元器件的电磁兼容特性

1、元器件的电磁兼容性能1、器件的频率特性电磁干扰通常是电路元器件按正常规则工作时，器件的“非预期 特性”所造成的结果。随着工作频率的增加，各种无源器件都存在着寄生参数：在高频 环境下，实际电阻等效于电阻与寄生电容并联后，再与寄生电感串联 的结构；实际电容等效于寄生电感、寄生电阻和电容的串联结构；实 际电感则等效于电感和寄生电容并联后，再与寄生电阻串联的结构。 同样的道理，印制板上的导线在高频状态下，已经不再是一端阻抗为 0欧姆的导线，而是可以等效为一个传输线模型；当导线长度超过一 定长度时，则可以等效为一根辐射天线。更为严格的是，随着频率的进一步上升，比如从射频波段到微波 波段，以至于毫米波波段

2、，无源器件的等高频等效模型都会发生变化。 这就不难理解，在不同的频率下，电路中耦合电容造成的信号功率损 耗是不一样的。同样，对于有源器件，当器件工作在较高的频率上时，器件也存 在着寄生电阻、寄生电感、寄生电容等；然而，器件的高频寄生参数 常常被硬件设计师所忽略。其实，有源器件的引脚效应、装配工艺效 应、器件辐射效应、器件电磁场分布效应以及器件的温度效应都会引 起器件的高频等效参数发生很大的变化，从而产生EMC方面的问题。有源器件在EMC方面的“不可估计性”比无源器件更难以把握。综上所述，理解并充分掌握器件的高频工作特性对设计出符合EMC要 求的产品具有重大意义。由于电路中器件的连接关系主要是通

3、过无源器件来实现的，并且 无源器件的高频特性相对来讲更容易把握一些；同时，有源器件的电 磁兼容性能可以通过无源器件的参数效应来综合，因此本章节主要讨 论无源器件与电磁兼容之间的关系。常用无源器件在不同工作频率的频率特性如图1所示：图 1 无源器件的频率特性2、电阻与电磁兼容由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点；因此，表面贴装电阻 优于插装电阻。对于插装电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻， 最后是绕线电阻。在较低的工作频率下（约MHz数量级），金属膜电阻是主要的寄 生元件，但其过载能力强，所以它一般适合用在大功率电路中。绕线电阻有较大的寄生电感，所以应当避免在频率敏感的电路中 应用，它适于在

4、大功率处理电路中应用。在放大电路设计中，电阻的选择极为重要。在高频范围内，由 于电阻及其引线引入的寄生电感会导致阻抗增大，因此，增益调整的 电阻应选用高频寄生电感较小的电阻，并尽可能地放置在靠近放大电 路的地方，以减小引线电感的影响。在设有上拉/下拉电阻的数字电路中，晶体管或者IC电路的快速 通断会引起开关噪声。为了降低这种影响，所有的偏置电阻都尽可能 地放在靠近这些有源器件的地方。在RC滤波网络中，必须考虑电路的感性影响，因为绕线电阻的寄生电感与电容会产生谐振，在谐振频率上产生插入增益。3、电容与电磁兼容电容是解决EMC问题的重要器件之一，不同类型的电容有不同的 物理特性；因而设计时应根据需

5、要选用合适的电容。常用电容的类型、 特性及其用途说明如下：铝电解电容通常是由电解质中螺旋状的金属箔绕制而成，每单位 体积的电容值很高，但高频寄生电感很大。钽电解电容由带直接焊盘和脚位连接的块电解质构成，其高频 寄生电感比铝电解电容小。陶瓷电容由陶瓷介质包含多层的平行的金属片组成，其主要寄 生参数为多层片结构的感抗，这在低于MHz的频率范围内会造成阻抗。总体来说，铝电解电容和钽电解电容适用于低频电路，主要用 于储能和低频滤波；陶瓷电容适合中频（KHzMHz）电路，主要用于 去耦和高频滤波。低损耗陶瓷电容和云母电容主要用于甚高频或者射 频微波电路。5、电感与电磁兼容和电容一样，电感也是解决EMC问

6、题的重要器件之一。其工作原 理是，利用电感增大回路的阻抗，以减小回路中的干扰电流，从而达 到抑制干扰的目的。电感可分为两种基本类型：开环电感和闭环电感。它们的区别 在于磁场的环路不同。在开环电感中，磁场通过空气和中心材料完成 环路，而对闭环电感，磁场通过它自身的中心材料完成磁环路。与电容相比，引线的寄生电感不会导致电感失效，所以插装电感 和贴片电感几乎没有什么不同。开环电感存在漏磁现象。开环电感的选取，绕线筒形状的电感 要比直杆形状和螺线管形状的电感都 要好，因为它的磁场被控制在磁芯内。对于闭环电感，磁场被限制在中心材料内，而且不易受空间电磁 场的影响，所以闭环电感用在电路设计中更理想。6、封

7、装与电磁兼容在 PCB 设计当中，器件封装在抑制电磁干扰方面扮演着重要的 角色。器件封装的引线电感是产生电磁干扰的重要因素，可能导致地电 位不均匀或者形成小环天线等。其中引线长度对引线电感的影响最 大。设计器件封装时，还要考虑尽量减小环路面积。PCB上的环路面 积是电路走线和电流返回路径之间区域的总面积，面积较大的环路是 产生电磁干扰的一个主要因素。将电源和接地引脚放在封装的中心 （而不是在对角），或者使它们在物理上相互临近，或者成对分布， 可以减小环路面积。器件封装设计应该遵循以下原则：a）表面贴装的集成电路因为其具有低的封装寄生效应和小的环路 面积，因而应优先选用；b）优先选用塑料四方形扁

8、平封装厚度较小的器件，以减小引线高 度；c）优先选择电源和接地管脚位于封装中央且相对分布的器件（见 图 2），使得器件电源管脚与接地管脚间形成的环路面积最小；d）选用电源和接地管脚成对分配且相邻分布的逻辑器件（见图 3），将降低电源和地之间的环路电感，有助于减少电源总线上的电 压瞬变；e）优先选择信号返回管脚与信号管脚均匀分布以及为时钟等关 键信号线配置了专门的信号返回管脚的器件（见图 4）；f）使用具有金属封装外壳的器件（如振荡器）时，并用尽可能多的低阻抗连线将金属外壳或封装接至接地参考电位面；g）无铅封装相对有铅封装来说有更小的寄生效应，所以器件封装的选择顺序是首选无铅封装器件，其次是径向

9、的有铅封装器件，最后才是轴向的有铅封装器件；ven1ven11 4 !XV图 2 器件电源与接地之间的回路面积示意图图 3 器件电源与接地管脚的均匀分布示意图7、器件边沿速率与电磁兼容快速器件的上升时间或下降时间（统称转换时间）一般也较短。转换时间越短，意味着信号的高频分量越多。器件边沿速率与频谱包 络的关系见附录A。如果系统对速度要求相当高，则必须使用快速器件；如果慢速 器件可以满足系统的要求，就应使用慢速器件。为减少器件产生的高 频干扰，逻辑器件的选用应该遵循以下原则：在满足功能要求的前提下，使用边沿速率尽可能低的元器件。8、可编程逻辑器件与电磁兼容可编程逻辑器件状态切换时引起的输入电流变

10、化是PCB上重要的 噪声源。考虑到逻辑器件的功耗，选用可编程逻辑器件时应该遵循以下原 则：a）选用在逻辑状态变换过程中输入电流更小的器件（考虑在最大 容性负载条件下器件所有管脚同时切换时的最大冲击电流，而不是平 均值或者静态值）；b）尽可能选用具有最低驱动电压（VCC）的芯片；c）应尽可能选择电源和接地引脚分布均匀的可变称逻辑器件。9、接地散热器与电磁兼容由于在设计中越来越多的使用高功率、高速率的处理器，因此， 需要使用散热器解决这些器件的散热问题。高频器件内部会产生大量的射频噪声，由于晶片到 PCB 参考平 面的距离比到散热器的距离更大，晶片内部产生的共模噪声无法耦合 到接地参考电位面，转而耦合到散热器上，假如散热器没有接地，就 会将耦合的射频能量辐射到空间中，其作用相当于一个天线，产生电 磁干扰。接地散热器设计应该遵循以下原则：a）对具有陶瓷外売和顶部带有金属的器件，要提供接地的散热器；b）用尽可能多的低阻抗连线将散热器接至机売或PCB的接地参