基础电路设计之EMC对策与雷击防护

前言

由于IC与LSI高速化与高度积体化，使得IC与LSI本身就成是巨大的噪讯发生源，此外基于低耗电量的要求，即使IC与LSI低耗电化或是低噪讯化，从机器整体的角度观之，机器对外部的噪讯反而变得极端敏感，因此有必要开发可抑制EMC等电磁干扰的技术。

噪讯对策可分为两种方式，一种是直接抑制噪讯，另一种方式是避免外部噪讯造成电磁性结合引发电路误动作，前者必需采取EMI对策，后者则需采取EMS对策。在电磁噪讯充斥的环境下设计电子电路，除了成本trade off考量之外，概括性的对策手段摸索与理论的结合成为重要的手法，因此接着要深入探讨EMI与EMS的防护与对策。

IC与LSI高速化与封装时的噪讯对策

设计电子电路时选用适合电路动作速度的逻辑IC非常重要，如果IC动作速度超过设计上的要求时，系统与机器的频宽会大幅增加(图1)，抑制机器产生的噪讯变得毫无意义，而且更不易进行EMC对策。最近大部分的电子机器都使用高速 低电压CMOS IC，若与以往常用的TTL IC比较，CMOS IC反而更容易因噪讯造成电子电路误动作。噪讯发生源通常是在电流变化(di/dt)很大的部位。CMOS IC是在switching产生大电流(过渡电流与充放电电流)变化时动作，此时若流入具有有限阻抗(impedance)的ground line(主要是ind uctance成份)，该部位就会发生电压下降现象，而压降造所成电路误动作，会因低电压IC的阀值越低越危险。相较之下高速IC的场合，即使是数ns的噪讯也会引发电路误动作，因此不论是设计电子电路或是封装设计，噪讯对策时必需注意以下要点:

(a).电源与接地层低阻抗化
       双面电路基板对动作速度较低的数字电路，具有良好的低阻抗效应，因此接地可以采用如图2所示的网状(mesh)导线，如果能缩小电源‧接地(ground)所形成的回路面积(loop area)，即使受到外部磁界影响产生诱导电流，由于该电流会相互抵销，因此整体而言双面电路较不易受到外部磁界影响。不过短、粗是设计电源‧接地导线的基本重要观念。复数导体时电源‧接地的导线，则需避免岛状分布。高速高性能电路通常是采用多层电路板，同时会将电源‧接地作为better面，信号传输线路尤其是阻抗(impedance)为80Ω左右时，最好使用micro strip line结构设计，如此便可降低传输线路的阻抗值，进而可让送信端能使用具有高驱动能力的IC组件。除此之外为了使电路能充分发挥应有特性与整合性，因此高速高频电路大多使用多层电路板。

(b).Switching噪讯
       有关高速数字电路中CMOS IC的时间延迟问题，由于Bus是在某种tinning下同步进行switching，未作switching时虽然祇有数μA的漏电(leak)，不过当switch ing动作时CMOS IC电路的电流中含有贯穿电流与充放电电流成份，由于贯穿电流与充放电电流会影响其它组件与电路，因此它是造成电路障碍的原因之一。

【计算实例1】
         有关贯穿电流的影响，假设CMOS IC为32位Bus都是从0开始变化成1，每个位的贯穿电流为10mA，电源供给的电流ID :

  ID=32x10mA=320mA

   瞬间发生如此大的电流变化(di/dt)，虽然导线的长度很短，不过LSI内部宽度祇有1μm以下微细导线的电压会急遽下降，造成LSI内部产生无法忽视的ground bounce现象。上述计算实例祇考虑贯穿电流的影响，事实上LSI内部流有充放电电流，该充放电电流随着动作频率不断变化，动作频率越高消耗电流越大。CMOS IC的消耗电流Pd 可由下式求得:

 静态消耗电流IDD=Pd/VDD 。最近IC不朝朝向低电压低耗电量方向发展，假设电源电压从5V变成3.3V低电压时，耗电量减少程度可利用式(1)求得:
VDD2=(3.3V/5)2=0.44=44%

亦即电源电压从5V变成3.3V低电压时，耗电量会降低44%。必需注意的是低电压化对IC/LSI的站立/下降时间几乎毫无影响，电压变化(dv/dt)与高频噪讯有直接关连，也就是说IC/LSI的低电压化，可以有效减少IC/LSI本身的噪讯。

【计算实例2】
        8位shift resistor 74HC164的规格如下:

如上所述电源‧接地pattern导线层内流有贯穿电流、负载充放电电流、终端阻抗驱动电流所构成的高频电源电流，而且电源‧接地pattern导线层内还具有有限阻抗(impedance)，如果switching动作电流流入电源‧接地pattern导线层内时，就会因电压下降造成电路发生误动作。此外若用接口cable与外部机器设备连接时，接口cable会成为common放射的天线，造成其它机器受到干扰，换言之电源接地层内的高频电源电流是common放射的发射源，因此common放射成为EMI对策的重要对象之一。实施switching动作电流对策时的重点，分别是IC/ LSI的站立时间与下降时间。站立时间越快电源电流的频宽越大，放射至外部的电磁波频宽也越大，相对的就越不容易进行对策。对机器设备或是系统而言，维持最小频宽与抑制放射噪讯，成为最有效的EMI对策，换言之延迟IC/LSI的站立时间具有下列效果:

* 抑制放射噪讯的发生。
* 可以抑制负载容量充放电时的电流。
* 可以减少反射的影响。

  因此IC/LSI必需选择适合该电路特性的低速组件，因为避免使用超过电路特性的高速IC，可以减少不必要的噪讯以及电路误动作等困扰，这也是最有效EMI对策的基本概念。

接着要介绍decoupling在抑制电源‧接地pattern导线层内高频电源电流时所扮演的角色。

(c).Decoupling Condenser
        Decoupling Condenser原本的目的是利用电容器储存电荷，提供IC/LSI动作时必要的驱动电流，因此Decoupling Condenser必需具备可支持高速动作时贯穿电流等瞬间大电流的特性。传统的Decoupling Condenser祇需针对每个IC，使用0.01～0.1μF高频特性的陶瓷电容器即可，尤其是消耗电流与驱动电流之间无极大差异时使用TTL IC，基本上就不会造成特别的问题。不过IC高速化会使用信号站立时间变快，此外使用静止电流与驱动电流的比很大的CMOS IC时，Decoupling Con denser的封装方式则扮演关键性角色，由于Decoupling Condenser对电子电路具有重大影响，因此最近受到高度重视。图3是电容器(Condenser)的高频波等价电路，类似这样的电路并非单纯的Condenser，因为根本上lead端会存有寄生电感(Inductance)，而寄生电感会使Condenser无法充分对应须状脉冲电流模样的贯穿电流、充放电电流，最后造成电路动作延迟等严重后果，此时Decoupling Cond enser却无法有效提供IC/LSI必要的驱动电流。造成上述现象主要原因是因为swi tch动作无法支持的电流，变成由电源提电流供，使得电源‧接地pattern导线层内流有须状脉冲电流(高频电源电流)。