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數(shù)字電路PCB設(shè)計中的EMI控制技術(shù)

發(fā)布時間:2016-06-23 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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準所規(guī)定的技術(shù)指標要求。
  
為抑制EMI,數(shù)字電路的EMI 設(shè)計應(yīng)按下列原則進行:
 
根據(jù)相關(guān)EMC/EMI 技術(shù)規(guī)范,將指標分解到單板電路,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)計入手,關(guān)注EMC/EMI 設(shè)計,降低設(shè)計成本。
  
2 數(shù)字電路PCB 的EMI 控制技術(shù)
  
在處理各種形式的EMI 時,必須具體問題具體分析。在數(shù)字電路的PCB 設(shè)計中,可以從下列幾個方面進行EMI 控制。
  
2.1 器件選型
  
在進行EMI 設(shè)計時,首先要考慮選用器件的速率。任何電路,如果把上升時間為5ns 的器件換成上升時間為2.5ns 的器件,EMI 會提高約4倍。EMI 的輻射強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,它是信號上升時間而不是信號頻率的函數(shù):
  
fknee =0.35/Tr (其中Tr 為器件的信號上升時間)
  
這種輻射型EMI 的頻率范圍為30MHz 到幾個GHz,在這個頻段上,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,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/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)計中,器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的,因為它也是產(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端子定義
  
連接器是高速信號傳輸?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)計上可多安排地針,減小信號與地的間距,減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號環(huán)路面積,提供低阻抗回流通路。必要時,要考慮將一些關(guān)鍵信號用地針隔離。
  
2.3 疊層設(shè)計
  
在成本許可的前提下,增加地線層數(shù)量,將信號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)信號電流流向,進行合理的布局,可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI 的關(guān)鍵。布局的基本原則是:
 
模擬信號易受數(shù)字信號的干擾,模擬電路應(yīng)與數(shù)字電路隔開;
 
時鐘線是主要的干擾和輻射源,要遠離敏感電路,并使時鐘走線最短;
 
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:高速信號線會呈現(xiàn)傳輸線的特性,需要進行阻抗控制,以避免信號的反射、過沖和振鈴,降低EMI 輻射。
 
將信號進行分類,按照不同信號(模擬信號、時鐘信號、I/O 信號、總線、電源等)的EMI 輻射強度及敏感程度,使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離,減小耦合。
 
嚴格控制時鐘信號(特別是高速時鐘信號)的走線長度、過孔數(shù)、跨分割區(qū)、端接、布線層、回流路徑等。
 
信號環(huán)路,即信號流出至信號流入形成的回路,是PCB 設(shè)計中EMI 控制的關(guān)鍵,在布線時必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號的流向,對于關(guān)鍵信號要靠近回流路徑布線,確保其環(huán)路面積最小。
  
數(shù)字電路PCB設(shè)計中的EMI控制技術(shù)
 
對低頻信號,要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對高頻信號,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導(dǎo)線下面時,可以減小電流環(huán)路面積,從而減少EMI輻射能量。
 
關(guān)鍵信號不得跨越分割區(qū)域。
 
高速差分信號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。
 
所有信號走線應(yīng)盡量遠離板邊緣。
 
對于多點連接網(wǎng)絡(luò),選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu),以減小信號反射,降低EMI 輻射。
  
2.6 電源平面的分割處理
 
電源層的分割
  
在一個主電源平面上有一個或多個子電源時,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)分數(shù)字地、模擬地和噪聲地,并在出口處通過一個公共接地點與外部地相連。
  
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),這樣邊緣場輻射強度可下降70% 。
  
數(shù)字電路PCB設(shè)計中的EMI控制技術(shù)
 
3 EMI 的其它控制手段
  
3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計
 
設(shè)計低阻抗電源系統(tǒng),確保在低于fknee 頻率范圍內(nèi)的電源分配系統(tǒng)的阻抗低于目標阻抗。
 
使用濾波器,控制傳導(dǎo)干擾。
 
電源去耦。在EMI 設(shè)計中,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,從而會使高速電路中驅(qū)動器所需要的瞬時電流不足。合理地設(shè)計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)計是減少整板EMI 的關(guān)鍵。
 
確定采用單點接地、多點接地或者混合接地方式。
 
數(shù)字地、模擬地、噪聲地要分開,并確定一個合適的公共接地點。
 
雙面板設(shè)計若無地線層,則合理設(shè)計地線網(wǎng)格很重要,應(yīng)保證地線寬度》電源線寬度》信號線寬度。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,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/下降時間并能使過沖及下沖信號變得較平滑,從而減小輸出波形的高頻諧波幅度,達到有效地抑制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)鍵信號的屏蔽,可以設(shè)計成帶狀線或在關(guān)鍵信號的兩側(cè)以地線相隔離。
  
3.5 擴頻
  
擴展頻譜(擴頻)的方法是一種新的降低EMI 的有效方法。擴展頻譜是將信號進行調(diào)制,把信號能量擴展到一個比較寬的頻率范圍上。實際上,該方法是對時鐘信號的一種受控的調(diào)制,這種方法不會明顯增加時鐘信號的抖動。實際應(yīng)用證明擴展頻譜技術(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)電磁兼容標準要求。
 
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PCB 設(shè)計。
  
數(shù)字電路PCB設(shè)計中的EMI控制技術(shù)
 
4 小結(jié)
  
隨著新的高速芯片的不斷開發(fā)與應(yīng)用,信號頻率也越來越高,而承載它們的PCB 板可能會越來越小。PCB 設(shè)計將面臨更加嚴峻的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)計取得成功。



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