《電子技術(shù)應(yīng)用》
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PCB 板 EMC/EMI 的設(shè)計(jì)技巧
摘要: 隨著IC器件集成度的提高、設(shè)備的逐步小型化和器件的速度愈來愈高,電子產(chǎn)品中的EMI問題也更加嚴(yán)重,。從系統(tǒng)設(shè)備EMC/EMI設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看,,在設(shè)備的PCB設(shè)計(jì)階段處理好EMC/EMI問題,是使系統(tǒng)設(shè)備達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)最有效,、成本最低的手段。本文介紹數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)中的EMI控制技術(shù)。
關(guān)鍵詞: EMC|EMI EMC EMI PCB
Abstract:
Key words :

中心議題:

  • EMI的產(chǎn)生及抑制原理詳析
  •  數(shù)字電路PCB的 EMI控制技術(shù)詳析
  • EMI的其它控制手段詳析
  • EMI分析與測試詳析

解決方案:

  • 疊層設(shè)計(jì),、合理布局、布線
  • 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),、接地,、串接阻尼電阻、 屏蔽,、擴(kuò)頻


引言
隨著IC 器件集成度的提高,、設(shè)備的逐步小型化和器件的速度愈來愈高,電子產(chǎn)品中的EMI問題也更加嚴(yán)重,。從系統(tǒng)設(shè)備EMC /EMI設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看,,在設(shè)備的PCB設(shè)計(jì)階段處理好EMC/EMI問題,是使系統(tǒng)設(shè)備達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)最有效,、成本最低的手段,。本文介紹數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)中的EMI控制技術(shù)。

1 EMI的產(chǎn)生及抑制原理


EMI的產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的,。它包括經(jīng)由導(dǎo)線或公共地線的傳導(dǎo),、通過空間輻射或通過近場耦合三種基本形式。EMI的危害表現(xiàn)為降低傳輸信號(hào)質(zhì)量,,對電路或設(shè)備造成干擾甚至破壞,,使設(shè)備不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

為抑制EMI,,數(shù)字電路的EMI設(shè)計(jì)應(yīng)按下列原則進(jìn)行:
  *  根據(jù)相關(guān) EMC/EMI技術(shù)規(guī)范,,將指標(biāo)分解到單板電路,分級控制,。
  *  從EMI的三要素即干擾源,、能量耦合途徑和敏感系統(tǒng)這三個(gè)方面來控制,使電路有平坦的頻響,,保證電路正常,、穩(wěn)定工作,。
  *  從設(shè)備前端設(shè)計(jì)入手,關(guān)注EMC/EMI設(shè)計(jì),,降低設(shè)計(jì)成本,。

2 數(shù)字電路PCB的 EMI控制技術(shù)

在處理各種形式的EMI時(shí),必須具體問題具體分析,。在數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)中,,可以從下列幾個(gè)方面進(jìn)行EMI控制。

2.1 器件選型
在進(jìn)行EMI設(shè)計(jì)時(shí),,首先要考慮選用器件的速率,。任何電路,如果把上升時(shí)間為5ns的器件換成上升時(shí)間為2.5ns的器件,,EMI會(huì)提高約4倍,。EMI的輻射強(qiáng)度與頻率的平方成正比,最高EMI頻率(fknee)也稱為 EMI發(fā)射帶寬,,它是信號(hào)上升時(shí)間而不是信號(hào)頻率的函數(shù):fknee =0.35/Tr (其中Tr為器件的信號(hào)上升時(shí)間)

這種輻射型 EMI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz,,在這個(gè)頻段上,波長很短,,電路板上即使非常短的布線也可能成為發(fā)射天線,。當(dāng)EMI較高時(shí),電路容易喪失正常的功能,。因此,,在器件選型上,,在保證電路性能要求的前提下,,應(yīng)盡量使用低速芯片,采用合適的驅(qū)動(dòng)/接收電路,。另外,,由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容,因此在高速設(shè)計(jì)中,,器件封裝形式對信號(hào)的影響也是不可忽視的,,因?yàn)樗彩钱a(chǎn)生EMI輻射的重要因素。一般地,,貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件,,BGA 封裝的寄生參數(shù)小于QFP 封裝。

2.2 連接器的選擇與信號(hào)端子定義
連接器是高速信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié),,也是易產(chǎn)生EMI的薄弱環(huán)節(jié),。在連接器的端子設(shè)計(jì)上可多安排地針,減小信號(hào)與地的間距,,減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號(hào)環(huán)路面積,,提供低阻抗 回流通路,。必要時(shí),要考慮將一些關(guān)鍵信號(hào)用地針隔離,。

2.3 疊層設(shè)計(jì)
在成本許可的前提下,,增加地線層數(shù)量,將信號(hào)層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射,。對于高速PCB,,電源層和地線層緊鄰耦合,可降低電源阻抗,,從而降低EMI,。

2.4 布局
根據(jù)信號(hào)電流流向,進(jìn)行合理的布局,,可減小信號(hào)間的干擾,。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵。布局的基本原則是:
  *  模擬信號(hào)易受數(shù)字信號(hào)的干擾,,模擬電路應(yīng)與數(shù)字電路隔開,;
  *  時(shí)鐘線是主要的干擾和輻射源,要遠(yuǎn)離敏感電路,,并使時(shí)鐘走線最短,;
  *  大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區(qū)域,,同時(shí)應(yīng)考慮散熱和輻射的影響,;
  *  連接器盡量安排在板的一邊,并遠(yuǎn)離高頻電路,;
  *  輸入/輸出電路靠近相應(yīng)連接器,,去耦電容靠近相應(yīng)電源管腳;
  *  充分考慮布局對電源分割的可行性,,多電源器件要跨在電源分割區(qū)域邊界布放,,以有效降低平面分割對EMI的影響;
  *  回流平面(路徑)不分割,。

2.5 布線
  *  阻抗控制:高速信號(hào)線會(huì)呈現(xiàn)傳輸線的特性,,需要進(jìn)行阻抗控制,以避免信號(hào)的反射,、過沖和振鈴,,降低EMI輻射。
  *  將信號(hào)進(jìn)行分類,,按照不同信號(hào)(模擬信號(hào),、時(shí)鐘信號(hào)、I/O信號(hào),、總線,、電源等)的EMI輻射強(qiáng)度及敏感程度,,使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離,減小耦合,。
  *  嚴(yán)格控制時(shí)鐘信號(hào)(特別是高速時(shí)鐘信號(hào))的走線長度,、過孔數(shù)、跨分割區(qū),、端接,、布線層、回流路徑等,。
  *  信號(hào)環(huán)路,,即信號(hào)流出至信號(hào)流入形成的回路,是PCB設(shè)計(jì)中EMI控制的關(guān)鍵,,在布線時(shí)必須加以控制,。要了解每一關(guān)鍵信號(hào)的流向,對于關(guān)鍵信號(hào)要靠近回流路徑布線,,確保其環(huán)路面積最小,。
 





對低頻信號(hào),要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑,;對高頻信號(hào),,要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑,而非電阻最小的路徑(見圖1),。對于差模輻射,,EMI輻射強(qiáng)度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方,。(其中I是電流,、A是環(huán)路面積、f是頻率,、r是到環(huán)路中心的距離,,k為常數(shù),。)

因此當(dāng)最小電感回流路徑恰好在信號(hào)導(dǎo)線下面時(shí),,可以減小電流環(huán)路面積,從而減少EMI輻射能量,。
  *  關(guān)鍵信號(hào)不得跨越分割區(qū)域,。
  *  高速差分信號(hào)走線盡可能采用緊耦合方式。
  *  確保帶狀線,、微帶線及其參考平面符合要求,。
  *  去耦電容的引出線應(yīng)短而寬。
  *  所有信號(hào)走線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離板邊緣,。
  *  對于多點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò),,選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,以減小信 號(hào)反射,降低EMI輻射,。

2.6 電源平面的分割處理

  *  電源層的分割
在一個(gè)主電源平面上有一個(gè)或多個(gè)子電源時(shí),,要保證各電源區(qū)域的連貫性及足夠的銅箔寬度。分割線不必太寬,,一般為20~50mil線寬即可,,以減少縫隙輻射。

  *  地線層的分割
地平面層應(yīng)保持完整性,,避免分割,。若必須分割,要區(qū)分?jǐn)?shù)字地,、模擬地和噪聲地,,并在出口處通過一個(gè)公共接地點(diǎn)與外部地相連。

為了減小電源的邊緣輻射,,電源/地平面應(yīng)遵循20H設(shè)計(jì)原則,,即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H(見圖2),這樣邊緣場輻射強(qiáng)度可下降70% ,。
 



3 EMI的其它控制手段

3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  *  設(shè)計(jì)低阻抗電源系統(tǒng),,確保在低于fknee頻率范圍內(nèi)的電源分配系統(tǒng)的阻抗低于目標(biāo)阻抗。
  *  使用濾波器,,控制傳導(dǎo)干擾,。
  *  電源去耦。在EMI設(shè)計(jì)中,,提供合理的去耦電容,,能使芯片可靠工作,并降低電源中的高頻噪聲,,減少EMI,。由于導(dǎo)線電感及其它寄生參數(shù)的影響,電源及其供電導(dǎo)線響應(yīng)速度慢,,從而會(huì)使高速電路中驅(qū)動(dòng)器所需要的瞬時(shí)電流不足,。合理地設(shè)計(jì)旁路或去耦電容以及電源層的分布電容,能在電源響應(yīng)之前,,利用電容的儲(chǔ)能作用迅速為器件提供電流,。正確的電容去耦可以提供一個(gè)低阻抗電源路徑,這是降低共模 EMI的關(guān)鍵,。

3.2 接地
接地設(shè)計(jì)是減少整板EMI的關(guān)鍵,。
  *  確定采用單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地或者混合接地方式。
  *  數(shù)字地,、模擬地,、噪聲地要分開,并確定一個(gè)合適的公共接地點(diǎn),。
  *  雙面板設(shè)計(jì)若無地線層,,則合理設(shè)計(jì)地線網(wǎng)格很重要,應(yīng)保證地線寬度》電源線寬度》信號(hào)線寬度,。也可采用大面積鋪地的方式,,但要注意在同一層上的大面積地的連貫性要好。
  *  對于多層板設(shè)計(jì),,應(yīng)確保有地平面層,,減小共地阻抗。

3.3 串接阻尼電阻
在電路時(shí)序要求允許的前提下,,抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號(hào)輸出端串入小阻值的電阻,,通常采用22~33Ω的電阻。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時(shí)間并能使過沖及下沖信號(hào)變得較平滑,,從而減小輸出波形的高頻諧波幅度,,達(dá)到有效地抑制EMI的目的。

3.4 屏蔽
  *  關(guān)鍵器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽網(wǎng),。
  *  對關(guān)鍵信號(hào)的屏蔽,,可以設(shè)計(jì)成帶狀線或在關(guān)鍵信號(hào)的兩側(cè)以地線相隔離。

3.5 擴(kuò)頻
擴(kuò)展頻譜(擴(kuò)頻)的方法是一種新的降低EMI的有效方法,。擴(kuò)展頻譜是將信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,,把信號(hào)能量擴(kuò)展到一個(gè)比較寬的頻率范圍上。實(shí)際上,,該方法是對時(shí)鐘信號(hào)的一種受控的調(diào)制,,這種方法不會(huì)明顯增加時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用證明擴(kuò)展頻譜技術(shù)是有效的,,可以將輻射降低7到20dB,。

3.6 EMI分析與測試
  *  仿真分析
完成PCB布線后,可以利用EM I仿真軟件及專家系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,,模擬EMC/EMI環(huán)境,,以評估產(chǎn)品是否滿足相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。

  *  掃描測試
利用電磁輻射掃描儀,,對裝聯(lián)并上電后的機(jī)盤掃描,,得到PCB中電磁場分布圖(如圖3,,圖中紅色,、綠色、青白色區(qū)域表示電磁輻射能量由低到高),根據(jù)測試結(jié)果改進(jìn)PCB設(shè)計(jì),。
 



4 小結(jié)
隨著新的高速芯片的不斷開發(fā)與應(yīng)用,,信號(hào)頻率也越來越高,而承載它們的PCB板可能會(huì)越來越小,。PCB設(shè)計(jì)將面臨更加嚴(yán)峻的EMI挑戰(zhàn),,唯有不斷探索、不斷創(chuàng)新,,才能使PCB板的EMC /EMI設(shè)計(jì)取得成功,。

 

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