電子領(lǐng)域的工程人員，特別是汽車電子領(lǐng)域，必然將比以往遇到更多的有關(guān)EMC的問題。自無線電發(fā)明以來，無線電干擾現(xiàn)象幾乎一直伴隨其左右，在早期就催生了各種噪聲抑制定義指引。EMC的另一部分——抗失真能力，卻僅在約50年前才開始受到關(guān)注。無線電干擾不僅很討厭，有時還可能帶來嚴(yán)重后果。譬如，若汽車行駛到電視塔附近，就可能造成ABS或安全氣囊出現(xiàn)故障。不只是車載電子控制單元的數(shù)量在增加，車內(nèi)常用電子設(shè)備的數(shù)量也節(jié)節(jié)攀升，比如手機、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、無線耳機，而這些設(shè)備都可能帶來干擾。更麻煩的是，這類設(shè)備越來越多地涌向市場，它們工作頻率也越來越高。更高頻率意味著較小的結(jié)構(gòu)，也就可能相當(dāng)于一根天線，即使對于小耦合電容，也需要考慮到交叉耦合的問題。因此，過去數(shù)十年中，業(yè)內(nèi)越來越迫切地需要定義一定的規(guī)則。

現(xiàn)在，所有的汽車制造商都清楚了解EMC測試是汽車電子產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分，并且充分認(rèn)識到EMC問題發(fā)現(xiàn)得越晚，付出的代價就越大。這就是在車內(nèi)部署之前他們不僅需要進(jìn)行汽車內(nèi)部的終測 (final test)，還一定要求電子控制單元(ECU)測試，甚至依賴設(shè)計中所用集成電路的測試結(jié)果的原因。針對有害的電磁輻射以及電磁失真敏感度，全球已開發(fā)出了大量測試方法，同時涵蓋了所有的集成度。過去10年中，各個標(biāo)準(zhǔn)化委員會均在IC級上投入了大量時間。作為一家半導(dǎo)體制造商，愛特梅爾所面對的主要是IC級和ECU級測試。不幸的是，目前不僅存在數(shù)目相當(dāng)龐大的不同標(biāo)準(zhǔn)(對測試專業(yè)人員而言，也許并非好事)，而且，許多OEM運用這些標(biāo)準(zhǔn)的方式也有所差異。

輻射與敏感度測試主要分為兩大類：輻射測量，涉及天線、耦合鉗位、磁極或電極、帶狀線或TEM箱；利用某些端口的電耦合而進(jìn)行的測量，測量或注入RF信號。

半導(dǎo)體公司主要處理IC級的測試，不過有些應(yīng)用，比如汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還需要驗證所使用的IC，如集成式總線線路收發(fā)器是否通過了某些模塊級測試。“典型”的IC級EMC測試按照預(yù)先定義好的頻率步長、駐留時間(dwell times)、測量帶寬和檢測器類型以及測量抗擾性，利用振幅已定義的未調(diào)制或AM調(diào)制RF信號來測量不同頻段的輻射，同時頻率以已定的步長變化。這些測試都遵循國際集成電路電磁輻射測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61967和集成電路電磁抗擾性標(biāo)準(zhǔn)IEC 62132。現(xiàn)在這些標(biāo)準(zhǔn)已補充有針對脈沖測量的新標(biāo)準(zhǔn)。

在PCB上，大部分IC級端口都設(shè)計為內(nèi)部連接，僅有少數(shù)端口，比如電源引腳、總線線路或天線引腳，是外部連接的。雖然對本地端口(內(nèi)部端口)EMC要求不那么嚴(yán)格，可對全局端口(外部端口)EMC要求卻非常關(guān)鍵，因為其附帶的電纜長度會增加不同線路之間的交叉耦合，或者是表現(xiàn)為RF信號無用天線。當(dāng)然，有少數(shù)端口，比如總線線路端口，雖然從定義上看是外部端口，但大多數(shù)情況下是由應(yīng)用來決定它們是作為本地端口還是全局端口。

幸運的是，穩(wěn)健設(shè)計的電路與電路板版圖不僅能夠確保裝配工作的更順利和更可靠，而且大多數(shù)情況下還有助于獲得所需的電磁輻射和抗擾性能。那么，如何才能實現(xiàn)穩(wěn)健的電路設(shè)計呢？當(dāng)然有一些通用規(guī)則可幫助提高電路的EMC性能：

• 需要慎重考慮開發(fā)應(yīng)用實際需要什么樣的時鐘頻率。應(yīng)該選擇盡可能低的時鐘頻率，因為這是減小電磁輻射的首要措施。

• 高阻抗端口易受RF干擾的影響；因此，應(yīng)該在可接受范圍內(nèi)采用盡可能小的阻抗，或者是為RF干擾提供一條到GND的路徑。如果集成電路上某些GND引腳與特定的VCC引腳或端口有關(guān)，則在放置去耦電容時應(yīng)該考慮到這一點。需要特別注意ECU的外部連接端口——如可能，應(yīng)計劃對GND和串聯(lián)電阻采用去耦電容，電阻一般在10 到100Ω范圍，若阻值過高，會形成一個有效的濾波器，且導(dǎo)致DC信號的電壓降更大。如果特殊端口的輻射成問題，電阻的一端連接端口，另一端連接電容。要保護(hù)端口免受RF干擾，則應(yīng)該反過來安排元件。對于10MHz以上的頻率，使用鐵氧體磁珠可能比僅使用小電阻更有效，而且前者還有一個優(yōu)點，即DC阻抗可忽略不計，這意味著電路不會產(chǎn)生電壓降。

• 需注意的是，在較高頻率下，電容器的作用不僅限于電容，它還包含一些固有的內(nèi)建寄生成分，比如串聯(lián)電感和電阻(被稱為等效串聯(lián)阻抗(equivalent series resistance, ESR))，這里只例舉了會帶來負(fù)面影響的最重要的元件。鑒于去耦電容的正確選擇與放置如此至關(guān)重要，下面將予以詳細(xì)討論。

• 此外，電阻也必需被視為更復(fù)雜的元件(主要依賴于結(jié)構(gòu)類型及阻值)。幸運的是，對于典型的小阻值薄膜電阻，在用于構(gòu)成EMC濾波器時，在1GHz以下頻率，它對寄生元件的影響都基本上是微不足道的。

• 在開發(fā)PCB版圖時，不同電路模塊的布局方法如下：靈敏輸入的周圍應(yīng)留足夠的空間給大振幅和/或高頻的開關(guān)信號，因為這些信號可能產(chǎn)生干擾。板上并行走線會在這些走線上的信號之間造成充分的耦合，如果不想要這類耦合，可在走線之間插入一定的GND區(qū)域；倘若這些走線在不同層面相互交叉，讓它們垂直相交，以使耦合面積最小。使走線盡可能地短，尤其是那些快速傳輸RF或開關(guān)信號的走線。電路的關(guān)鍵部分，比如調(diào)諧器，可能需要屏蔽。應(yīng)該考慮到電路產(chǎn)生的或暴露在其下的最高頻率，關(guān)鍵連接的走線長度需小于波長的1/10。有兩點必須謹(jǐn)記：首先，由于電路板材料的εr(對FR4，一般在4.5左右)，PCB上的波長λ變短；不過，因為微帶線的電場有一部分處于自由空間中，故有效εr將稍小一些。對于3GHz的頻率，公式為



于是，走線長度等于λ/10，約50mm。其次，電路的最高頻率由最大斜坡(slope)決定。所以，如果設(shè)計的某些部分工作在1MHz下，但斜坡為1ns，則PCB上的頻率至少500MHz。

• 差分信號的布線必須彼此靠近，兩條線路的走線長度相同。避免形成大回路，并且記住返回電流的路徑。回路的面積越大，敏感性越高，頻率越低，可能對電路造成影響。這個規(guī)律對輻射也同樣有效——構(gòu)成RF電流流經(jīng)回路的任何走線都相當(dāng)于一個回路天線。

• 接地層應(yīng)該盡可能穩(wěn)健地設(shè)計，最好使用帶專用于GND層和電源層的多層PCB。一般來說，信號層位于PCB的頂部和底部，GND/電源層在內(nèi)層。使信號層與鄰近GND/電源層之間的距離保持最小是很有利的。這么做，即使對很薄的連接，也有助于獲得比較低的走線阻抗。GND層上應(yīng)避免凹槽，以防形成有害的開槽天線(slot antenna)。此外，還應(yīng)避免形成小“島”，不同的GND區(qū)域必需通過足夠數(shù)目的通孔連接起來(對大多數(shù)設(shè)計而言，每3mm到5mm一個通孔已足夠)。

• 在開發(fā)電路板時，各層間的跳線應(yīng)盡可能減少。每一個通孔，尤其是從頂層到底層的“長”通孔，都包含一定的電感，根據(jù)經(jīng)驗，其在0.5nH 到 1nH范圍。去耦電容的GND連接需要特別注意。愛特梅爾強烈推薦在靠近每個電容處放置幾個并聯(lián)通孔。

電容器的等效電路模型

最簡單的電容器等效電路模型只包含一個額定電容器、一個等效串聯(lián)電阻(ESR)和一個寄生串聯(lián)電感的串聯(lián)。其中，ESR決定電容器的串聯(lián)諧振所能達(dá)到的最低阻抗。在這個串聯(lián)諧振頻率點之上，電容器的阻抗隨頻率上升，電容器表現(xiàn)為電感的特性。較為復(fù)雜的模型還包含圖1中灰線連接的元件Cp 和 Rp。這時經(jīng)過修改的等效電路顯示出Cp、 Rp將與電容器、ESR及寄生電感的整個串聯(lián)進(jìn)行并聯(lián)，這僅僅是一個變換各個固有元件的值的問題。寄生電感與Cp形成一個并聯(lián)諧振電路，其常常被忽略，因為典型SMD陶瓷電容器的這種并聯(lián)諧振只在數(shù)GHz頻率下才出現(xiàn)。

圖1 電容的等效電路


圖2 電阻的等效電路
電容器的串聯(lián)諧振頻率取決于電容器的類型(電解電容器、箔電容器、陶瓷電容器)、機械尺寸(軸向、半徑、SMD、尺寸大小)，當(dāng)然還有電容值。對于陶瓷類型，電容越高，串聯(lián)諧振頻率越低。因此，在用作去耦目的時最好不要只采用單個電容器，而應(yīng)同時使用兩個或數(shù)個電容以實現(xiàn)寬帶去耦。例如，對于較低頻率，常常推薦選配10nF的電容；對于較高頻率，則選配100pF電容。下面將分析這樣做是否可取。一個非常基本的線性RF仿真工具就足以演示之；對此甚至還有專門的免費軟件工具。許多陶瓷電容器制造商都提供有產(chǎn)品的S參數(shù)文件，建議使用這些數(shù)據(jù)。圖3所示為從50Ω的走線到GND并聯(lián)放置上述兩個電容器時，電容的衰減情況。

這看起來頗能夠讓人接受。對20MHz與遠(yuǎn)大于1GHz之間的頻率，可獲得至少30dB的衰減。如果采用大于50Ω的參考阻抗，結(jié)果會更好。在比較理想的情況下，可以到此為止了。但其實不然。在實際中，電容器不可能與GND，或者與走線或焊點完美連接，需要去耦。PCB上的每一個走線的行為都相當(dāng)于一條傳輸線，其阻抗主要取決于走線寬度、PCB的厚度，在使用多層PCB的情況下，還與信號層和GND層之間的距離、其到相鄰GND區(qū)域的距離以及PCB材料的介電常數(shù)εr有關(guān)。針對這一問題，有一些專門的書籍和免費計算工具可作為指南。若走線寬度為0.2mm，GND 區(qū)域與走線的距離 >0.5mm，且εr= 4.7，對于兩層板(1.6mm標(biāo)準(zhǔn)厚度)，阻抗將遠(yuǎn)大于100Ω，對于信號層和GND層之間距離為150µm的多層板，阻抗近50Ω。

圖3 兩個容值分別為10nF 和 100pF的陶瓷電容器并聯(lián)在50Ω系統(tǒng)中的衰減


圖4 2個10nF 和 100pF的陶瓷電容并聯(lián)在連接走線包含寄生成分的50Ω系統(tǒng)中時的衰減

紅色：電容間及與其GND通孔間距離為10mm，每個電容一個GND通孔，走線寬度為0.2mm，頂層到GND層的板厚度為1.6mm。

綠色：優(yōu)化結(jié)果，電容間距離為5mm，電容與其GND通孔之間距離為1mm，每個電容兩個GND通孔，走線寬度為0.2mm，頂層到內(nèi)部GND層的板厚度為0.15mm。

觀察圖4中的紅色曲線，可明顯看到其與前面的圖不一樣。圖4顯示了若電路板布局不夠好，去耦性能會如何變化。對紅色曲線，假設(shè)如下：標(biāo)準(zhǔn)兩層PCB，電容器之間及與其GND通孔間的距離為10mm，且每個電容僅一個GND通孔。現(xiàn)在，在130MHz附近存在一個非常有害的諧振，衰減僅6dB。圖4中的綠線表示經(jīng)改進(jìn)后的電路板版圖的性能：現(xiàn)在采用多層板，兩個電容彼此更接近，且每一個電容有兩個GND通孔，距離各自的電容器僅1mm。結(jié)果獲得的去耦性能有大幅度提高，但似乎仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

從這個例子我們學(xué)到：首先，去耦電容必需盡量彼此靠近，并盡量靠近需要去耦的元件。其次，采用GND層就在信號層之下的多層PCB很有幫助。另外，在選擇電容之前，最好利用“真實的”電容做一些仿真，而不是憑直覺和經(jīng)驗進(jìn)行嘗試。在創(chuàng)新性的版圖設(shè)計中，甚至只需一組集中式電容即可對較大區(qū)域進(jìn)行去耦——然而，不應(yīng)該在全面仿真之前就貿(mào)然行事。

如本文所述，汽車制造商開始認(rèn)識到，EMC問題發(fā)現(xiàn)得越晚，成本就越高。工程師在自己的開發(fā)工作中，可以從這種認(rèn)識里大獲裨益。若在設(shè)計電路時就考慮到EMC的行為，那么在EMC鑒定測試期間，就一定可以避免許多麻煩事的發(fā)生。說了這么多，如果即使測試之前進(jìn)行了仔細(xì)的演練，設(shè)計還是沒有通過EMC測試的話，需要做些什么呢？換言之，萬一缺乏項目中EMC評估所需的足夠的時間、預(yù)算或經(jīng)驗，可以做些什么來改善事態(tài)呢？

答案是：并沒有標(biāo)準(zhǔn)流程可供參考。如果存在輻射問題，不妨采用場探針來檢測電路上的任何可能“熱點”。或者，若速度夠快，可把短隔離線連接到PCB上的某些“可疑”點，重新執(zhí)行某個失敗了的輻射測量。如果找出一個問題點，激勵數(shù)目將增加，立即會在已連接的接收儀器上明顯地反映出來。如果設(shè)計在敏感性方面的性能很差，就必須考慮到電路的哪些部分會受到影響(這可能常常是由抗擾性測量期間出現(xiàn)的故障所致)，而且耦合路徑必須確定。一旦查明電路的問題部分，可采用上述技巧來提高EMC性能。在這一點上，一個關(guān)鍵考慮事項是有效去耦需要一個可靠的GND區(qū)域。如果缺乏，重新設(shè)計電路板可能還更容易一些；若在實驗室，則可以增加一些銅片來便于更深入的優(yōu)化測量。

希望本文已闡釋清楚，關(guān)于EMC，根本沒有任何不可捉摸的事情，它就屬于應(yīng)用物理學(xué)范疇。然而，無疑地，即使使用了非常精密復(fù)雜的電磁仿真工具，我們關(guān)于耦合機制尤其是其參數(shù)的知識，也往往是不準(zhǔn)確的，有時是不完整的。因此，在工藝方面，總是存在一些不可預(yù)估的東西(或不確定性)。而在這一專業(yè)學(xué)科里，這些不可預(yù)估性也是我們每天都會遇到的挑戰(zhàn)。