性电感来说，其感抗随着频率的增加而线形增加。如一个100 mH的电感在10 kHz时有628 Ω的阻抗；在100 MHz时，阻抗则上升为6.2 MΩ；这时电感呈现出断路特性。这些原因限制它只能工作在1 MHz以下。当然在高频段工作时，可以用铁氧体来代替电感。
2.6 小结
高频电路中，导体的电感和电容将不可忽略，此时电抗值将随频率而变化，感抗随频率的增加而增加，容抗随频率的增加而减少。在无线电范围内，长电缆上的骚扰传播，应按传输特性来计算，而不是按集总电路元件来考虑。
3 高频电路中PCB布线原则
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤。可以这样说，在整个PCB中，以布线设计过程限制最高、技巧最细、工作量最大。如果布线不当，则会产生严重的电磁干扰。
高频电路布线时，应遵守以下原则：
（1）印制线应尽量短，在高频回路中更应如此；印制线的拐角应为圆角，因为直角或尖角在高频电路和布线密度高的地方会影响电气性能。顶层和底层布线时应相互垂直、斜交或弯曲，避免平行，以减小寄生耦合；作为输入和输出用的导线应避免相邻平行，并最好在这些导线之间加接地线。
（2）印制线应尽可能宽，它的最小值应根据承受电流大小而定，但最小不宜小于0.2 mm。电源线和地线的宽度应尽可能的宽。因为当地线过细时，由于流过电流的变化，地电位变动，从而导致其它信号电平不平稳，使噪声容限劣化。
（3）印制线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距应尽可能地宽。
（4）印制线电路中不允许有交叉电路，可以通过“钻”和“绕”的方法来解决。
（5）印制线的公共地线应尽量布置在PCB的边缘部分，并且尽可能多的保留铜箔做地线。这样使传输线特性得到改善，还起到了减小分布电容的作用。
（6）PCB载流能力估算。PCB载流能力主要取决于以下因素：线宽、线厚（铜箔厚度）和容许温升。众所周知，PCB走线越宽，载流能力越大。假如，在同等条件下，1 mil的走线承受1A，那么，5 mil的走线并非承受5 A。因此，在设计过程中，要慎重考虑PCB载流能力[3]。
4 工程实践及解决方法
在本人工程实践研究过程中，通过以上所述方法解决了某些电磁干扰和电磁兼容以外，还通过加弹性导电材料解决了电磁干扰和电磁兼容性问题。众所周知，影响屏蔽体屏蔽效能有两个因素：一是整个屏蔽体表面必须是导电连续的；二是不能直接有穿过屏蔽体的导体。由于我们所做的产品不可避免地有通信接口，从而导致外部壳体有缝隙，造成了屏蔽体表面不连续，产生电磁泄漏。其解决方法是在壳体外部缝隙处填加由聚合物合成的导电橡胶。并且，本产品在电磁干扰和电磁兼容性测试中，取得了理想的效果。其产品测试数据如表2所示。
5 结语
该文针对产品类型以及特点，总结出高频电路中常规元器件的特性以及PCB布线规则。并且，工程实践中，需采用前期设计和后期综合处理方法，才能有效地解决电磁干扰和电磁兼容问题，它既能保证电子产品或系统的可靠性，又能减少军用和民用工业中不必要的经济损失和人员伤亡，同时也大大改善了人们生活中的电磁环境。
参考文献
[1] （美）保罗.电磁兼容导论[M].闻映红，译.北京：机械工业出版社，2006.
[2] 任勇峰.基于DSP的铝电磁铸造磁场控制的设计和实现[D].中北大学博士论文[D].2007（6）.
[3] http：//，2003.4.5.endprint

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