【導(dǎo)讀】電子工程師在設(shè)計(jì)電路產(chǎn)品的時(shí)候，最頭疼的就是電磁兼容測(cè)試這一關(guān)了，搞得好一次性通過(guò)，搞不好的可能就要重新來(lái)過(guò)。所以能夠建立一個(gè)低電磁干擾原型是很必須的，這樣就可以少了很多麻煩事，同時(shí)也能提高電子產(chǎn)品的通過(guò)率，做到高效，低成本。那么如何構(gòu)建低電磁干擾原型？有哪些關(guān)鍵步驟呢？
本文探討在微波暗室一致性測(cè)試之前構(gòu)建低電磁干擾(EMI)原型的關(guān)鍵步驟，包括設(shè)計(jì)低輻射的電路以及預(yù)兼容檢測(cè)。預(yù)兼容檢測(cè)包括使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)印刷電路板(PCB)版圖模型進(jìn)行仿真及EMI分析，再使用頻譜分析儀(SA)對(duì)原型PCB進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。最后，執(zhí)行微波暗室測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)。
最低EMI電路設(shè)計(jì)
要確保低輻射發(fā)射(RE)，設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB版圖時(shí)必須應(yīng)用最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，包括為供電回路、USB數(shù)據(jù)線、以太網(wǎng)等信號(hào)添加鐵氧體磁珠以過(guò)濾EMI。此外，供電回路上適當(dāng)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(luò)阻抗，進(jìn)而降低數(shù)字負(fù)載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，并減少輻射風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的閉合回路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以實(shí)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(kāi)關(guān)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(fēng)險(xiǎn)。
高頻或快上升/下降沿信號(hào)的PCB走線應(yīng)參考連續(xù)回路(例如參考地平面)，以降EMI風(fēng)險(xiǎn)。走線不能經(jīng)過(guò)任何分割平面和孔洞。如果信號(hào)需要通過(guò)過(guò)孔完成層間傳輸，緊鄰信號(hào)過(guò)孔位置應(yīng)放置至少一個(gè)接地過(guò)孔，作為信號(hào)電流從接收端返回發(fā)射端的回流路徑。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)幕亓髀窂剑祷仉娏骺赡茉赑CB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(guān)鍵因素。所有PCB設(shè)計(jì)都必須避免接地回路，因?yàn)榉祷匦盘?hào)電流經(jīng)過(guò)時(shí)接地回路將形成輻射發(fā)射機(jī)。設(shè)計(jì)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(yīng)當(dāng)物理隔離，并通過(guò)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(shè)計(jì)后應(yīng)執(zhí)行仿真進(jìn)行EMI分析，以便在制造前確保PCB具有較低的輻射發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)。省略EMI仿真可能無(wú)法保證PCB的EMI性能，會(huì)導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)。如果EMI仿真結(jié)果符合技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)人員即可開(kāi)始PCB制造，然后使用頻譜分析儀對(duì)原型PCB執(zhí)行近場(chǎng)電磁掃描。EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描等預(yù)兼容檢測(cè)可以增加設(shè)計(jì)人員的信心，確信原型具有較低的EMI。完成預(yù)兼容檢測(cè)后，被測(cè)器件即可執(zhí)行實(shí)際微波暗室EMI一致性測(cè)試。
仿真EMI分析
完成PCB版圖設(shè)計(jì)后，將版圖文件導(dǎo)入EMPro 2013.07 執(zhí)行3D EMI仿真。選擇差分信號(hào)進(jìn)行有限元法(FEM)三維電磁場(chǎng)仿真。三維電磁場(chǎng)仿真是設(shè)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(guò)程。為確保仿真結(jié)果精度，邊界尺寸應(yīng)設(shè)為 PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應(yīng)設(shè)為PCB寬度的1/5以下。運(yùn)行三維電磁場(chǎng)的計(jì)算機(jī)需要配置16G以上的內(nèi)存和100G以上的存儲(chǔ)容量，以確保分析順利進(jìn)行。
設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)傳感器捕獲發(fā)射電磁場(chǎng)，并利用EMPro的EMI仿真模版計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射功率，然后設(shè)置10m距離的電場(chǎng)探頭，繪制頻域響應(yīng)圖。再執(zhí)行時(shí)域有限差分法(FDTD)模式的三維電磁場(chǎng)仿真，并與FEM模式的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
參見(jiàn)30MHz～1GHz頻率的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖(圖1)(電場(chǎng)強(qiáng)度單位dBμV，頻率單位GHz)，輻射功率電平(藍(lán)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。
近場(chǎng)電磁測(cè)量
制成并組裝原型PCB后，使用頻譜分析儀對(duì)原型進(jìn)行近場(chǎng)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(chǎng)。圖2是30MHz～1GHz頻率范圍的頻域信號(hào)(電磁場(chǎng)功率電平單位dB，頻率單位Hz)。
圖2：電磁掃描測(cè)量圖。
400MHz附近時(shí)出現(xiàn)最大功率強(qiáng)度(-66.4dBm)的尖峰。作為近區(qū)傳感器的線圈在距離被測(cè)器件3英寸的范圍內(nèi)移動(dòng)。30kHz的頻譜分析儀分辨率帶寬可以實(shí)現(xiàn)低本底噪聲(-80dBm)測(cè)量，因此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見(jiàn)。要增強(qiáng)原型通過(guò)微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)(3m和10m)EMI一致性測(cè)試的信心，近區(qū)功率峰值應(yīng)低于-65dBm。
EMI一致性測(cè)試
圖3為原型在微波暗室的3m遠(yuǎn)場(chǎng)EMI一致性測(cè)試結(jié)果。紅線顯示的是CISPR 11 A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(hù)頻段。輻射波的垂直和水平分量分別由藍(lán)色和綠色曲線表示。400MHz和560MHz頻率時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)分別為38dBμV 和37 dBμV的功率峰值，均低于最大閾值。
圖3：3m輻射發(fā)射測(cè)量結(jié)果。
總結(jié)
低EMI電路設(shè)計(jì)和預(yù)兼容檢測(cè)(例如三維EMI仿真和近場(chǎng)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(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，并且能夠縮短微波暗室EMI一致性測(cè)試時(shí)間，確保電子器件按時(shí)甚至提前投放市場(chǎng)。
