本文討論了在微波電波暗室一致性測(cè)試之前構(gòu)建 PCB 低 EMI 原型的關(guān)鍵步驟，包括低輻射電路設(shè)計(jì)和預(yù)兼容性測(cè)試。 預(yù)兼容性測(cè)試包括使用 3D 電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)印刷電路板 (PCB) 布局模型進(jìn)行仿真和 EMI 分析，以及使用頻譜分析儀 (SA) 對(duì)原型 PCB 進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。 最后通過(guò)微波暗室測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

最小 EMI 電路設(shè)計(jì)

為確保低發(fā)射率 (RE)，在設(shè)計(jì)電路原理圖和 PCB 布局時(shí)必須采用最佳實(shí)踐，包括在電源電路、USB 數(shù)據(jù)線、以太網(wǎng)和其他信號(hào)中添加鐵氧體磁珠以過(guò)濾 EMI。 另外，可以在電源電路上適當(dāng)放置足夠數(shù)量的去耦電容，使配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗最小，從而降低數(shù)字負(fù)載產(chǎn)生的噪聲紋波幅度，降低輻射風(fēng)險(xiǎn)。 同時(shí)，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的閉環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)，可以保證電壓輸出可控，最大限度降低開(kāi)關(guān)噪聲紋波幅度。 降低噪聲紋波幅度可以顯著降低原型的 EMI 風(fēng)險(xiǎn)。

高頻或快速上升/下降沿信號(hào)的 PCB 布線應(yīng)參考連續(xù)電路（例如參考地平面）以降低 EMI 風(fēng)險(xiǎn)。 走線不得穿過(guò)任何分割面或孔洞。 如果信號(hào)需要通過(guò)過(guò)孔在層與層之間傳輸，至少應(yīng)在信號(hào)過(guò)孔附近放置一個(gè)接地過(guò)孔，作為信號(hào)電流從接收端到發(fā)送端的回流路徑。 如果沒(méi)有合適的返回路徑，返回電流可能會(huì)在 PCB 中隨機(jī)傳輸并成為潛在的 EMI 源。

優(yōu)良的接地方案也是將EMI降至最低的關(guān)鍵因素。 所有PCB設(shè)計(jì)都必須避免接地環(huán)路，因?yàn)榻拥丨h(huán)路在返回信號(hào)電流通過(guò)時(shí)會(huì)形成輻射發(fā)射器。 通過(guò)將接地設(shè)計(jì)為寬參考平面，可以構(gòu)建出色的接地方案。 不同電路組（如射頻、模擬和數(shù)字電路）的地平面應(yīng)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。

PCB布局設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行EMI分析仿真，確保PCB在制造前具有低輻射風(fēng)險(xiǎn)。 省略 EMI 仿真可能無(wú)法保證 PCB 的 EMI 性能，這將導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)。 如果 EMI 仿真結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)始 PCB 制造，然后使用頻譜分析儀對(duì)原型 PCB 進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。 EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描等預(yù)兼容性測(cè)試可以增加設(shè)計(jì)人員的信心，確保原型具有低EMI。 完成預(yù)兼容性測(cè)試后，被測(cè)設(shè)備即可進(jìn)行實(shí)際的微波電波暗室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進(jìn)行3D EMI仿真。 通過(guò)選擇差分信號(hào)，采用有限元法（FEM）模擬三維電磁場(chǎng)。 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，求解麥克斯韋方程的過(guò)程。 為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，邊界尺寸應(yīng)設(shè)置為PCB厚度的8倍以上，網(wǎng)格尺寸應(yīng)設(shè)置為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)容量才能保證分析的順利進(jìn)行。

設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)傳感器捕捉發(fā)射電磁場(chǎng)，使用EMPro的EMI仿真模板計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射功率，然后設(shè)置電場(chǎng)探頭10m距離繪制頻域響應(yīng)圖。 然后，進(jìn)行了時(shí)域有限差分（FDTD）模式的三維電磁場(chǎng)仿真，并將仿真結(jié)果與FEM模式的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。

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：dBμ5。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 模式模擬）低于 V（綠色虛線）的最大 FCC 閾值約 45dB μ。

近場(chǎng)電磁測(cè)量

在原型 PCB 制作和組裝后，使用頻譜分析儀對(duì)原型進(jìn)行近場(chǎng)電磁掃描。 連接到頻譜分析儀的單匝線圈捕獲原型發(fā)射的近場(chǎng)。 圖2為30MHz~1GHz頻率范圍內(nèi)的頻域信號(hào)（電磁場(chǎng)功率電平單位為dB，頻率單位為Hz）。

最大功率強(qiáng)度峰值 (- 66.4dBm) 出現(xiàn)在 400MHz 附近。 作為近場(chǎng)傳感器的線圈在被測(cè)設(shè)備的 3 英寸范圍內(nèi)移動(dòng)。 30kHz頻譜分析儀的分辨率帶寬可實(shí)現(xiàn)低背景噪聲（-80dBm）測(cè)量，因此尖峰（不同離散頻率的輻射）清晰可見(jiàn)。 為增強(qiáng)樣機(jī)通過(guò)微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)（3m和10m）EMI一致性測(cè)試的信心，近場(chǎng)峰值功率應(yīng)低于-65dBm。

EMI 一致性測(cè)試

微波暗室樣機(jī)3m遠(yuǎn)場(chǎng)EMI一致性測(cè)試結(jié)果。 紅線表示CISPR 11 Class A的最大輻射發(fā)射功率電平：30MHz~1GHz頻率范圍內(nèi)小于56dB μ V。紅線下方的棕色曲線表示TechnoTech的EMC指南中規(guī)定的保護(hù)頻段（ 前安捷倫）。 輻射波的垂直和水平分量分別由藍(lán)色和綠色曲線表示。 38dB 在 400MHz 和 560MHz μ V 和 37 dB μ V 的峰值功率低于最大閾值。

概括

低EMI電路設(shè)計(jì)和預(yù)兼容性測(cè)試（如3D EMI仿真和近場(chǎng)電磁掃描）非常重要，可以避免不必要的PCB再制造，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，縮短微波電波暗室EMI一致性測(cè)試的時(shí)間， 確保電子器件按時(shí)甚至提前投放PCB市場(chǎng)。