線束與 PCB 連接處的電磁干擾 （EMI） 是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)之一。這些接口點(diǎn)充當(dāng)薄弱環(huán)節(jié)，不需要的信號(hào)可能會(huì)從您精心設(shè)計(jì)的電路中逸出，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

本常見問題解答討論了四種協(xié)同工作的技術(shù)：屏蔽連接器、智能 PCB 布局、正確接地和共模扼流圈。將這些方法作為集成系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，您可以在保持設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的 EMC 法規(guī)遵從性。

屏蔽連接器提供第一道防線

當(dāng)高頻信號(hào)通過連接器傳播時(shí)，如果屏蔽層斷裂，它們會(huì)輻射電磁場(chǎng)。這種輻射會(huì)干擾附近的電路，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

屏蔽連接器使用三種主要方法解決這些問題：

• 完整的 360 度屏蔽覆蓋所有信號(hào)接觸點(diǎn)和 SMT 連接區(qū)域。

• 多個(gè)接地點(diǎn)為電流安全返回創(chuàng)建了多條路徑。

• 受控阻抗設(shè)計(jì)在整個(gè)連接過程中保持一致的電磁邊界。

現(xiàn)在，圖 1 顯示了 10 GHz 頻率下的實(shí)際性能數(shù)據(jù)。比較揭示了屏蔽連接器的性能有多好。傳統(tǒng)連接器表現(xiàn)出強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)發(fā)射。但屏蔽設(shè)計(jì)顯示場(chǎng)輻射幾乎為零。

圖 1.10 GHz 頻率下的 EMI 仿真結(jié)果顯示，一般連接器設(shè)計(jì)和屏蔽連接器架構(gòu)之間的場(chǎng)發(fā)射降低。（圖片來源：I-PEX Inc.)

這些設(shè)計(jì)原則使工程師能夠?qū)⒚舾械纳漕l組件放置在連接器接口附近。這有助于創(chuàng)建更小的電子設(shè)備，同時(shí)仍滿足 EMI 合規(guī)性要求。電磁隔離功能為設(shè)計(jì)人員在元件放置方面提供了更大的自由度，使他們能夠遵守監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

為什么PCB布局構(gòu)成您的第二道防線

當(dāng)電路快速切換時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生電噪聲，從而干擾其他設(shè)備?，F(xiàn)在，在線束與PCB連接處管理這種EMI，需要智能布局設(shè)計(jì)。好消息是，正確的 PCB 布局可以解決 EMI 問題，而無需添加昂貴的零件。

您的 PCB 布局會(huì)創(chuàng)建像天線一樣的不可見環(huán)路。當(dāng)電流在開關(guān)事件期間流過這些環(huán)路時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生 EMI 能量。圖 2 中的比較清楚地表明了這一點(diǎn)——垂直環(huán)路設(shè)計(jì)產(chǎn)生 1.0 nH 的電感，導(dǎo)致 70% 的電壓過沖和嚴(yán)重振鈴。但看看最佳環(huán)路：僅 0.4 nH 電感僅產(chǎn)生 30% 的過沖。

圖 2.PCB 布局優(yōu)化將環(huán)路電感從 1.0 nH 降低到 0.4 nH，從而將電壓過沖和振鈴降低 57%。（圖片來源：EPC Corp， Inc.)

這對(duì)您意味著什么：

• 將環(huán)路電感減半可將 EMI 降低四倍。

• 更短的走線和更好的元件放置會(huì)有所不同。

• 開關(guān)節(jié)點(diǎn)與地形成電容器板，產(chǎn)生電場(chǎng)輻射。

您應(yīng)該將精力集中在 PCB 布局的哪里？

查看您的供電路徑。這些會(huì)創(chuàng)建最重要的環(huán)路。當(dāng)最小化這些環(huán)路的物理面積時(shí)，您可以同時(shí)減少電場(chǎng)和 H 場(chǎng)發(fā)射。

開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電流根據(jù)電流大小的平方產(chǎn)生 H 場(chǎng)發(fā)射。同時(shí)，電壓差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)輻射。智能走線布線、仔細(xì)的過孔放置和適當(dāng)?shù)慕拥貙釉O(shè)計(jì)讓您可以控制兩者。

這種方法最適合高頻開關(guān)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，傳統(tǒng)濾波變得昂貴且效率較低。您可以在 EMI 問題通過線束連接之前解決它們。

為什么接地對(duì) EMI 控制很重要？

接地為不需要的電能提供了一條安全的逃生路線，遠(yuǎn)離 PCB 電路。如果沒有這條路徑，噪聲就會(huì)在設(shè)備內(nèi)部積聚并產(chǎn)生問題。圖 3 準(zhǔn)確地顯示了接地失敗時(shí)會(huì)發(fā)生什么——您會(huì)得到內(nèi)部設(shè)備偏置，從而破壞您的信號(hào)質(zhì)量。

圖 3.EMI 接地箔膠帶可降低系統(tǒng)噪聲并提高射頻應(yīng)用中的信號(hào)質(zhì)量。（圖片：3M)

查看圖 3 中的比較時(shí)，差異是顯而易見的。左側(cè)用鋁箔膠帶顯示良好的接地。右側(cè)顯示了沒有良好接地的情況。接地不良會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰并使您的信號(hào)變得更弱。

以下是在這些連接點(diǎn)上發(fā)生的情況：

• 電流試圖找到最簡(jiǎn)單的返回地面的路徑。

• 連接不良會(huì)產(chǎn)生電阻，從而產(chǎn)生熱量和噪音。

• 高頻信號(hào)受接地問題的影響最大。

如圖 3 所示，正確的接地帶實(shí)施可提供信號(hào)所需的低電阻返回路徑，同時(shí)控制電磁輻射。

當(dāng)今大多數(shù)電子產(chǎn)品都在更高的頻率下工作，這使得接地變得更加重要。當(dāng)線束連接到 PCB 產(chǎn)生電阻時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生干擾其他電路的諧波。該解決方案涉及使用特殊的導(dǎo)電材料，例如墊圈和粘合劑，以保持一致的電接觸。

共模扼流圈如何控制電纜連接處的 EMI？

共模扼流圈可阻擋不需要的電流，同時(shí)保持所需的信號(hào)干凈。這使得它們對(duì)于現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該元件在共享鐵氧體磁芯上使用兩個(gè)繞組，如圖 4 所示。當(dāng)共模電流以相同的方式流過兩個(gè)導(dǎo)體時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生高阻抗的附加磁通量。該技術(shù)有效地阻止了不需要的 EMI。

圖 4.EMI 濾波器設(shè)計(jì)，其 CM 扼流圈的位置可在共模電流從電源線輻射之前攔截它們。（圖片來源：WTWH Media LLC)

以下是它們的工作原理：

• 兩根導(dǎo)體上的電感相等

• 差分信號(hào)的相反磁通消除

• 用于共模噪聲的高阻抗路徑

有幾個(gè)來源會(huì)在線束到PCB的接口上產(chǎn)生問題。開關(guān)電路和接地層之間的寄生電容耦合產(chǎn)生共模電流。連接系統(tǒng)之間的接地電位差也加劇了這個(gè)問題。此外，電磁場(chǎng)可以直接耦合到電纜導(dǎo)體，將您的布線變成不需要的天線。

位置對(duì)于性能非常重要。將 CM 扼流圈靠近連接器接口，以便在電流從電纜輻射之前停止電流。您還需要將扼流圈的頻率響應(yīng)與您的特定 EMI 曲線相匹配，并確保它具有足夠的飽和電流額定值來滿足您的應(yīng)用。

總結(jié)

這四種 EMI 管理技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)分層防御系統(tǒng)，可解決信號(hào)路徑中多個(gè)點(diǎn)的干擾問題。從屏蔽連接器開始，以在接口處包含電磁能。使用智能PCB布局來最大限度地減少產(chǎn)生EMI的環(huán)路區(qū)域。實(shí)施適當(dāng)?shù)慕拥?，為高頻電流提供干凈的返回路徑。最后，添加共模扼流圈以濾除任何剩余的不需要的信號(hào)。