剖析电脑的电磁干扰
硬件周刊
电磁干扰是各种电子设备固有的，它对电子设备正常工作的影响，也随设备的工作性质不同而表现不同。很多DIY高手都知道，要想成功超频，除了要有高品质的CPU、高质量的内存以外，一款稳定支持超频的主板更为重要。为什么使用同一种芯片组的不同厂家所生产的主板，用同样的CPU超频，超频的最高纪录却有较大的差距呢？一方面的原因是主板所采用的零部件质量不同，另一方面就是设计者在设计主板时，对各种电磁干扰的抑制不同，好的设计使系统能够稳定地工作，从而能够经受超频的考验。
电磁干扰的分类和产生机理
电子设备中存在的电磁干扰，按照频率高低可分为：低频干扰、高频干扰及高频脉冲干扰等。它们的主要传播途径(又称耦合途径)可分为：电源耦合、辐射耦合、寄生电感耦合、寄生电容耦合及分布电感、电容耦合等几种。而主板中的电磁干扰主要是高频脉冲干扰，其耦合途径囊括了上面提到的所有传播途径。因此，正确认识、理解电磁干扰的原理，对选购主板、成功超频、准确判断电脑的故障，都是大有益处的。
大家都知道，电脑的数据信息是以0和1来代表的，具体到电路上就是以低电平代表0，高电平代表1，一组数据也就是一串带有高、低电平的电脉冲。那么这种工作方式是如何带来干扰的呢？以CPU为例，在设计CPU的各种门电路时，都是设想它们输出的是理想的方波，但由于晶体管结构和方波形成电路的限制，真正的方波是不易实现的，因此，实际输出的波形只能是一个近似的方波。有一些晶体管电路基础知识的人应该知道，在各种脉冲波形中，尤以三角尖波脉冲产生电磁干扰最为严重，各种谐波也相当丰富，而且各种脉冲大都在上升沿过后，开始下降的一瞬间产生干扰。为了尽量减少干扰的影响，设计者在进行电路设计时，采取各种各样的措施尽量保证门电路输出波形的上升沿为慢爬坡形状，以减少谐波的产生，减少电磁干扰。早期的CPU及主板芯片组，由于工作频率不高，如此处理后基本上不会有什么影响，当CPU主频达到数百MHz甚至2GHz以后，由于CPU、芯片组中各种门电路的导通、截止时间越来越短，输出波形的宽度也同样越来越窄，逐渐地向近似尖波的方向发展，干扰问题便逐渐突出。目前，电脑中的PCI总线设备以及外设等的工作频率相对较低，干扰问题解决起来相对比较容易一些。而主板、CPU、内存等的电磁干扰越来越严重，因此设计和制造工艺也越来越复杂了，就拿主板来说，6层工艺的主板与4层工艺的主板相比，虽然成本要高一些，但工作更稳定更可靠，事实上，多出来的这两层安排的大都是地线，用以屏蔽、削弱各层之间的相互干扰，可见消除电磁干扰所付出的代价是相当大的。
降低电磁干扰的措施
在目前的技术条件下，彻底根除数字脉冲电路所产生的干扰基本上是不可能的。目前能做到的仅仅是尽量降低干扰使电脑能够正常工作，具体的措施则主要有：
1)在设计印刷电路板时，要充分考虑各个单元电路之间的干扰问题；
2)在各个单元电路的电源输入端和信号输入端，增加滤波电路；
3)在各个模块电路采取屏蔽措施，比如RAMBUS内存表面的屏蔽板。
第一种措施主要体现在印刷电路板的铜箔导线的宽度、长度、形状和走向，以及各单元电路的相互位置的安排上。而后两种措施的基本原理都是将干扰源截断或降低干扰性，但它们针对的干扰对象并不相同，前者主要针对滤波电路特别是电源电路中的干扰脉冲，后者则主要是屏蔽各个模块的高阻抗输入级，阻止从空间辐射来的干扰脉冲电压。由于第一种措施涉及到很多复杂、高深的技术，不在我们讨论的范畴之内。后两种措施笔者分别介绍一下它们的工作原理。
由于电脑系统属于数字设备，所以它对电源的要求高于模拟电子设备。翻开各种IT媒体评测主板的文章，大都会有这样的描述：“在这款主板上有许多大容量的电解电容，和磁芯线圈滤波电感……”你可能以为它们是用来消除电磁干扰的，其实电解电容、滤波电感的主要作用是滤除频率较低的交流纹波电压，以达到使直流电源更加纯净的目的，对降低高频脉冲干扰基本没有作用。至于为什么用那么多数量的电容，则主要是由于交流纹波电压在负载逐渐加大时，其数值将随之上升，为了维持电压基本恒定，尽量减少脉动纹波的能量，故电解电容的容量越大越好，不过，大容量的电解电容需要卷绕的金属箔和绝缘纸较多，造成体积庞大而不利于安装且增加了成本，同时过多的卷绕层会使电容的自感增大，反过来影响滤波效果。主板上用来滤除电源中高频脉冲干扰电压的部件在哪里呢？要细心找的话，请拿起一块主板找到电源滤波大容量电解电容的正、负极，沿着密如蛛网的印刷导线找下去，你会发现有很多贴片电容也等效并联于供电电源的正负极之间，它们才是滤除高频脉冲干扰的主角。另外，主板上那些红色或者绿色的小型电容，叫钽电容或铌电容，它们是使用特殊的金属材料制成的，有滤波效果好、发热系数低、容量稳定等优点。
普通消费者在选购各种主板时，有这样一种观点，认为贴片元件比分立元件的成本高，所以一些规模较小的厂家会尽量减少采用贴片元件的数量，其实这种认识是片面的。目前在各种主板以及显卡上广泛使用的贴片元件，主要有贴片电容、贴片电阻以及贴片装晶体管，因为这些贴片元件都是采用技术已相当成熟的大规模生产线来加工生产的，良品率相当高，故成本并不比带有引脚的分立元件高多少。大规模采用贴片元件完全是出于“营造”好的高频电路工作环境和减小板卡整体尺寸的需要。以电容为例，带引脚的分立电容的工作原理与贴片电容的工作原理并无两样，只是体积较大，当工作频率达到上百MHz以后，由于通过元件的高频电流频率太高，而焊接时它的引脚又不可能留得太短，这样它的两只引脚就变成了小型无线干扰源的发射天线，向外辐射干扰电磁波，各元件之间相互干扰，系统也就无法稳定工作了。而贴片元件在容量、阻值和工作性质不变的前提下，通过精选材料进行加工，体积可以进一步减小，使其紧贴在电路板表面安装，引脚便可以减至最短，以适应更高工作频率的需要，有的时候甚至个别元件的朝向都需要精心安排。
屏蔽这种方法并不是在电脑设备中首创的，一些高频电子设备很早便已采用了，比如电视机。而电脑属于特殊设备，由于大规模集成电路设计制造技术已相当成熟，各种辐射泄漏基本控制在较低的水平上，但随着CMOS技术的普遍应用和工作频率的不断提高，防止电磁干扰的问题又变得严峻起来。我们知道CMOS具有极高的输入阻抗，因此对干扰电压非常敏感，即使干扰电压很小也是如此，故用屏蔽罩将其屏蔽是既简单又有效的方法。也许大家会问：“除了RAMBUS内存外，似乎主板上并没有什么屏蔽板之类的啊？”其实，印刷电路板上那些我们看得见的和看不见的、大面积接地的覆铜板本身就起到了一种屏蔽作用，只是它不太起眼罢了。随着电脑设备工作频率的继续提高，不久我们会在主板和显卡上看到屏蔽板的身影。