現今使用的電子裝置數量不可勝數，加上這些裝置的體積尺寸越來越精小，使電磁干擾 (EMI) 成為電路設計人員的主要課題。用於通訊、運算和自動化的電路需要在接近 [1] 的範圍內執行。產品也必須符合政府電磁相容性 (EMC) 法規。幾乎每個國家/地區都對其境內行銷或銷售的電子產品的 EMC 進行管制。在美國，聯邦通信委員會 (FCC) 設立法規來規範所有商業 (非軍事) 電磁輻射源 [2]，並在美國國家標準協會 (ANSI) 的標準 C63.4 [3] 中定義輻射和傳導 EMI 測試程序。歐盟 (EU) 國家/地區對電磁排放和電子裝置抗擾性進行了監管；電磁相容性指令 [4] 基本上規定設備必須符合 EMC 的統一標準，並據以進行測試和標籤。

有大量的 EMC 標準與各種類型的設備息息相關。例如，國際電工委員會 (IEC) 61000 標準涵蓋大多數商用產品的抗擾性要求，而國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 32 標準則規定傳導與輻射排放的限制 [5]。 表 1 列出了相關產品領域的 CISPR、歐洲規範和 FCC 標準。美國和歐盟以外的許多其他國家/地區指定須符合 FCC 或 EU EMC 要求，或訂立他們自己的規範。美國和歐洲以外國家/地區的法規通常類似於 FCC 或歐盟規定 [6]。

在考慮智慧電表等特定類型設備時，低 EMI 要求變得更加明顯。智慧電表是未來能源分配的極重要的一環。智慧電表能爲公用事業和最終用戶提供即時用量數據，幫助用戶人監控能源使用情況，同時免除了挨家挨戶抄電表數據的麻煩。大多數智慧電表是透過無線 M-Bus 或 ZigBee 等無線通訊 [7] 進行連線，或是連接行動電話網路 (GSM、LTE cat NB1- NB2- NB2、 2G/3G/5G)。如 圖 1 中所示，智慧電表包含射頻 (RF) 發送器電路，通常位於與電能計量 (計量學) 電路板相同的外殼中。務必儘量減少計量電路的輻射排放，以避免干擾射頻通訊，因爲射頻通訊能以 800MHz、900MHz、1,800MHz、2,100MHz 或 2,700MHz. 等頻率運作。計量電路還需要抗電磁敏感性 (能夠承受無線通訊的電磁能量)，以避免射頻雜訊注入敏感電能量測前端時出現計費錯誤。

本文說明 EMI 來源 (特別指輻射排放) 並呈現一些將類比訊號鏈 EMI 最小化的技術，其中包含詳細佈局範例與量測結果。

EMC 是指電氣系統在有 EMI 的情況下在其預定環境中正常工作的能力，並且不會成爲超出相關標準 [1] 規定限制的電磁環境干擾源。

EMI 可以輻射或傳導。輻射干擾以無線電波的形式傳輸，也稱爲 RF 干擾。傳導式干擾來自於傳輸訊號與電源之纜線電流所產生的磁場。

本文的重點是儘量減少輻射排放。在印刷電路板 (PCB) 或安裝在 PCB 上的積體電路 (IC) 內部，部分輻射排放的主要來源包括：

• 時脈號等切換訊號，並在數位訊號轉換期間快速變更電壓位準。這是因為訊號中的高頻元件所造成。切換和時脈訊號是 IC 內部和當中之各種零組件運作同步化的重要關鍵。
• 切換穩壓器和其他零組件，會導致電流透過電源線快速變化。
• 輸入/輸出緩衝器，尤其是與高速介面相關的緩衝器，如 USB、HDMI 或乙太網路，因為它們可處理高速訊號轉換。
• IC 內部電路中以高於基頻訊號的頻率產生的非線性行為所建立的諧波。
• IC 互連及架構中的寄生電容、電感與電阻。
• 靜電放電 (ESD) 事件會觸發 ESD 保護電路。

圖 2 說明 TI 的 AMC131M03 電氣隔離類比轉數位轉換器 (ADC) [8] 以及因內部架構和 PCB 連接而產生的主要輻射排放源。ADC 用於三相能源計量應用，且 圖 2 顯示單相 (相位 A) 的電路。訊號鏈設計用於擷取電壓和電流測量值以進行能量監測 [8]。ADC 通道 0 使用分流電阻測量相位電流，通道 1 透過電阻分壓器 [8] 測量相位電壓。最相關的排放源是內部切換 DC/DC 轉換器 (a 在 圖 1 中)，會在高壓側 [8] 中產生隔離電源。輻射排放的第二高源是數位字隔離 (b 在 圖 2中)，因爲是透過堆疊式電容器屏障 [8]、[9] 使用高頻開/關鍵控傳輸進行實作。此外，時脈訊號在寬頻率範圍內發射輻射，例如 ADC 調變器時鐘 CLKIN (c 在 圖 2 中) 以及 ADC 和微控制器 (d 在圖 2 中) 之間的數位通訊介面。

將 EMI 降到最低的幾種常見的 PCB 設計技術，也會在參考文件 [1]、[10]、[11] 中詳細說明：

• 正確接地。這是減少輻射排放的最有效方式之一。小心接地可避免接地環路用作天線。使用接地面也有助於減少迴路區，並為訊號提供傳回路徑，進而降低 EMI 的潛在性。但在其他情況下，接地面可能會在敏感節點上建立天線，並增加輻射排射 (請參閱圖 5 中的特定範例)。
• 元件置放。以最小化訊號走線長度的方式置放元件，特別是對於高速訊號。將數位和類比零組件分開，以避免干擾。
• 直線、短軌路由。以直線路由高速走線並保持最短，可將 EMI 的潛在性降到最低。此外，請注意避免在走線中產生直角，以免造成反射及訊號損失。
• 使用去來耦電容器。去耦電容器可為接地的高頻雜訊提供短傳回路徑。將去耦電容器置放在儘可能靠近 IC 的電源供應針腳的地方。
• 受控阻抗。控制訊號走線的阻抗符合來源和負載的阻抗，有助於防止可能導致輻射排放的訊號反射。
• 屏蔽。有時，在 PCB 的某些區域使用金屬屏蔽或屏蔽材料可防止輻射排放。
• 使用濾波器。濾波器可阻擋造成輻射排放的特定頻率，在電源供應電路中尤其實用。
• 層疊。在多層 PCB 中，請注意以最小化 EMI 的方式排層。一般而言，在電源層和接地層間交替是較好的做法，因為這有助於減少迴路區，並為訊號提供傳回路徑。地面上層與底層可做為內部訊號層的屏蔽場，例如產生輻射放射的時脈。
• 避免時脈諧波。時鐘訊號會產生干擾電路其他部分的諧波。展頻技術可幫助將這些諧波散播出去，並降低其影響。
• EMI 模擬。輻射式排放模擬工具可以幫助預測和最小化 PCB 設計階段本身的 EMI [12]、[13]。

圖 3 是圖 2 中導入的類比訊號鏈詳細電路圖。

圖 4 而且 圖 5 說明在 AMC131M03 對應 PCB 佈局中採用輻射減排技術的應用。 圖 4 顯示「良好」佈局，保留高電壓域中 ADC 輸入和電源路由的短路軌跡 (AMC131M03 佈局左側的 PCB 區域)，並置放旁路電容器 C1、C6、C8、C9、C11、C13、C14 和 C24 靠近 IC。

降低 EMI 時，隔離式接地節點 ISO_GND 的接地系統是一個重要層面。最小化軌跡長度，而不將接地面置於高電壓域中，可將此節點上的天線降至最低，進而將輻射發射降至最低 [14]。鐵氧體磁珠 F1 和 F2 插入電源連接 DCDC_OUT 和 DCDC_HGND，以阻擋高頻雜訊。您也可在過度輻射排放的頻率 (視 PCB 設計而定) 以與電壓量測的電阻分壓器串聯置放額外具有高阻抗的鐵氧體磁珠 (F3)。

圖 5 說明「不良」佈局，顯示連接至 ISO_GND 節點的接地面，此方式可做為天線使用，並可大幅增加輻射排放 [14]。

圖 6 和 圖 7 展示使用圖 4中描述的佈局實現對 AMC131M03 PCB 進行的輻射發射量測。量測結果採用配置為 3m 距離的水平和垂直偏移的寬頻天線，符合半回波室中的 CISPR 11 要求。ADC 正在 CLKIN 接腳接收連續時脈，並且正在產生轉換結果。但是，當排放曲線特徵時，沒有序列周邊介面通訊。此設計符合 CISPR 11 Class A 與 Class B 標準與 13dB 容限，為具備資料與電源強化隔離功能的 ADC 提供市面上最低輻射排放性能。

爲了確保電子電路完全按照設計執行，必須保護電路免受 EMI 影響。同時，電路本身不得發射會威脅或降低其他設備性能的幅射。要符合 EMC 標準規簵，需要提供四種個層級的 EMI 保護：元件層級、，電路板層級、系統層級和整體系統層級 [15]。

這裡介紹的技術可將 PCB (電路板) 設計層級的 EMI 降至最低，並且很容易應用於實際範例，即用於電量計量之具有增強隔離 [16] 功能的一流精密 ADC 訊號鏈。在使用建議的 EMI 降低技術進行縝密的設計時，這個設計可爲相關 EMC 標準實現足夠的裕度 [17]。

1. Ott, Henry W. 2009. 「電磁相兼容性工程」。紐澤西州霍博肯： John Wiley & Sons.
2. 第 15 部分 – 射頻裝置。FCC Title 47, Chapter I, Subchapter A. FCC：華盛頓特區，2024 年 1 月 11 日。
3. 美國國家標準 9 kHz 至 40 GHz 範圍內低壓電氣及電子設備射頻雜訊輻射排放測量法。 IEEE C63.4-2009. 紐澤西州皮斯卡特維，2009 年 9 月 15 日。
4. 歐洲議會和理事會 2004 年 12 月 15 日關於成員國電磁相容性相關法律近似的指令 2004/108/EC 和廢除指令 89/336/EEC‌。歐盟官方公報。比利時布魯塞爾，2004 年 12 月 31 日。
5. 德州儀器：電源供應器傳導式 EMI 規格概要。
6. LearnEMC.com. n.d. EMC 法規。2024 年 1 月 14 日存取。
7. Envocore.com. n.d. 智慧電表如何通訊？2024 年 1 月 14 日存取。
8. Texas Instruments. n.d. AMC131M03 三通道、同步取樣 24 位元隔離式 Delta-Sigma ADC。2024 年 1 月 14 日存取。
9. 德州儀器：以可靠且經濟實惠的隔離技術解決高電壓設計難題。
10. Altium.com. n.d. 降低 EMI 的 PCB 設計技術。2024 年 1 月 14 日存取。
11. Analog Devices (Maxim Integrated). EMI 防護的實用層面。教學課程 1167，2002 年 8 月 21 日。
12. Remcom. n.d. 電磁模擬軟體。2024 年 1 月 14 日存取。
13. Cadence. n.d. Clarity 3D 瞬態求解器。2024 年 1 月 14 日存取。
14. 德州儀器：衰減 AMC3301 系列輻射排放 EMI 的最佳實務。
15. Electronic Design. n.d. 符合電子系統的 EMI 標準。2024 年 1 月 14 日存取。
16. 德州儀器：高電壓強化隔離：定義及測試方法.
17. 德州儀器：了解數位隔離器的電磁遵循測試。