電磁輻射干擾問題

無線通信非常復雜，要分基帶和射頻，在數字電子線路設計中，多數工程師常常對電磁兼容性（EMC）的問題感到困擾。

EMC是指電子系統在目標電磁環境下保持良好性能且不會向該環境中引入大量電磁干擾的能力。

電磁環境包含輻射和傳導能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產品不必要地產生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環境，通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產品容忍其他電磁產品的輻射，或傳導電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標。抗擾度與敏感度相反。敏感度高的設備抗擾度低。常見的EMC問題包括：電磁輻射發射超出標準要求；ESD靜電放電問題產生的失效現象如系統死機、系統復位、顯示面板出現錯誤；產品的輻射抗擾度問題導致某些頻率上產品的信號輸出變化巨大，通信出現錯誤，或系統復機、死機。針對EMC常見問題，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu提出了他的看法并給出了解決方案。

電磁輻射原理

使用閉合導體，在其兩端加載時變電流，就會產生波動的磁場和圍繞它的電場。當電荷加速移動時，如果同時出現近場和遠場，近場跟著電荷做加速運動，而遠場無法與電荷移動同步，就會出現扭結（Kink）。電場扭結太大，就會脫離原來的場，輻射出去。

圖1  電場扭結及輻射原理

通常來說，采用兩根平行線纜，長度相對比波長短，所產生的電場為近場，我們通常稱為“差分信號”，這種線纜很難產生扭結（Kink）。如果線纜張開一定的角度，電磁場就會出現不協調，形成近場和遠場，產生扭結（Kink），形成天線，這也是無線通信中的天線原理。

圖2  遠場的形成原理

傳輸波形的諧波分量

在數字電路中，大部分基帶信號都類似于方波，這些波形是無數依次遞減的諧波分量疊加而成。電流的諧波分量會產生波動的磁場，這些磁場會通過耦合或者輻射的方式往下傳輸。

圖3  數字信號的諧波分量 

PCB傳輸線路模型

在PBC Layout中，大部分工程師喜歡把電源線或者信號線和地分開布，這樣很危險，因為一旦環路和高頻信號的波長接近，就會形成一個環形天線，高頻的諧波頻率會通過電磁場耦合進來，形成共振。

圖4  PCB布線中產生的環形天線

根據下面兩種布線，兩個導體會形成一個電容。按照電磁場輻射原理，左邊布線，電子在高頻運動的時候，很容易形成近場和遠場，產生扭結，發射電磁波。同時也很容易接收外來電磁波。而右邊布線，電源和地之間，回路足夠小，形成閉合回路，電場輻射就非常微弱，很難產生電場輻射，也很難被其他電磁場干擾。

圖5  電源和地的布局布線對比

大部分信號，特別是高速信號，都會設計成差分電路。在差分電路中，主要分為直流分量和交流分量，直流分量不會產生交變磁場，交流分量會產生交變磁場，產生電磁干擾。

圖6  差分電路模型

有關差分電路的布局布線問題，其實就是嚴格按照等長對稱線來實現一個封閉電路，電磁場很難穿透差分電路。這就是為何差分信號的傳輸特性相對比較穩定。除了需要對差分信號做等分布線之外，工程師還需要對差分信號做電源匹配和包地。

圖7  差分電路等長對稱原理

實際上，在電路結構中，各個回路的電源和地才是整個電路中最大的差分對，大多時候，工程師們喜歡把電源布線，布成如圖8所示的結構，在早期的單面板產品布局布線中，這算是最好的布線方法。

圖8  傳統單面板布局布線圖

隨著通信速率要求的提高，圖8中這個布線結構就會形成天線效應，產生電磁波輻射。所以為了降低電磁干擾，Wolfe Yu建議在布線時將電源和地盡量布在一起。

圖9  主芯片電源地布線建議

電流匯集模型

有關電流連續性的問題，有一個比較形象的比喻：每顆電容都是一個蓄水池，上游存儲的蓄水要大于下游，才不會因為斷流造成河流干枯。電源供電原理相同，設計不當，就會引發強電磁干擾。

圖10  電流匯集模型之蓄水池理論

再來看看電源拓撲，DCDC電源大致分為三個環（一說四個環），高頻交流斬波環把兩個直流輸入環和輸出環分割開來，交流環主要做高速PWM斬波，產生電磁切割，一旦布線不好，容易產生電磁輻射。

圖11  DCDC電源拓撲圖

為了設計方便，Wolfe建議在布局的時候，把兩個直流環和交流環分開布局，方便在布線的時候分開布線。

圖12  DCDC電源布局布線建議

基于同軸線的全封閉電路

在傳輸線路中，工程師們很難保證電路能夠達到100%的閉合效果。為了防止在傳輸線上產生電磁輻射，于是提出一種基于同軸線的傳輸方式。同軸線傳輸就是把電磁場封閉在內外導體之間，輻射損耗和受外界損耗都非常小。

圖13  同軸線閉合電磁場

同軸線傳輸解決了高速信號傳輸的電磁輻射的問題。除了電磁輻射問題，電路傳輸中還會面臨另外一個問題。那就是，當信號頻率很高的時候，除了阻性負載，還有容性負載和感性負載產生的反射信號，反射信號會疊加在原信號上，改變原信號的形狀，這被稱為“傳輸線損耗”。

圖14  傳輸線等效模型

圖14是一個傳輸線等效模型，除了阻性負載，還存在容性負載和感性負載。根據理論公式，很容易計算出傳輸線的阻抗值。為了抵消反射信號，工程師可以在電路源端和負載之間插入無源網絡，使負載阻抗和源阻抗共軛匹配，這就是阻抗匹配。

圖15  阻抗匹配原理

Microchip基于CoaXpress?一攬子解決方案

Excelpoint世健代理的Microchip推出一種基于CoaXpress?的視頻傳輸方案就是基于同軸線的全封閉電路傳輸方案。

EQCO125T40集成均衡器、CDR和電纜驅動，可以實現在一根電纜或PCB跟蹤對上發送/接收信號，在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸，以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸，傳輸距離最遠可以達到40m。

同軸電纜固有地被其外部導體屏蔽，從而使其對許多操作環境中存在的外部電磁干擾（EMI）高度耐受，特別是在嘈雜的工廠環境中。這使CoaXpress可以應用于各種復雜的工業環境，是高清攝像頭鏡頭傳輸的不二方案。

圖16 基于CoaXpress?的視頻傳輸方案

這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire?視頻平臺上，客戶可以利用Microchip提供的免費IP包輕松完成產品開發，縮短開發流程。

圖17  Microchip PolarFire?視頻平臺

圖18  MIC28517評估板

同時，Excelpoint世健為客戶提供相關參考設計以及技術指導，針對國內客戶在進行DCDC設計以及布局布線時容易出現的一系列技術瓶頸，推出一系列PCB布線指導，同時也提供PCB設計文件讓客戶方便導入，幫助客戶輕松進行電子線路設計布局。

關于世健——亞太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與供應商及電子廠商緊密協作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發中心，專業的研發團隊不斷創造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產品上市時間。世健研發的完整解決方案及參考設計可應用于工業、無線通信及消費電子等領域。

世健是新加坡的主板上市公司，總部設于新加坡，擁有約650名員工，業務范圍已擴展至亞太區40多個城市和地區，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業額超過11億美元。1993年，世健在香港設立區域總部——世健系統（香港）有限公司，正式開始發展中國業務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業的研發團隊、頂尖的現場應用支持以及豐富的市場經驗，世健在中國業內享有領先地位。