PCB的EMC设计技术

电磁兼容设计技术（加拿大）容向系统科技有限公司容向——专注于电磁兼容方向EMC设计技术PCB的EMC设计：总论PCB的EMC设计＃1：电流和回流PCB的EMC设计＃2：电源滤波PCB的EMC设计＃3：天线容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com线路板的两种辐射方式差模辐射DifferentialModeEMI共模辐射CommonModeEMI电流环CurrentLoop杆天线RodAntenna容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com共模和差模对EMC测试的影响共模电流10米电缆上0.0015mA的电流差模电流3×3cm的电流环路上15mA的电流B极限值@10米dBuV/m谐波MHzE场dBuV谐波MHzE场dBuV3833383330114331143333266332663333494334943335.5对于EMC测试：共模辐射比差模辐射的影响要大100－1000倍例子：上升沿5ns的38MHz时钟：容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com如何减小差模辐射？E=2.6IAf2/DI电流——信号线电流【原理图设计阶段考虑】减小负载——使用驱动电路增加线路阻抗——改变阻尼电阻值I电流——电流回流【PCB设计阶段考虑】A面积——控制电流回路面积【PCB设计】f频率——合适的器件，阻尼电阻【原理图设计】D测试距离——固定不变容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com怎样减小共模辐射E=1.26ILf/DI电流——共模干扰电流L长度——电缆长度f频率——噪声频率D测试距离——固定不变二、PCB的EMC设计PCB的EMC设计：总论PCB的EMC设计＃1：电流和回流PCB的EMC设计＃2：电源滤波PCB的EMC设计＃3：天线电流和回流控制频率f容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com高速PCB？与工作频率无关，仅与所使用的器件有关fknee=1/(*Tr)，Tr＝1ns，则fknee=320MHz1/Td1/tr频率（对数）谐波幅度（电压或电流）第一转折频点第二转折频点容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com减少EMI谐波次数【f】的方法利用阻尼电阻，减缓上升沿，同时保证SI和EMC无阻尼电阻——有多于58个谐波分量接510欧姆阻尼电阻，有11个谐波分量R容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com阻尼电阻值R=?RC分布电容C:单/双层PCB:信号线到GND网络多层PCB:信号线到GND层如何改变RC:C为常数，改变R值R值可以从22ohm－1000ohm容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com信号线电流——Clock发送侧串接22－220欧姆阻尼【Damping】电阻，电阻越大干扰越小，但是可能会影响电路时序。采用点对点连接，不换层，平滑走线。双层板的时钟线和控制线，一定要有地线护送容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com阻尼电阻的放置位置由于地址线上阻尼电阻放置不合理引起的大面积辐射容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com常见设计问题“减少器件类型”引起的问题：使用统一类型的时钟驱动器“减少器件数量”引起的问题：多个不同频率的时钟使用一个时钟驱动器时钟驱动器133MHz33MHz上升沿时间：0.5ns，fknee640MHz最高谐波次数：5【665MHz】最高谐波次数：20【660MHz】电流和回流控制电流I容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com电流电源线和地线上的电流过细的电源线或者地线小孔径电源/地换层过孔对策：PCB布板时，必须先布电源线和地线；电源线和地线换层时，必须使用大孔径过孔，或者多个过孔高速信号线——瞬间需要大电流时钟信号，读写信号等控制信号数字总线【数据线、地址线等】对策：在原理图设计时，在时钟线/控制总线/地址线上设计有阻尼电阻。容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com提示单根信号线一般不致于引起EMI问题一般EMI问题：多根信号线共享电流回流容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com电流回流【双层板】VCCVCC容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双层板如何减小环路的面积容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双层板不良地线举例68HC1174HC00AB连接ABE时钟容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双面板PCB单面或双面板，没有电源面和地线面，EMI控制难度大布局：考虑布线方便以及电流均匀布地线、电源线，布放滤波电容电源线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的串扰。布关键信号线（时钟信号等）：靠近地回路，形成较小的回流面积。布其他信号线：避免大面积无地信号线组。地敷铜，良好敷铜，能达到4层板的效果！容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双面PCB典型回流问题大面积没有GND的信号线组容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双层板PCB地线网格【Grid】双层电路板的走线优先考虑地线的规划网格大小：x5cm，且y5cm容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com电流回流【多层板】低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——跨越分割参考平面的分割地分割电源分割焊接面上跨越电源分割的布线4层板（S1/G/P/S2)或6层板S1/G/S2/S3/P/S4容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.comGND分割引起电源EMI容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com多层板信号线换层换层前后，参考平面是两个不同的地层时：在信号线换层多的区域，需要地层间过孔进行“良好连接”否则，表现出来的现象是附近某个地方有强辐射【把多个地层连接起来的过孔上】S1GNDS2S3GND？电流回流容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com多层板信号线换层换层前后，参考平面分别是电源和地时：在信号线换层多的区域，需要适当的旁路电容构成较好的电流回路否则，表现出来的现象是附近滤波电容处有强辐射【滤波电容起了回流作用】S1GNDS2VCC？电流回流C容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com信号线换层问题对策保持参考平面间均匀连接同类参考平面：通过过孔连接【敷铜】电源和地平面：电容连接【转层电容】【几十兆到300MHz】电源平面和地平面的等效电容【大于300MHz】一般原则【信号线和“连接”的比例】时钟线：1:1普通信号线：(4－8):1容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——安全间距信号线共享回流路径（EMI以及感性串扰）在数字电路中，感性串扰容性串扰容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com案例——感性串扰接插件过孔安全间距过大，破坏了地平面容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——密集过孔密集过孔，破坏地平面，无意的分割跨越分割的信号线，会产生感性串扰和共模EMI容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——密集过孔容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com设计要点过孔尽可能分开放置直插式接插件，必须靠近PCB边缘放置必须放置在PCB中间的接插件，尽可能使用贴片式，或者不能有任何信号线走过接插件容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——多电源芯片核电压1.8V，I/O电压2.5V跨越1.8V电源的布线：增加回流面积干扰1.8V电源对策：布线不要跨越减小分割区域1.8V电源I/OI/O回流回流容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.comBGA芯片核电压分割引起EMI1.8V电源电路BGA芯片的总线的工作频率为125MHz焊接面布有信号线倒数第二层是电源层RJ45电缆上的EMIBGA芯片容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com多电源处理一般情况下，一块PCB只设一个电源层不要对每组电源都进行分割，一般只做1－2个“电源平面”电源可以当做信号线布线：连接的pin很少连接的位置非常分散电流很小连接的IC的频率很低（模拟器件等）容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com回流问题——电缆或板间连接器地线应该尽可能均匀分布于信号线中间容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com连接器上的电流回流容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com信号线和地线的比例适用于：双层板IC-IC信号线连接PCB-PCB电缆/接插件互联一般原则【信号线和“地线”的比例】时钟线：1:1普通信号线：(4－8):1容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com板间电缆上的电磁辐射二、PCB的EMC设计PCB的EMC设计：总论PCB的EMC设计＃1：电流和回流PCB的EMC设计＃2：电源滤波PCB的EMC设计＃3：天线容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com△I噪声电流是EMI的根源信号发生0-1的变换时，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，会有电流从所接电源流入门电路，或从门电路流入地线，这个变化的电流就是△I噪声的源，亦称为△I噪声电流。由于电源线和地线存在一定的阻抗，其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压，并引发其电流电压的波动，这个电源电压变化就是△I噪声电压，会引起误操作，并产生传导骚扰和辐射骚扰。在电路中,当器件的众多信号管脚同时发生0－1变换时,不论是否接有容性负载,都会产生很大的△I噪声电流,使得器件外部的工作电源电压发生突变。容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路ICCI驱动I充电I放电IgVg容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com去耦电容对△I噪声的抑制原理正确的连接方法是：让连接VCC引脚、GND引脚的布线以及电容的网络，呈现最小阻抗Zf1/2LC去耦技术：安装去耦电容来提供一个电流源，补偿逻辑器件工作时所产生的△I噪声电流；在谐振频率点附近，为电源提供一个接近0欧姆的阻抗，使电源在该频率范围内成为理想电源【可以提供无穷大的电流】容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com双层PCB去耦电容的考虑建议使用贴片电容GNDVCC一般方法GNDVCC最佳方法容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com错误的去耦电容放置GNDVCCGNDVCC不正确的方法容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com去耦电容的放置和连接容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com电源去耦技术Decoupling目的：把芯片产生的EMI控制在最小的区域去耦频率和电容值（贴片电容）几十MHz及以下，电解电容【uF】几十至300MHz，每个供电组一个0.1/0.01uF300MHz以上，电源层和地层的等效阵列电容，几十pF；或者在产生高频干扰的芯片上并接pF级的滤波电容。去耦电容布放就近连接原则：尽可能靠近芯片【除低频滤波外】最佳位置：焊接面容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.comPCB分层考虑元件面、焊接面：敏感信号线及总线方便调测，易于控制一般建议：元件面布放第二层、倒数第二层：地／电源层保证元件面和焊接面敏感信号线的SI。4层板：S1/G/P/S2，S1放置主要信号线6层板：S1/G/S2/P/G/S3，S1/S3主要信号6层板：S1/S2/G/P/S3/S4适合于：电源种类少，S1、S4能大面积敷铜8层板：S1/G/S2/G/P/S3/G/S4容向——专注于电磁兼容方向www.emcdir.com多层PCB