摘要：随着日常生活中使用的电子产品种类越来越多，各种电子设备在工作时都会产生电磁波，造成了各种频率的电磁干扰。本文介绍了对电子设备的电磁干扰测量要求，从电磁波的产生机理着手，分析PCB为什么会产生电磁干扰，哪些是产生电磁干扰的主要辐射源；从电磁干扰辐射强度相关因素着手，分析PCB中产生电磁辐射的具体情况，并给出减小或消除这些产生电磁干扰的因素。
关键字：PCB； EMI ；原因；对策
0前沿
自从英国科学家麦克斯韦从理论上预言并推导出了电磁波的规律，建立了理论体系，到二十年后德国科学家发现并用试验验证了电磁波的存在，后来的人们发明了无线电报、广播、电话、传真、电视、微波、雷达、卫星通讯、电子计算机因特网等极大地改善了人们的生活。但伴随着人们享受各种电子产品带来便利的同时，这些电子产品也产生对人们的生活环境造成污染的无用电磁波，这就是电磁干扰。这里简单讨论一下电子产品的PCB中产生无用电磁波的原因以及怎样减轻或消除这些干扰。
1 EMI分类
电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI），任何可能引起装置、设备或系统性能降低的电磁现象均称为电磁干扰。在实际使用和相关的法规中，通常按照耦合方式的不同来进行分类：
1.1传导发射干扰
传导发射是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他分离电子元器件耦合到被干扰设备或线路。常用的传导发射干扰电压测试标准为CISPR11和CISPR 22，测试频率范围为9kHz～30MHz，传导发射测试通常对电源端口或和通信端口进行，测试的结果是一张频谱图，即各个频率点的传导发射强度。
1.2辐射发射干扰
辐射发射是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备或电路。常用的辐射发射测试标准为CISPR11和CISPR 22，测试频率范围为30MHz～18GHz，辐射发射测试通常是指在半电波暗室或者开阔场进行进行，测量天线与被测物的距离一般为3米或3米以上，测试的结果是一张频谱图，即各个频率点的辐射发射强度。
实际上电磁干扰是电磁波干扰。而电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。在PCB的电路、尤其是数字电路中，到处都存在变化的电场，这就是PCB产生电磁干扰的原因，尤其是晶振、开关电源和其他时钟电路，这些都是PCB上产生电磁干扰的主要源头，称之为辐射源。但产生了电磁干扰不代表就一定会对环境造成实质性的干扰，在有相应长度的天线配合下，这些电磁干扰才能对环境造成明显影响。
低频率（1MHz以下）的电磁波，要借导电体才能传递。原因是低频的电磁振荡中，磁电之间的相互转变比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；高频率（1MHz以上）的电磁波既可以在自由空间内传递，也可以在导电体内传递。在自由空间内传递的原因是高频率的电振振荡中，磁电相互转变很快，能量不可能全部返回原振荡电路。
电磁波的波长和频率的关系为：
λ= 300/f
其中：λ是电磁波的波长，单位是米
f是电磁波的频率，单位是MHz
在距离辐射源λ/2π范围内的电磁场叫近场，距离辐射源2λ范围外的电磁场叫远场。远场就是通常所称的电磁波。在PCB造成的电磁干扰中，近场的电场和磁场都很强，但衰减会很快。
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电磁波的辐射强度(E)与电流（I）、电流环路的面积（A）以及频率（f）的平方成正比，与到干扰源的距离（r）成反比：
E∝Af2I/r
其中：E为辐射电场强度
A为电流环路面积
f为频率
I为电流
r为环路中心到测试仪接收天线之间的距离
下面就这几个因素分别进行阐述。
电流环路面积是指从信号源引脚经信号输出线到信号接收引脚，再从信号接收端的地线到信号源地引脚所包围的面积。
为了减小电流环路面积，就要尽可能缩短信号源到信号接收端的输出引线，同时缩短信号接收端到信号源的地线长度；将信号源的输出引线尽可能靠近信号接收端到信号源的地线也是必要的。
在PCB设计中减小电流的环路面积的方法是，将晶振靠近芯片时钟输入引脚，同时在时钟输出线两边用地线包围护送，或者将时钟输出线走在多层PCB板的两层地平面之间，这样都能有效减小时钟线的电流环路面积，从而减小时钟信号引起的辐射发射干扰。其他时钟信号线走线采用这种方法也能有效减少辐射发射干扰。
这里的频率指形成对外辐射干扰的所有频率，包括本振频率及其谐波频率，而谐波的最高频率是由本振波形的上升沿决定的，具体关系如下：
fmax = 1/(π * tr)
其中：fmax 为方波谐波的最高频率(MHz)
tr 为方波的上升沿时间(μS)
π 为圆周率
因此，在满足设计性能要求的情况下，选用慢速率的器件有利于减少高频谐波的辐射发射干扰。
在信号线上串联阻尼电阻也可以使信号线的上升沿时间加大，也就是使信号的上升沿变缓，从而减小谐波的频率。具体方法就是在单向信号线的发端串联阻尼电阻，阻尼电阻的阻值一般为几十欧姆，可以通过PCB板的后仿真来确定阻值，也可以采用实际测量信号的波形来确定阻尼电阻的阻值。
减小信号驱动电流。方法是在信号线上串联阻尼电阻，阻尼电阻的阻值一般为几十欧姆。串联阻尼电阻也同样会使信号的上升沿时间变大，因此，阻尼电阻的阻值也需要通过PCB后仿真或测量信号的波形来确定。
除了上面关系公式所列举的影响电磁干扰强度的电流环路、辐射频率、辐射电流、距离辐射源的距离四个因素外，还有一个天线因素与辐射发射密切相关，在PCB设计中，与辐射源相连的PCB走线或穿越辐射源的PCB走线是辐射源的天线，天线的长度决定了辐射源的辐射效率，当天线的长度等于辐射源波长的四分之一时，其辐射效率最高。因此尽可能缩短各种辐射源附近的PCB走线对于减小辐射发射相当有益。
结语
综上所述，PCB设计中EMI产生原因是由于其工作过程存在变化的电流，EMI的强度与变化电流的强度、电流环路面积、变化电流的频率相关，而且与变化电流附近的PCB走线长度相关。因此应尽量减小变化电流的环路环路面积、降低变化电流的频率、尽量缩短变化电流信号的PCB走线，对减小PCB的EMI都是必要的和有益的。
参考文献
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[4]区健昌．电子设备的电磁兼容性设计[M]．北京：电子工业出版社，2003．
作者简介
岳峰，男，1980年2月，工程师，南京国电南自软件工程有限公司。
董金才，男，1965年9月，工程师，南京国电南自软件工程有限公司。
论文作者:岳峰1,董金才2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/4/10
标签：电磁波论文; 电流论文; 辐射源论文; 频率论文; 环路论文; 电磁干扰论文; 信号论文; 《电力设备》2017年第2期论文;