導入合宜的EMI解決方案 提升電子產品應用效益
- DIGITIMES企劃
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絕大多數的EMI問題，為使用產品的場合雜訊所產生，部分是由產品本身的設計不良造成，一般呈現方式為以輻射型態的電磁場形成干擾源，或是電路間的線路感應電壓、感應電流產生，這些問題並非無解，必須在開發階段就要進行思考，甚至利用實際的相關解決方案來改善裝置的電路設計品質，畢竟高穩定度的終端裝置，才是消費者願意購買使用的產品...
解決電磁波干擾的方法很多，直接採取相對可以阻隔外部環境的金屬噴塗處理機殼，或是從電子電路於PCB上的布局與強化設計，去改善裝置抵禦外界或本身產生干擾的常見設計方案。
但新的設計方案，把原本相對複雜的保護電路，利用IC化的設計，將原本不易整合、開發的大量類比元件、電路，進行封裝與整合，讓產品面對混亂的雜訊環境，能具備穩定與高效能的運行品質。
目前行動電話大多朝智慧型產品發展，不光只有通話功能，而必須將電腦的運算、處理、儲存、輸入、輸出...等工作一一包辦，此即意味著，除了眼前電子電路的設計複雜度提升之外，行動電話的「行動運算」要求，相對也讓產品的系統載板可用空間變小許多，對於這類高度整合的產品，業者多半利用多層PCB板去實現電路板的縮小效果。
高密度電路布局與多射頻元件 讓產品抗電磁能力劣化
多層式PCB雖然具備空間壓縮優勢，但這也代表，PCB能用的零組件布局空間嚴重受限，甚至，會因為多層板各層電路金屬線路的距離相對過近，讓以往較不需重視的線路間的感應電壓、電流問題變得更加明顯，因而系統裝置在開發階段得投入大量人力進行抗電磁波、EMI改善工作，影響開發效率甚鉅。
此外，目前的行動裝置動輒採取1.6~2GHz等級運作時脈，也讓電路板在傳輸高時脈訊號時，因為線路間的相互感應與外部干擾，使內部傳輸品質劣化，甚至產生無法預期的干擾源，影響裝置本身的穩定性與運行效率。
為了克服前述問題，必須對「干擾」的途徑、產生方式有更清晰的理解，開發團隊才能進一步釐清開發板的干擾表徵，確定正確方向並投以對應的改善設計或解決方案。
EMC、EMS、EMI的相互關係
電磁敏感度(Electro Magnetic Susceptibility；EMS)，為設備是否容易受電磁干擾影響的程度。電磁相容性(Electro Magnetic Compatibility；EMC)表現越佳，表示設備自身產生的電磁量相當低，有不易對周邊設備干擾與被干擾的表現水平。所謂的電磁干擾，是指因「電磁干擾」引起的電子設備或電子系統的性能下降，而就習慣來說，EMC也包含了EMI(電磁干擾)和EMS(電磁敏感性)兩個討論層面。
電氣的干擾問題領域，有許多英文縮寫，開發者必須有清晰的理解，以電磁干擾(Electro Magnetic Interference；EMI)來說，直翻譯為「電磁干擾」，應該分別考慮「電磁」和「干擾」兩大表現癥兆。其中，「干擾」所指即是電子設備遭受干擾源影響，使得終端產品裝置出現運行性能降低、或產生對設備干擾的電子訊號干擾源。
這種形成干擾源的方式，可以在很多自然表徵中發現，例如，雲雨雷電的天候現象，會讓收音機的收訊變得不穩定或產生雜音，或是無線電話出現交流噪聲，都是干擾的表現方式。第二類問題是「電磁」問題，例如，電荷靜止即稱為「靜電」，當有不同電位一致移動時即產生靜電放電，進而生成電流，這股電流會於線路周圍產生磁場，若電流方向與大小持續變化即會產生電磁波。
降低EMI與達到全面性的EMC設計思維
想要控制設備的EMI、或降低EMI，基本上有兩種可應用的修正方向，例如藉由電路去「抑制」電磁雜訊，讓設備裝置本身就有較佳的電磁承受能力，另一種觀念是採取「吸收」的設計概念，讓電子電路本身可有效疏導外來的電磁衝擊。若將上述思維導入產品開發設計，會在線路應用無源或有源元件，例如，濾波器、扼流器、鐵氧體磁珠...等元件進行設計改善。
EMC設計常見的基本概念是，在PCB電路的源頭即嘗試削弱EMI影響。此可利用展頻設計方法，將特定PCB運行頻帶中產生的輻射能量，產生帶寬更大的信號，如利用展頻時脈產生器(Spread Spectrum Clock Generator；SSCG)，就可以提供此一功能。在系統設計方面，若嘗試利用展頻時脈產生器去減弱終端產品的EMI，開發人員必須確保所設計的系統通過EMI型式測試，其中搭配高品質的Hershey Kiss頻率，來有效降低EMI問題。
利用瞬變電壓抑制二極體 改善裝置ESD防護能力
先前也提過，可攜式裝置是相對容易產生ESD問題的電子系統，因為使用環境與人手接觸的機會較多，此時裝置的ESD相關保護就顯得異常重要！一般的使用場合，TVS瞬變電壓抑制二極體，是相當常用的保護元件，因為行動裝置針對不同傳輸介面、連接埠所需要的防護等級不同，需選用的TVS瞬變電壓抑制二極體也會略有差異。
在多數應用場合，行動裝置如手機、數位相機...等，電子設備暴露在外部或是與人體接觸的機會相當高，各式傳輸介面的端子基本上有採取開放式的，也有半開放式的設計，以鍵盤、充電介面、數據傳輸埠、I/O...等，當是常見設計。一般經由人體產生的靜電模式，多數採取2kV~15kV(空氣放電)測試電壓進行檢測，其峰值電流最高可達20A/ns，脈衝持續時間不會超過60ns，來模擬人體產生的各式ESD現象，雖然這類脈衝能量不會超過幾百微焦耳，但若碰到防護不足的電子裝置，此能量已足以損壞產品的零組件正常運作。
TVS瞬變電壓抑制二極體的特點
雖然可用於行動裝置的ESD保護元件相當多，但TVS二極體的特點為反應迅速，可讓外部ESD脈衝還未對裝置的電子電路造成損壞前即被有效地遏制，其次是瞬變電壓抑制二極體的截止電壓較低，適用在電池供電的行動裝置；此外，瞬變電壓抑制二極體TVS具更低漏電流與低電容，處理高速率傳輸迴路的ESD問題有更理想之性能表現。
部分設計喜愛採取表面黏著式的陶瓷電容，來進行電路的ESD保護，雖然此舉可取得更優異的價格成本，設計線路也更簡便，但這類電子元件對高電壓的承受度較差，僅需5kV上下的衝擊即會造成多數陶瓷電容失效，而瞬變電壓抑制二極體可承受高達15kV瞬間電壓衝擊，因應人體產生的ESD已綽綽有餘。
針對不同用途進而選用防護元件時，需避免使元件工作在元件本身的設計參數極限，應根據被保護電路的現況、與電路可能承受之ESD衝擊現況，進行元件評估與選用，尋找反應速度快、耐受度夠高的元件，才能有效發揮保護元件的關鍵作用。此外，眾多半導體廠商也提供多種不同的TVS二極體封裝，將EMI、RFI、ESD保護電路一次整合在同一個元件中，可以有效縮小佔位，並大幅降低成本，對於同時需要這幾種保護功能的埠來說，可謂設計者的首選。
對可攜式設備而言，各類IC的複雜性和高精密度，也讓電子電路對ESD更加敏感，以往的通用電路設計方針多半已無法再適用，在使用TVS二極體保護ESD損害的同時，必須配合合理的PCB線路布局。首先，開發時需避免自感形成，對ESD這類呈現巨變突發的脈衝，很可能於電子電路中先引起寄生自感，甚至進而對電子電路形成強大電壓衝擊，此種狀況還可能超出元件的承受極限，對元件或電路造成損傷。
至於負載產生的自感電壓，與電源變化強度形成正比，因為ESD衝擊乃瞬間電壓，在特徵方面極易誘發較高自感，電子電路為減少寄生自感，基本原則是盡可能縮短分流的電子電路。設計時必須考量的還有接地電子電路、TVS元件和被保護電路間的電路及由傳輸介面到TVS元件的所有因素。
善用共模扼流圈EMI濾波器 處理ESD問題
利用共模扼流圈EMI濾波器，也是處理ESD問題的不錯選擇，只不過共模扼流圈EMI濾波器若是採取離散元件以電路實踐，實際製作時會因為元件佔位空間較大，加上體積問題，現在多數的解決方案已把共模扼流圈EMI濾波器採取IC化的設計方式，把等效電路設計於單一元件中。
一般的共模扼流圈EMI濾波器，內部為高頻帶差分濾波電路、固體共模停止頻帶衰減、及ESD保護電路所組合，線路略微複雜，此一整合電路的特性可以同時為裝置產品解決高頻雜訊、靜電ESD與多元的電路保護要求，雖然電路複雜度較高且成本相對提升，但其電路的防護效益優於典型電磁干擾(EMI)濾波器解決方案的分散設計方式，亦可有效減少PCB元件的總數量，輕鬆讓產品本身具備極佳的濾波及電路保護設計要求，並提高總體可靠性。
共模扼流圈EMI濾波器整合解決方案，適用於需採取高速差分數據傳輸的廣泛應用場合，例如，USB 2.0/3.0、IEEE1394 a/b、低壓差分LVDS...等設計要求。這類產品多半會採2.0X2.0 mm DFN封裝設計，結合共模EMI濾波電路與符合IEC61000-4-2接觸放電的業界標準±12(kV) ESD保護測試通過水準。由於共模扼流圈EMI濾波器解決方案是整合元件方案，因此有助於減少PCB電路的寄生電感，進而提供更優秀的共模濾波表現。
整合型ESD防護元件 可滿足多種電路防護設計需求
隨著各式高速傳輸介面持續推陳出新，針對高速傳輸介面開發EMI強化設計成為產品設計必須面對的一環，例如，針對HDMI、DisplayPort、USB 3.0或是 Serial-ATA這類連接介面，就必須思考高效率的設計方法。
例如，針對這類的高速介面，與PCB面積持續縮小的趨勢，多數元件業者會推出整合型的設計方案，如以1X2mm見方的小型封裝元件，即可達到具4條信號線圖供完整ESD防護的設計方案，若是沿用傳統元件，或是採離散式電路設計去達到相對應的效果，PCB的使用面積將至少暴增30%，此即無法應付產品縮小化的設計要求。
由於這類高速傳輸介面的連接標準，在規格方面，規定產品開發商必須採行簡便的微型連接器與傳輸電纜線，雖然此舉使終端裝置的易用性大幅提升，讓消費者可更輕鬆連接裝置與電腦或周邊，但也會因為傳輸介面過於便利，而提升靜電放電(ESD)導致內部電路被燒毀的機率，特別像是當使用者觸摸裝置本體、或是觸摸傳輸介面金屬端子時產生的靜電放電現象。
ESD防護解決方案 TVS扮演重要角色
通常一個整合型的ESD防護元件，內部會採取一個瞬變電壓抑制(Transient Voltage Suppressor；TVS)二極體電路，以保護兩對高速差分電路之用，而這些二極體也可為全新的USB 3.0規範，5.0 Gbit/s SuperSpeed的極致傳輸速度，提供USB 3.0傳輸線的保護功能。
這類ESD整合型保護元件，其功能表現必須符合IEC61000-4-2標準第4級(8kV空氣放電)水準，或是依MIL-STD 883G Method 3015-7標準3B類(>8kV)測試通過才行，而介面兩端的線路電容值，也必須維持在0.6pf以下，線路帶寬至少5.8GHz、100Ω差分阻抗，搭配極低的洩漏電流100na(25°C)上下，才能臻至實用的境界。
