Review of Printed - Circuit - Board Level EMI - EMC issues and tools

印刷电路板板级电磁干扰/电磁兼容性问题要点及工具回顾

印刷电路板板级电磁干扰/电磁兼容性问题要点及工具评述

Bruce Archambeault、Colin Brench、Sam Connora

IEEE ——电气与电子工程师协会会员、高级会员

摘要：

有关印刷电路板（PCB）板级电磁兼容性问题、分析技术与可行解决方案的评述内容相当之多（作者语：至少可以写成一本书）。此篇评述将在PCB电磁兼容性控制技术的早期情况、现今发展和未来走向等方面给您一个简明的介绍。随着印制电路板运行速率的与日俱增，我们面临着新的问题，需要新的分析技术和解决方案。我们更需要长足深远的发展来满足印制电路板运行速率的增加和电路板集成度的不断增长。 关键词：电磁干扰/电磁兼容性（EMI/EMC），EMI/EMC趋势、印制电路板设计、印制电路板工具。

随着处理器处理速度、时钟主频和数据通信链路速度的高速提升，电磁干扰（EMI）

Ⅰ.概述

和电磁兼容性（EMC）设计领域经历了意义重大的改变。EMC问题根源的更深入了解和基础物理学的相关知识，从以前只能简单、盲目使用EMC规则检查的设计办法手中接管了未来PCB设计的走向。并且，应用于任何人类分析师都要花费数以月记宝贵时间才能完成、最高10层的PCB板分析工具已经得到了开发和发展。为了满足技术需要和确保系统能在潜在系统内、系统间干扰下正常工作，我们需要所有的EMI/EMC技术领域都得以进一步发展。

此篇评述的目的是回顾EMI/EMC技术的过去，了解其发展现状和展望未来需要。回想EMI/EMC技术发展的一路艰辛和已获成就，我们面临的未来挑战是令人头疼的，却也是催人奋进、燃起激情的。

此篇文章接下来的内容分为五个专题部分。第二章简述早期的EMI/EMC发展，以如今的划分标准大致在20世纪90年代中期之前。当时典型电子系统的工作主频在25Mhz以下，并且印制电路板的层数从应用简单的个人计算机的两至四层，到更复杂的超级计算机的高达10层。第三章简述的时间是从1995年直至今日。这个时期的系统主频，范围从25兆到数百兆赫兹，CPU（中央处理器）的速度已然超越1Ghz，而且现今的数据通

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信速率已经大致达到5Gb/s。这些数据传输速率（基波）和其相应谐波的波长已然相当甚至小于许多设备本身的大小，所以现在需要注意更多的细节。

第四章的内容是开始展望（EMI/EMC）未来的技术手段和设备发展。为了使现有和未来的设备产品，在工作于如此高的频率下而不产生明显的信号衰退表现或增加太多的成本，我们开始真正研发新型并具有革命性创新的方案。在近期，CPU的主频不会有太大的提高，所以现有的趋势是在同一个专用集成电路或模块下集成更多的CPU内核，并且在它们之间一般有着非常高速的数据交换。第五章将会探讨一些更有研究和发展意义的未来领域。在10到20Gb/s范围内的数字数据链路将会有短暂的使用周期，并且在系统内和系统间的EMI/EMC领域十分可能产生新的问题与挑战。最后，在六章将会讨论一些非常重要的特殊事项和交叉的学科领域。特殊的几类，比如：具有多重发射源的蜂窝式移动电话数量呈爆炸式增长，它们在频段上与很多数字电路（系统）相临近；电动车辆具有非常高的低频噪声；非金属材料车辆具有非常脆弱的接地方式和直流电路回路，是它们特有的EMI/EMC问题。 Ⅱ.前期

可以说，所谓的早期可以追溯到老式真空电子管收音机和电子元器件靠超长的引脚绕系到电路上的年代。实际上，“早期”的定义是十分主观的，几乎可以说跟作者的年龄十分有关系！在此篇文章中，我们把“早期”定义为20世纪90年代中期之前的所有时间。在那些年月，（电子系统的）时钟周期基本都低于25Mhz，而且在产品的开发周期早期，几乎没有什么电磁干扰和电磁兼容性（EMI/EMC）设计。（当时的）EMI/EMC设计最多只包括使用容性滤波器对时钟脉冲进行小波整形，而使上升、下降沿时间减缓，还有就是确保I/O接口和（其他元件的）接口间有滤波器。

大多数电磁干扰/兼容性（EMI/EMC）问题都是在研发周期完成之后发现的，这导致了产品上市的延缓，给公司和项目组带来更大的资金开销。大多数的电磁辐射干扰来自于连接线缆，因为与当时产品实际尺寸相比，系统产生的波长更长一些，相比之下还是线缆有更好的天线效应（作者语：线缆是更好的天线）。

因为在今天的标准看来，（当时的）数据和时钟周期速率很低，所以电磁辐射基本都只在低频段发生。那时，在一些检测实验室里，前期验证中基本不用对数周期天线进行扫描（200MHz—1GHz）是非常常见的，因为那时很少有能超过200Mhz的电磁辐射！图1显示了那个时代的一个计算机电磁辐射图表样例。

与现在相比，那时的电磁兼容工程师可用的PCB相关工具非常有限。大多数简单结构的PCB检测都是人工的应用一般的天线理论或解析方程二者或其中一种来解决。因为

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这些波的波长都很长，而且这些实际结构的简化建模也不是十分重要，所以这些方法都是可行的。

图表1:20世纪80年代的电磁辐射图表样例

那时也有一些可用的二维或三维（2-D/3-D）准静态LRC提取工具，但是大多数的仿真都是由横向电磁场传输线解算程序完成的。这些工具也是可以应用的，原因也是产品的尺寸与波的波长相比要小一些。

当时的PCB工具大多是PCB布线人员在透写桌和纸质副本上努力费力从PCB板上逐描导线轨迹。这种方法非常的耗时并且容易出现人为错误。

III.现今发展

自从20实际90年代开始，我们见证了典型系统时钟主频由25MHz发展到了数百Mhz，CPU的处理速度已然超过了1GHz，而且数据通信的速度最高可达到10Gb/s。辐射干扰程度因此大大增加。图表2向我们展示了一个在1到20Ghz范围内的并有许多谐波的样例图表。

这些数据传输率的波长和它们的谐波已然明显小于许多器件，我们需要更多的注意

那些容易被忽略却又十分重要的小细节。

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