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L/O/G/O板级PCB电磁兼容设计惠州侨兴电信工业有限公司电信研发中心www.qiaoxing.com摘编：陈章华www.qiaoxing.com目录板极PCB电磁兼容设计基础板极PCB电磁兼容布局设计板极PCB电磁兼容布线设计123www.qiaoxing.com1设计基础1.1PCB设计技术基础1.2PCB辐射场强模型1.3镜像层与回流设计1.4PCB分层设计原则1.5PCB分层设计分析www.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础PCB设计的意义解决电子设备的辐射骚扰(抗扰)有多种办法,如通过结构屏蔽措施解决,但这个成本高,而且前期设计时不容易确定单板是整个EMI的源头,从源头解决EMI问题是最好的解决办法,而PCB设计直接关系到电子产品的兼电磁容性.如果在PCB设计时就对EMC/EMI给以重视,就会减少后续出现EMC问题的概率,大大缩短产品的研发周期,加快产品上市时间,降低产品的成本,从而为公司带来更好的效益.www.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础基础知识EMC（ElectromagneticCompatibility电磁兼容性）是一个设备或装置与其它装置同时操作时，不会因为电磁干扰问题而影响正常工作之能力(既不干扰其他设备,也不受其他设备的影响)。EMI（ElectromagneticInterference）一个设备或装置在操作过程中有不利功能的电磁讯号出现，此电磁讯号是不想要且无意义的，它可能来自外界亦可能来自自己，这些电磁信号会与电子元件作用，产生干扰现象，称为EMI。例如，TV荧光屏上常见的“雪花”，便表示接受到的讯号被干扰。EMS（ElectroMagneticSusceptibility，电磁耐受性）是指一个设备或装置在操作过程中不受周围电磁环境影响的能力。www.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础差模电流和共模电流根据麦克斯韦方程可以得出:静态电荷产生静电场,恒定电流产生磁场,时变电流既产生电场又产生磁场.关于辐射的一个重要基本观念是“电流导致辐射,而非电压”在任何电路中都存在共模电流和差模电流,他们都决定了传播的RF能量的大小从工程角度讲:差分模式信号携带数据或有用信号(信息).共模模式是差模式的负面效果.www.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础共模电流大小不一定相等，方向（相位）相同设备对外的干扰多以共模为主，差模干扰也存在，但是共模干扰强度常常比差模强度的大几个数量级。外来的干扰也多以共模干扰为主，共模干扰本身一般不会对设备产生危害，但是如果共模干扰转变为差模干扰，干扰就严重了，因为有用信号都是差模干扰。TextinhereTextinherewww.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础差模电流大小相等，方向（相位）相反。由于走线的分布电容、电感，信号走线阻抗不连续，以及信号回流路径流过了意料之外的通路等，差模电流会转换成共模电流。www.qiaoxing.com1.1PCB设计技术基础共模电流和差模电流的磁场分布差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积之内，而回路面积之外的磁力线会相互抵消；而共模电流的磁场，在回路面积之外，共模电流产生的磁场方向相同，磁场强度反而加强。这个概念非常重要，PCB的很多EMC设计都遵循这个规则。www.qiaoxing.com1设计基础1.1PCB设计技术基础1.2PCB辐射场强模型1.3镜像层与回流设计1.4PCB分层设计原则1.5PCB分层设计分析www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型差模辐射和共模辐射在单板上的模型分析共模发射和差模发射对抑制骚扰电平是重要的，通常把线地的发射定义为共模发射，由下图可知，若减小共模发射，应减小线的长度www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型差模辐射和共模辐射在单板上的模型场强与回路面积成正比。为减小差模发射电平，除减小源电流外，应该减小环电路的面积。www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型差模辐射和共模辐射场强计算公式共模辐射场强：E=1.26×I×L×f/r其中：I为共模电流强度；L为共模电流路径长度；f为共模电流频率；r为测试点距离共模路径的距离。差模辐射场强：E=6.2×I×A×f2/r其中：I为差模电流强度；A为差模电流环路面积；f为差模电流频率；r为测试点距离差模环路的距离。www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型差模辐射和共模辐射场强比较较小的共模电流能够产生强度很高的辐射，很多因素都能导致共模电流，很小的共模电流能和很大的差分电流产生大小相等到的RF能量，这是因为共模电流不能在RF返回路径中进行磁力线的抵消。举例：一个20mA的差模电流，在30MHz时，将在3m远的地方产生产一个强度为100uV/m的辐射电场；一个8uA的共模电流，在30MHz时，将在3m远的地方产生产一个强度为100uV/m的辐射电场；www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型差模辐射和共模辐射在单板上的模型www.qiaoxing.com1.2PCB辐射场强模型PCB设计关键通过对单板辐射模型的了解，我们可以初步得出解决PCB设计中EMI的关键：A减少设计单板中差模信号回路面积B减少设计单板中共模信号回路面积（接地设计）C加大共模阻抗，减小高频噪声电流（滤波、隔离及匹配等措施D增大干扰源与敏感电路之间的距离www.qiaoxing.com1设计基础1.1PCB设计技术基础1.2PCB辐射场强模型1.3镜像层与回流设计1.4PCB分层设计原则1.5PCB分层设计分析www.qiaoxing.com1.3镜像层与回流设计单板镜像层镜像层是PCB内部临近信号层的一层完整的敷铜平面层（电源层、接地层）。主要有以下作用：降低回流噪声：镜像层可以为信号层回流提供低阻搞路径，尤其在电源分布系统中有大电流流动时，镜像层的作用更加明显。降低EMI：镜像层的存在减少了信号和回流形成的闭合环的面积，降低了EMI。降低串扰：有助于控制高速数字电路中信号走线之间的串扰问题，改变信号线距镜像层的高度，就可以控制信号线间串扰，高度越小，串扰越小其他就是阻抗控制，防止信号反射。www.qiaoxing.com1.3镜像层与回流设计信号回流高速信号回流是走阻抗最小的回路，而不是最短路径！www.qiaoxing.com1.3镜像层与回流设计镜像层的作用电源、地平面通过铺平面可以降低特性阻抗，当然由于电源平面的完整性以及面积等因素，电源平面的阻抗比地平面阻抗高。为降低电源平面对地的阻抗，需要将PCB的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并且尽量靠近，利用两者的耦合电容，降低电源平面的阻抗。电源与地平面构成的平面电容与PCB上的退耦电容一起构成电源对地的阻抗回路，类似平板电容，但它有效滤波频段比普通电容要宽得多，因此高频滤波效果更好www.qiaoxing.com1.3镜像层与回流设计镜像层的选择电源、地平面都能用作参考平面，且对内部走线有一定的屏蔽作用相对而言，电源平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电势差，同时电源平面上的高频干扰相对比较大从屏蔽的角度，地平面一般均作了接地的处理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面选择参考平面时，应优选地平面，次选电源平面www.qiaoxing.com1设计基础1.1PCB设计技术基础1.2PCB辐射场强模型1.3镜像层与回流设计1.4PCB分层设计原则1.5PCB分层设计分析www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则在PCB的EMI设计考虑中，首先涉及的但是层的设置；单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成；电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对单板的EMC指标至关重要。www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则单板的层数决定：单板的电源、地的种类信号密度板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量单板的性能指标要求与成本承受能力www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则单板的分层原则：关键信号层要有地平面相邻关键的主电源有一个对应地平面相邻回流次要的布线层需要有地或者电源层做回流一般情况下，第二层与倒数第二层为完整地平面www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则单板频率时钟频率超过5MHz，或信号上升时间小于5ns时，一般需要使用多层板设计。采用多层板设计时，信号回路面积能够得到很好的控制www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则关键布线层对于多层板，关键布线层（时钟线、总线、接口信号线、射频线、复位信号线、片选信号线以及各种控制信号线等所在层）应与完整地平面相邻，优选两地平面之间。关键信号线一般都是强辐射或极其敏感的信号线，靠近地平面布线能够使其信号回路面积减小，减小其辐射强度或提高搞干扰能力。www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则20H原则多层板中，电源平面应对于其相邻地平面内缩（建议值5H~20H）。电源平面相对于其回流地平面内缩可以有效抑制“边缘辐射”问题。（20H可以将70%的电场限制在接地层边沿内）电源层地层HE20H电源层地层HEwww.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则表层铺地考虑对于板级工作频率≥50MHz的单板，若第二层与倒数第二层为布线层、则TOP、BOTTOM层应铺接地铜箔。主要考虑屏蔽与高频信号回流。www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则电源平面与地平面多层板中，单板主工作电源平面（使用最广泛的电源平面）应与其地平面紧邻。电源平面和地平面相邻，可以有效地减小电源电流的回路面积；另外注意：芯板（GND到POWER）不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去耦效果。www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则相邻电源平面层相邻平面层应避免其不同属性区域投影平面重叠。投影重叠时，不同属性区域的层与层之间的耦合电容会导致各层之间不同区域的噪声互相耦合。投影重叠区域等效图www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则相邻电源平面层当走线层铺铜时，同样需要注意相邻平面层应避免噪声互相耦合。www.qiaoxing.com1.4PCB分层设计原则同一平面分割同一平面分割，特别注意与其他平面的耦合关系www.qiaoxing.com1设计基础1.1PCB设计技术基础1.2PCB辐射场强模型1.3镜像层与回流设计1.4PCB分层设计原则1.5PCB分层设计分析www.qiaoxing.com1.5PCB分层设计分析推荐分层设计www.qiaoxing.com1.5PCB分层设计分析推荐分层设计举例1此板的信号传输速率为1G，裸板ECM设计能够达到ClassA限值要求www.qiaoxing.com1.5PCB分层设计分析推荐分层设计举例2此板的信号传输速率为100M，裸板ECM设计能够达到ClassB限值要求www.qiaoxing.com目录板极PCB电磁兼容设计基础板极PCB电磁兼容布局设计板极PCB电磁兼容布线设计123www.qiaoxing.com2布局设计2.1PCB布局设计原则2.2关键滤波器布局设计2.3系统接口电路布局设计2.4关键干扰器件布局设计www.qiaoxing.com2.1PCB布局设计原则在PCB布局之前，首先要进行PCB模块的划分，在模块划分的基础上进行关键品件布局；PCB的模块划分及关键器件的布局，对产品EMC结果有至关重要的影响。因为高速器件、驱动器、电源模块、滤波器件等在PCB上相对位置和方向都对电磁场的发射和接收产生巨大影响，同时布局的优劣将直接影响到布线的走以及质量www.qiaoxing.com2.1PCB布局设计原则PCB布局核心原则就是从空间上避免不同器件之间的相互干扰www.qiaoxing.com2.1PCB布局设计原则布局着重关注以下部分模拟器件区域功率模块区域强干扰器件滤波与隔离器件接口部分器件www.qiaoxing