最低EMI電路設計

要確保低輻射發(fā)射(RE)，設計電路原理圖和PCB版圖時必須應用最佳實踐經(jīng)驗，包括為供電回路、USB數(shù)據(jù)線、以太網(wǎng)等信號添加鐵氧體磁珠以過濾EMI.此外，供電回路上適當放置充足數(shù)量的去耦合電容器可以最大限度地減少電源分配網(wǎng)絡阻抗，進而降低數(shù)字負載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風險。同時，優(yōu)化開關電源的閉合回路補償網(wǎng)絡設計以實現(xiàn)穩(wěn)定閉合回路，能夠確保電壓輸出可控，并最大幅度地降低開關噪聲紋波幅度。噪聲紋波幅度降低可以顯著抑制原型的EMI風險。

 

高頻或快上升/下降沿信號的PCB走線應參考連續(xù)回路(例如參考地平面)，以降EMI風險。走線不能經(jīng)過任何分割平面和孔洞。如果信號需要通過過孔完成層間傳輸，緊鄰信號過孔位置應放置至少一個接地過孔，作為信號電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒有適當?shù)幕亓髀窂?，返回電流可能在PCB中隨意傳輸，成為潛在的EMI源。

 

出色的接地方案也是最大限度降低EMI的關鍵因素。所有PCB設計都必須避免接地回路，因為返回信號電流經(jīng)過時接地回路將形成輻射發(fā)射機。設計接地為寬參考面可以構(gòu)建出色的接地方案。不同電路組(例如射頻、模擬和數(shù)字電路)的地平面應當物理隔離，并通過鐵氧體磁珠建立電路連接，以幫助防止高頻噪聲在電路組之間傳播。

 

完成PCB版圖設計后應執(zhí)行仿真進行EMI分析，以便在制造前確保PCB具有較低的輻射發(fā)射風險。省略EMI仿真可能無法保證PCB的EMI性能，會導致重新設計。如果EMI仿真結(jié)果符合技術規(guī)范要求，設計人員即可開始PCB制造，然后使用頻譜分析儀對原型PCB執(zhí)行近場電磁掃描。EMI仿真和近場電磁掃描等預兼容檢測可以增加設計人員的信心，確信原型具有較低的EMI。完成預兼容檢測后，被測器件即可執(zhí)行實際微波暗室EMI一致性測試。

 

 

完成PCB版圖設計后，將版圖文件導入EMPro 2013.07 執(zhí)行3D EMI仿真。選擇差分信號進行有限元法(FEM)三維電磁場仿真。三維電磁場仿真是設置電磁邊界條件和模型網(wǎng)格尺寸并求解麥克斯韋方程的過程。為確保仿真結(jié)果精度，邊界尺寸應設為PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應設為PCB寬度的1/5以下。運行三維電磁場的計算機需要配置16G以上的內(nèi)存和100G以上的存儲容量，以確保分析順利進行。

 

設置遠場傳感器捕獲發(fā)射電磁場，并利用EMPro的EMI仿真模版計算遠場發(fā)射功率，然后設置10m距離的電場探頭，繪制頻域響應圖。再執(zhí)行時域有限差分法(FDTD)模式的三維電磁場仿真，并與FEM模式的仿真結(jié)果進行對比。

 

參見30MHz~1GHz頻率的電場強度仿真圖(圖1)(電場強度單位dBμV，頻率單位GHz)，輻射功率電平(藍色曲線為FEM模式仿真，紅色曲線為FDTD模式仿真)低于約45dBμV的FCC最大閾值(綠色虛線)。

 

圖1 仿真EMI圖

 

 

制成并組裝原型PCB后，使用頻譜分析儀對原型進行近場電磁掃描。連接頻譜分析儀的單匝線圈捕獲原型發(fā)射的近區(qū)電磁場。圖2是30MHz~1GHz頻率范圍的頻域信號(電磁場功率電平單位dB，頻率單位Hz)。

 

圖2 電磁掃描測量圖

 

400MHz附近時出現(xiàn)最大功率強度(-66.4dBm)的尖峰。作為近區(qū)傳感器的線圈在距離被測器件3英寸的范圍內(nèi)移動。30kHz的頻譜分析儀分辨率帶寬可以實現(xiàn)低本底噪聲(-80dBm)測量，因此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見。要增強原型通過微波暗室遠場(3m和10m)EMI一致性測試的信心，近區(qū)功率峰值應低于-65dBm。

 

 

圖3為原型在微波暗室的3m遠場EMI一致性測試結(jié)果。紅線顯示的是CISPR 11A類最大輻射發(fā)射功率電平：30MHz~1GHz頻率范圍內(nèi)低于56dBμV。紅線下方的棕色曲線表示是德科技(原安捷倫)EMC指南中規(guī)定的保護頻段。輻射波的垂直和水平分量分別由藍色和綠色曲線表示。400MHz和560MHz頻率時出現(xiàn)兩個分別為38dBμV和37dBμV的功率峰值，均低于最大閾值。

 

圖3 3m輻射發(fā)射測量結(jié)果

 

 

最后我們可以了解到，在電源的pcb設計中低EMI電路設計和預兼容檢測(例如三維EMI仿真和近場電磁掃描)十分重要，可以避免不必要的PCB重新制造，節(jié)省開發(fā)成本和時間，并且能夠縮短微波暗室EMI一致性測試時間，確保電子器件按時甚至提前投放市場。


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