电磁兼容性EMC和电磁干扰EMI

目前，绝大多数的电子系统中，芯片的工作频率一般在几百MHz范围内，这些信号基频即低次谐波携带了信号的大部分能量。而这些信号的频谱和其他日常使用的电子设备频谱相互重叠，比如，数字电视信号中心频率为506MHz，调频广播系统频谱为80~110MHz，而更广泛使用的蜂窝电话信号的中心频率为900MHz和1800MHz。这些频谱重叠的信号会相互造成干扰，对于某种电子系统而言，必须把不相关的信号能量控制在一个可接受的程度范围，才能保证本系统的正常工作。因此，如果对某频率内的电磁信号不加以合理的控制和使用，将是所有工作在相同频谱范围内电器的灾难。

为使各种工作于相同频谱范围内的电器能够安全工作，而不相互干扰，需要各种电器系统遵守一个公共的准则。电磁兼容性EMC（ElectroMagnetic Compatibility）准则，是美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communication Commission）制定的一个公共标准，是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特性的电磁环境中正常工作，同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。

EMC的问题来源于电子系统内部，所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，这样会导致在特定的频带内产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。同时，随着系统工作频率的提高（电压和电流变化速率加快），EMC的问题只会越来越严重。

与EMC经常同时提及的一个名词是电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference），它是指一个电气系统由于对EMC问题处理不好而引起的电磁辐射干扰问题。

理论上，产生EMI问题，只有两种途径：传导（Conduction）和辐射（Radiation）。信号传导是指信号能量离开受限范围，通过耦合方式，进入另外一个不相关区域或者系统，对该部分电路进行干扰。而信号辐射是指信号能量通过本区域导体上的缝、槽、开孔或其他缺口，以电磁辐射的方式泄露出去，被不相关区域或者系统内的天线所接收，引入到该电路中，对其造成干扰。因此，进行EMC设计时，要从产生EMI的这两个方面进行考虑，从而抑制或者减小EMI，达到理想的设计效果。

事实上，在前几节内容中我们所讲到的，关于信号完整性的一些问题，反射、串扰、电源完整性及SSN，都是针对EMI问题的传导部分进行分析和优化，对于以上各种优化信号完整性问题的方法和途径，同样适用于解决系统EMI问题。很明显，如果一个系统本身就不具备良好的信号完整性，那么当发现系统中存在EMI问题时，已经是各种各样的信号完整性问题纠结在一起的综合结果，很难再回头去定位EMI问题究竟出在哪里。因此，从系统设计一开始，就要从控制单个传输线的阻抗特性、减小信号的反射、多传输线耦合串扰控制、局部和全局的电源完整性、SSN等诸多设计因素中，逐级优化，最终达到整个系统的EMC设计优化结果。只有这样，才能在发现系统EMI问题后，有的放矢，很快对问题定位，并按照层次化的设计原则改正问题，重新验证。这才是工程化并且科学化的工作方法和流程。

对于EMI中由于辐射所引起的问题，我们主要采用三种措施：屏蔽、滤波和接地。这三种方法虽然有着独立的作用，但是相互之间是有关联的，良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求，而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些。通常做适当的屏蔽是一种有效而简单可行的方式，屏蔽能够有效抑制通过空间传播的电磁干扰，采用屏蔽的目的有两个，一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域，另一个就是防止外来的辐射电磁能量进入内部控制区。

很多EMI抑制都采用屏蔽的方式来实现，通过屏蔽、过滤或接地等方式将干扰产生电路隔离及增强敏感电路的抗干扰能力等。在高频EMI情况下，采用薄层金属外壳可达到良好的屏蔽效果，但条件是金属外壳的屏蔽必须连续，并将电路中敏感部分完全遮盖住，没有缝隙或缺口。然而在实际中要制造一个无缝隙和缺口的屏蔽罩几乎是不可能的，如果屏蔽罩要分成多个部分制作，就会有接合缝隙。另外，通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装或装配其他组件。因此，设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，从而降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，然而，我们知道，高频电磁波在通过特定形状的沟槽和缝隙时，会造成一定程度的衰减，而衰减的程度与电磁波的波长和缝隙形状相关。因此，仔细设计屏蔽罩的形状和缝隙开孔尺寸，利用高频电磁波的波导传输特性，还是能够取得很好的屏蔽效果。

影响信号完整性的其他因素

我们知道，在波的传输过程中遇到障碍物时（所谓障碍，不一定是指外在的可见形式的障碍物，它通常是通指使得电磁波的传输特性被迫发生改变的因素），信号频率比较低时，传输线电气长度比起波长来讲微不足道，可以作为等势导体，无需阻抗匹配；当信号速度提高，互连线电气长度和波长可比时，存在波峰波谷电势差，这样传输线上就会有反射，造成瞬态电压累计变化，影响信号判决。在现代电子系统中，用于传输高速信号的互连介质基本有三种类型。

1.Die-to-Package之间互连，布线长度约<4cm；

2.Chip-to-Chip互连，布线长度约在4cm~20cm之间；

3.Board-to-Board互连，布线长度约在20cm~40cm之间。

所有以上三类互连介质的长度，全部都在微波范围内。因此，当微波信号在这些介质上进行传输时，如果遇到障碍，即阻抗不连续的非均匀传输介质，将使得微波信号传输特性发生改变，产生反射及辐射。尤其是当传输介质长度为1/4波长的整数倍时，甚至可能产生高频信号的天线效应。因此，在研究信号完整性时，对于关键信号，除了要仔细调整拓扑结构和匹配机制用来消除反射外，还应该根据信号的频率，调整传输线长度，避免其位于1/4波长的整数倍位置，这对于控制EMI尤其重要。

虽然理论上是这样的，但是由于应用及实际情况的限制，我们不可能对所有信号都做长度规避设计，可能也是因为这个原因，在Cadence的高速设计系统中没有考虑这个设计要求。但是对于对EMI要求严格的设计，SI工程师一定要对这个设计规则加以重视，在确定关键信号频率之后手动调整传输线长度，以达到最优效果。

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