共模電流和EMI輻射

EMI輻射主要由共模電流引起。所謂共模電流主要是指那些在意料不到的地點(diǎn)所出現(xiàn)的電流。共模電流與附近的輸入/輸出電纜或其他沒有很好屏蔽的導(dǎo)體耦合，從而引起了輻射。共模電流常由各種不同的設(shè)計(jì)缺陷而造成。PC線路板上的走線路徑（traces）是為了讓所有返回的電流通過線路板的參考平面（通常是電源平面或者地平面）中的走線路徑直接返回。然而并非所有的返回電流都能夠直接經(jīng)過信號(hào)走線返回。因?yàn)樵噲D找到電感最小的返回路徑，返回的電流會(huì)蔓延到整個(gè)平面上。大部分返回電流將經(jīng)過設(shè)計(jì)的走線返回，但并非全部電流都會(huì)通過規(guī)定的走線返回，從而導(dǎo)致部分電流在那些從未想到的不該出現(xiàn)的地方出現(xiàn)了。線路板的布局設(shè)計(jì)對(duì)高速信號(hào)來說常常不是最佳的。例如高速時(shí)鐘的布線路徑越過線路板參考平面的斷面（如電源平面中的連接不同直流電源的供電線路部分）時(shí)，返回電流一定會(huì)找到某些其他的路徑流回電源。即使在越過電源平面的裂口處放上電容器，由于電容器、必要的通孔、襯墊等的附加電感，也會(huì)使返回電流中的高頻率成分不僅僅局限于信號(hào)布線的走線中。

另外一個(gè)常見的問題是當(dāng)高頻信號(hào)線路的布線經(jīng)過信號(hào)通孔連接到線路板的不同層面時(shí)發(fā)生的。此時(shí)返回電流一定會(huì)越過一個(gè)層面流到另外一個(gè)層面（可能通過電容耦合、附加電感、通孔等），電流返回電源的路徑常常出人意料。

雖然產(chǎn)生共模電流的原因多種多樣，并且很難預(yù)測(cè)，但是所有的共模電流都來自有意義的信號(hào)電流，這一點(diǎn)是100%正確的。這就是說，在PC機(jī)的線路板上的某處，有用的信號(hào)常常在無意中產(chǎn)生了搗亂的共模電流。因此有必要確認(rèn)那些有用信號(hào)的必要諧波分量確實(shí)在我們的控制中，而那些沒有用處的諧波分量已被我們清除掉了。因此在輸入/輸出端口添加濾波器或者在屏蔽封裝中添加襯墊來阻止從現(xiàn)有的屏蔽封裝中泄漏出來的高頻諧波分量，已沒有任何意義，因?yàn)槲覀円呀?jīng)從根本上消除了原始信號(hào)源中那些沒用的產(chǎn)生干擾的諧波分量。

信號(hào)完整性工具

大多數(shù)高速PC機(jī)線路板在設(shè)計(jì)時(shí)都經(jīng)過許多種不同的商業(yè)信號(hào)完整性分析軟件工具的檢驗(yàn)。工程師們用信號(hào)完整性分析工具，核查線路板的布局布線，以確認(rèn)在接收端的電壓波形是否符合電路正確運(yùn)行必須達(dá)到的指標(biāo)。有時(shí)終端匹配電阻需要修改，有時(shí)甚至電路需要做更大的修改，才能使接收端的波形達(dá)到要求。一旦電壓波形符合要求，分析工作也告結(jié)束。但這樣做會(huì)在不同的設(shè)計(jì)中使終端匹配電阻各不相同。一般情況下，設(shè)計(jì)人員并不進(jìn)行定量分析以決定終端匹配電阻的最佳值，只要終端匹配電阻起作用，就認(rèn)可了。但是終端匹配電阻值的選擇是否準(zhǔn)確，確實(shí)能對(duì)電路布線路徑上有用的信號(hào)電流產(chǎn)生巨大的影響。

正象以前提到的那樣，所有共模電流都來自有用的信號(hào)電流。因此分析電路走線上的電流和電壓波形都是有用的。但是很遺憾，幾乎沒有什么商業(yè)軟件工具可以允許進(jìn)行有實(shí)際意義的電流分析。但HyperLynx 公司軟件的BoardSim/LineSim工具可以進(jìn)行這項(xiàng)分析，該仿真工具是最早可以買到的電流分析工具之一。本論文中所有的例子都是采用BoardSim/LineSim工具，分析具體的PC機(jī)線路板而得到的。

終端策略和EMI輻射

正如前面提到的那樣，電磁兼容性（EMC）應(yīng)用中的電流分析是很重要的。選擇不同的終端匹配電阻，電流幅度和波形將有顯著的不同。例如，若選用CMOS負(fù)載（即有等效電容負(fù)載）作為串聯(lián)的終端匹配電阻，則當(dāng)電壓脈沖的上升或下降時(shí)刻，就會(huì)出現(xiàn)短暫的電流脈沖。而選用純電阻性的負(fù)載（有時(shí)候稱作直流并行負(fù)載），則電流波形與電壓波形看起來很一致。自然，這兩種不同電流波形的頻譜是非常不同的?；叵胍幌戮W(wǎng)絡(luò)終端匹配的目的是很有用的，一般說來，終端匹配的目的是吸收沿著線路網(wǎng)絡(luò)傳播的能量，使其不產(chǎn)生反射。例如，在理想的情況下，50歐姆的電路走線其終端匹配電阻應(yīng)該選用50歐姆的電阻，若選用該電阻做終端匹配電阻，在線路中就不會(huì)產(chǎn)生反射。

然而，我們很難提供這種受約束的、純電阻的負(fù)載。若我們?cè)诰€路的遠(yuǎn)端用一個(gè)電阻接地（直流并聯(lián)接地）來做終端匹配，則一定會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)與電阻負(fù)載并聯(lián)的電容，這將會(huì)在某一些頻率上產(chǎn)生阻抗的不匹配。這種阻抗的不匹配將會(huì)引起反射。這些反射有可能引起用電壓脈沖表示的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。但是這些反射經(jīng)常會(huì)沿著線路布線產(chǎn)生高頻駐波。這些駐波把線路布線變成了非常高效率的天線。我們的目標(biāo)是把線路的終端匹配好，使得與想要傳輸?shù)碾妷?電流脈沖信號(hào)有關(guān)的任何高次諧波都不會(huì)產(chǎn)生反射。對(duì)在遠(yuǎn)端串連電容/電阻阻抗（交流并聯(lián)接地）的終端匹配進(jìn)行類似分析的結(jié)果表明，終端阻抗不可能在所有頻率上與線路網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配。

使用串聯(lián)電源端終端匹配方法（series-source termination）是另一種替代辦法。在這個(gè)方法中，不需要配置遠(yuǎn)端的終端匹配電阻，而且我們期望線路遠(yuǎn)端會(huì)產(chǎn)生反射。我們把終端匹配電阻串連到電源附近的線路上，選擇恰當(dāng)?shù)钠ヅ潆娮柚?，使得電源阻抗與線路網(wǎng)絡(luò)阻抗正好匹配，這樣做就可以避免（由電源近端不匹配所產(chǎn)生的）二次反射。因?yàn)槎畏瓷浔唤K止了，駐波也就不會(huì)產(chǎn)生，因而就有可能降低EMI輻射。在下一節(jié)中的例子我們將可以看到，對(duì)線路網(wǎng)絡(luò)上的電流做仔細(xì)的分析也是很重要的。

采用二極管做終端匹配阻抗雖然看起來可以產(chǎn)生非常好的電壓波形，但是必須付出電流波形很差的代價(jià)。這是因?yàn)槎O管兩端的管壓降變化很?。芫S持基本不變），但電流可以有很大的變化。記住，這將產(chǎn)生電流輻射而不是電壓輻射，所以很容易看到采用二極管做終端匹配對(duì)電磁兼容性的改進(jìn)很不利，應(yīng)該避免。

信號(hào)電流分析舉例

下面舉一個(gè)例子，說明如何通過電流分析來降低個(gè)人計(jì)算機(jī)PC線路板的電磁干擾輻射。選擇工作頻率為133MHz的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)做分析。用適當(dāng)IBIS模型分別表示驅(qū)動(dòng)器和接收器。采用電源串聯(lián)電阻終端匹配的方案。對(duì)本線路網(wǎng)絡(luò)“缺省”的終端匹配電阻值為22_。

圖1：選用不同的終端匹配電阻時(shí)，在接收端看到的電壓波形

可以選用不同的終端匹配電阻，當(dāng)終端匹配電阻在10_到39_（典型范圍）之間改變時(shí)，接收端相應(yīng)的電壓波形有所改變。圖1顯示了終端匹配電阻的選擇對(duì)電壓波形的影響。隨著終端匹配電阻值的增加，脈沖的幅度有一些降低，上升時(shí)間有一些延長(zhǎng)。分析信號(hào)完整性的工程師可能愿意接受任何一個(gè)圖上顯示的波形，因?yàn)樗鼈兌甲銐蚝?，可以確保系統(tǒng)的正確運(yùn)行。因?yàn)檫@個(gè)分析的目的是為了減少可能的輻射，接收器端線路上的電流也得到了分析。

圖2：選用不同的終端匹配電阻時(shí)，在接收端看到的電流波形

圖2顯示了當(dāng)終端匹配電阻值不同時(shí)，接收端的電流波形各不相同。我們立刻可以看出當(dāng)匹配電阻為10_時(shí)，其電流值遠(yuǎn)比選用其他匹配電阻值時(shí)大。進(jìn)一步分析表明當(dāng)匹配電阻為22_和25_時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些“特別”的波形，當(dāng)選用的匹配電阻值繼續(xù)增大時(shí)，這些特別的波形便消失了。

雖然這很有用，但這并沒有真正說明高頻諧波（最常見的輻射問題）減少的具體數(shù)量。因此，需要對(duì)時(shí)間域的信號(hào)波形進(jìn)行傅立葉變換以得到頻率域的頻譜。選用不同的終端匹配電阻時(shí)的電壓和電流的頻譜如圖3和圖4所示。

圖3：選用不同的終端匹配電阻時(shí)，有用信號(hào)諧波電流的幅度與頻率的關(guān)系
 

圖4 ：選用不同的終端匹配電阻時(shí)，有用信號(hào)諧波電流的幅度與頻率的關(guān)系（1~2GHz）

以上結(jié)果表明每個(gè)諧波頻點(diǎn)上的電流幅度差別很大。對(duì)每一個(gè)諧波頻率點(diǎn)做進(jìn)一步分析可以看到當(dāng)終端匹配電阻從10_變化到30_時(shí)，電流幅度逐漸下降。進(jìn)一步增加電阻值并不能顯著地降低給定諧波頻率上的電流幅度。

圖5：選用不同的終端匹配電阻時(shí)，有用信號(hào)諧波電流幅度的縮減與頻率的關(guān)系

圖5顯示了采用不同的終端匹配電阻時(shí)，信號(hào)諧波的電流變化（delta）幅度的縮小與頻率增加的關(guān)系圖。這幅圖顯示在各不同的諧波頻率點(diǎn)，不管終端匹配電阻是從10_變化到39_，還是從10_變化到30_，這兩種情況下，電流幅度的縮小基本相同。正如圖5所示，在某些諧波頻率點(diǎn)，電流幅度的減少高達(dá)45dB。

這個(gè)結(jié)論非常有意義，因?yàn)橛昧私K端匹配電阻就能顯著地減少輻射電流，這樣做幾乎沒有什么產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還會(huì)遇到電磁輻射達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的問題。有用信號(hào)的高頻諧波的電流幅度減小了，潛在的引起干擾的共模電流也將減小同樣的量。這樣將在最終產(chǎn)品中大大減少對(duì)濾波和屏蔽密封的需求。工程師們應(yīng)該對(duì)他們自己說，“輻射是由于不需要的電流引起的，我們只需要把不需要的電流消除就行了，為什么我們還要與輻射問題較勁呢？”

本論文表明，EMI輻射的顯著減少最終可以通過減少共模電流中的高頻諧波分量達(dá)到，即首先減少內(nèi)部電流中的諧波頻率的幅度。終端匹配電阻值的選擇要合適，使電流頻譜幅度的減少達(dá)到一定的程度，此時(shí)接收器端的電壓波形仍然能滿足功能要求。

既然不同歐姆值的電阻價(jià)格基本相同，所以選擇不同阻值的匹配電阻就能顯著地降低有用信號(hào)電流的諧波幅度，因此對(duì)制造芯片來說不需付出任何額外的代價(jià)。研究信號(hào)完整性的工程師們，用這種類型的分析方法，在他們的設(shè)計(jì)中大大降低了EMI輻射。在本文的例子中，串聯(lián)終端匹配電阻值選在10Ω~39Ω之間，對(duì)傳統(tǒng)的信號(hào)完整性分析而言，這些阻值是可以接受的。但是如果想要進(jìn)一步降低EMI輻射，我們發(fā)現(xiàn)30Ω是最佳的終端匹配電阻值。雖然本文的分析并非想說明設(shè)計(jì)工作不需要電磁兼容工程師的參與，但這清楚地表明，PC線路板工程師只要采用新的信號(hào)完整性分析工具，稍微擴(kuò)展一下傳統(tǒng)的信號(hào)完整性分析的工作，就能使設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品完全符合電磁兼容性方面的要求。