如何管理线束到 PCB 接口的 EMI

转载自：线束世界

线束到 PCB 连接处的电磁干扰 （EMI） 是现代电子设计中最大的挑战之一。这些接口点充当弱点，不需要的信号可能会逃脱您精心设计的电路，从而导致系统故障。

本常见问题解答讨论了四种协同工作的技术：屏蔽连接器、智能 PCB 布局、正确接地和共模扼流圈。将这些方法作为一个集成系统应用时，您可以在保持设计灵活性的同时实现可靠的 EMC 合规性。

屏蔽连接器提供第一道防线

当高频信号通过连接器时，如果屏蔽层破裂，它们会辐射电磁场。这种辐射会干扰附近的电路，从而导致系统故障。

屏蔽连接器使用三种主要方法解决这些问题：

完整的 360 度屏蔽覆盖所有信号接触点和 SMT 连接区域。

多个接地点为电流安全返回创建了多条路径。

受控阻抗设计在整个连接过程中保持一致的电磁边界。

现在， 图 1 显示了 10 GHz 频率下的真实性能数据。比较揭示了屏蔽连接器的性能要好得多。传统连接器表现出较强的电磁场发射。但屏蔽设计显示的场辐射几乎为零。

图 1.10 GHz 频率下的 EMI 仿真结果显示，一般连接器设计和屏蔽连接器架构之间的场发射减少。（图片：I-PEX Inc.）

这些设计原则使工程师能够将敏感的 RF 元件放置在靠近连接器接口的位置。这有助于创建更小的电子设备，同时仍满足 EMI 合规性要求。电磁隔离功能为设计人员提供了更多的元件放置自由度，使他们能够遵守监管标准。

为什么 PCB 布局构成您的第二层防御

当电路快速切换时，它们会产生电噪声 ，从而干扰其他设备。现在，在线束到 PCB 连接处管理这种 EMI 需要智能布局设计。好消息是，适当的 PCB 布局可以在不添加昂贵部件的情况下解决 EMI 问题。

您的 PCB 布局会创建类似于天线的不可见回路。当电流在开关事件期间流过这些回路时，它们会产生 EMI 能量。 图 2 中的比较清楚地表明了这一点——垂直环路设计产生 1.0 nH 的电感，导致 70% 的电压过冲和严重的振铃 。但请看最佳环路：仅 0.4 nH 电感仅产生 30% 的过冲。

图 2.PCB 布局优化将环路电感从 1.0 nH 降低到 0.4 nH，从而将电压过冲和振铃减少 57%。（图片：EPC Corp， Inc.）

这对您意味着什么：

将环路电感减半，可将 EMI 降低四倍。

更短的走线和更好的元件放置会有所不同。

您的开关节点与接地形成电容器板，从而产生电场辐射。

您应该将 PCB 布局的重点放在哪些方面？

查看您的供电路径。这些会创建最重要的循环。当最小化这些回路的物理面积时，您可以同时减少 E 场和 H 场发射。

开关转换期间的电流根据电流幅度的平方产生 H 场发射。同时，电压差会产生电场辐射。智能走线布线、仔细的过孔布局和适当的接地层设计让您可以同时控制这两者。

这种方法最适合传统滤波成本高昂且效果较差的高频开关应用。您可以在 EMI 问题通过线束连接之前解决它们。

为什么接地对 EMI 控制很重要？

接地为远离 PCB 电路的不需要的电能提供了一条安全的逃生路线。如果没有这条路径，噪音会在您的设备内部积聚并产生问题。 图 3 准确显示了接地失败时会发生什么 – 内部器件偏置会破坏信号质量。

图 3.EMI 接地箔胶带可降低 RF 应用中的系统噪声并提高信号质量。（图片：3M）

查看图 3 中的比较时，差异很明显。左侧显示铝箔带的良好接地 。右侧显示了没有良好接地时会发生什么。接地不良会产生电压尖峰，使您的信号更加微弱。

以下是这些连接点发生的情况：

电流试图找到最简单的接地路径。

连接不良会产生阻力，从而产生热量和噪音。

高频信号受接地问题的影响最大。

如图 3 所示，正确的接地带实施可提供信号所需的低电阻返回路径，同时保持电磁辐射得到控制。

当今大多数电子设备都以更高的频率运行，这使得接地变得更加重要。当与 PCB 的线束连接产生电阻时，它们会产生干扰其他电路的谐波。该解决方案涉及使用专用导电材料，如垫圈和粘合剂，以保持一致的电气接触。

共模扼流圈如何控制电缆连接处的 EMI？

共模扼流圈可阻挡不需要的电流，同时保持所需信号的清洁。这使得它们对于现代电子设计至关重要。该元件在共享铁氧体磁芯上使用两个绕组，如图 4 所示。当共模电流以相同的方式流过两个导体时，它们会产生附加的磁通量，从而产生高阻抗。这种技术有效地阻止了不需要的 EMI。

图 4.EMI 滤波器设计采用 CM 扼流圈，可在共模电流从电源线辐射之前拦截共模电流。（图片：WTWH Media LLC）

以下是它们的工作原理：

两根导体上的电感相等

差分信号的反向磁通抵消

用于共模噪声的高阻抗路径

几个来源会在线束到 PCB 的接口上产生问题。开关电路和接地层之间的寄生电容耦合产生共模电流。连接系统之间的接地电位差也加剧了这个问题。此外，电磁场可以直接耦合到电缆导体，将您的布线变成不需要的天线 。

位置对性能非常重要。将 CM 扼流圈靠近连接器接口，以便在电流从电缆辐射之前阻止电流。您还需要将扼流圈的频率响应与您的特定 EMI 曲线相匹配，并确保它为您的应用提供足够的饱和电流额定值。

总结

这四种 EMI 管理技术创建了一个分层防御系统，可解决信号路径中多个点的干扰问题。从屏蔽连接器开始，以在接口处包含电磁能。使用智能 PCB 布局来最大限度地减少产生 EMI 的环路区域。实施适当的接地，为高频电流提供干净的返回路径。最后，添加共模扼流圈以过滤任何剩余的不需要的信号。