EMC设计经验分享之线路板EMC设计技术

EMC设计经验分享之线路板EMC设计技术课程名称目录一、EMC概述二、线路板EMC设计技术三、关键电路EMC设计EMC定义EMC：Electromagneticcompatibility，电磁兼容性EMC定义：在同一电磁环境中，设备能够不因为其他设备的干扰影响正常工作，同时也不对其他设备产生影响工作的干扰。EMC三要素，缺少任何一个都构不成EMC问题。干扰源敏感设备耦合途径常见EMC测试项目EMC：电磁兼容性EMI：电磁干扰EMS：电磁敏感RECEHarmonicsFlicker辐射发射传导发射谐波电流闪烁RSCSESDEFT/BDIP/iPMS辐射抗扰度传导抗扰度静电抗扰度电快速瞬变脉冲群电压跌落/短时中断工频磁场抗扰度surge浪涌抗扰度ESD：ElectrostaticdischargeESD：静电放电，考察设备在接收外界静电源（如带电人体、带电设备等）所产生的直接放电或静电场干扰时的抵抗能力。测试标准：IEC61000-4-2。静电波形及参数Tr约为0.7至1ns，因上升时间非常短，根据傅利叶变换，其产生干扰的频率可以延伸至500MHz。EMI（AV产品）电源线端的传导骚扰：150KHZ~30MHZ吸收钳法测骚扰功率：30MHZ~300MHZ辐射发射：30MHZ~１ＧHZ产品EMC设计系统设计：在产品进行系统设计时就应该开始考虑ＥＭＣ设计。结构ＥＭＣ设计：包括布局设计、屏蔽设计、接地设计、滤波设计等。设计原则：１、能屏蔽的尽量屏蔽；２、金属件一定要充分接地；３、在布局设计时要尽量减少减短互连电缆线;4、缝隙要尽量小,敏感电路离缝隙尽量远等。线路板ＥＭＣ设计：接下来我们要重点讨论学习的。目录一、EMC概述二、线路板EMC设计技术三、关键电路EMC设计目录一、EMC概述二、线路板EMC设计技术１、基础知识２、PCB设计原则３、案例分享三、关键电路EMC设计基础知识差模电流和共模电流关于辐射的一个重要基本观念是“电流导致辐射，而非电压”。静态电荷产生静电场，恒定电流产生磁场，时变电流即产生电场又产生磁场。在任何电路中都存在共模电流和差模电流。一般来说，差分模式信号携带数据或有用信号（信息）。共模模式是差分模式的负面效果。基础知识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。基础知识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。基础知识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。基础知识dici差模辐射共模辐射差模辐射和共模辐射模型基础知识差模辐射和共模辐射场强计算公式rfAIE/6.22差模辐射场强：rfLIE/26.1共模辐射场强：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。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。基础知识总结：在线路板上抑制干扰的途径有：1、减小差模信号回路面积；2、减小高频噪声电流（滤波、隔离及匹配）；3、减小共模电压（接地设计）。在PCB的EMC设计中，上述的1、3点是PCBEMC设计的关键目的。基础知识微带线和带状线微带线微带线是贴附在介质平面，并直接暴露于空气中。特性阻抗：传输延迟：对FR-4材料（εr在4.5~5之间），w≈h，特性阻抗75Ω；w≈2h，特性阻抗50Ω。传输延迟大约为142ps/inch。基础知识带状线带状线是在两个导电平面结构中被介质材料所包围的传输线。特性阻抗：传输延迟：对FR-4材料（εr在4.5~5之间），w≈h/8，特性阻抗75Ω；w≈h/3，特性阻抗50Ω。传输延迟大约为190ps/inch。基础知识微带线和带状线的比较微带线的传输延时比带状线低。微带线位于表层，直接对外辐射，带状线位于内层，有参考平面屏蔽。微带线可见，便于调试，带状线不可见，调试不方便。对于带状线，由于其夹在两平面之间，其辐射途径得到较好的控制，其主要对外传播途径为传导，即我们需要重点考虑提其供电过程中的电源、地的纹波以及与相邻走线之间的串扰。对于微带线，除传导途径外，其自身对外的辐射对EMC指标至关重要。目录一、EMC概述二、线路板EMC设计技术１、基础知识２、PCB设计原则３、案例分享三、关键电路EMC设计PCB设计原则【设计原则】：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。【原理分析】：采用多层板设计时，信号回路面积能够得到很好的控制。PCB设计原则【设计原则】：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。【原理分析】：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抗干扰能力。地层地层关键布线层信号回路PCB设计原则【设计原则】：对于单层板，关键信号线两侧应该布“GuideGroundLine”。【原理分析】：关键信号线两侧地“保卫地线”一方面可以减小信号回路面积，另外，还可以防止信号线与其他信号线之间地串扰。ICICPCB注：红线为关键信号线，篮线为地线。PCB设计原则【设计原则】：对于双层板来说，要求关键信号线地投影平面上有大面积铺地，或者同单层板地处理办法，设计“GuideGroundLine”。【原理分析】：原因同多层板中的“关键信号线靠近地平面布线”。ICIC铺地PCB设计原则【设计原则】：多层板中，电源平面应相对于其相邻地平面内缩（建议值5H～20H）。【原理分析】：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。电源层地层HE20H电源层地层HEPCB设计原则【设计原则】：布线层的投影平面应该在其回流平面层区域内。【原理分析】：布线层如果不在其回流平面层地投影区域内，在布线时将会有信号线在投影区域外，导致“边缘辐射”问题，并且还会导致信号回路面积地增大，导致差模辐射增大。E蓝色为平面层，红色为信号走线。PCB设计原则【设计原则】：在多层板中，单板TOP、BOTTOM层是否无≥50MHz的信号线。【原理分析】：最好将高频信号走在两个平面层之间，以抑制其对空间的辐射。过孔ICICPCB设计原则【设计原则】：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。【原理分析】：最好将高频信号走在两个平面层之间，以抑制其对空间的辐射。PCB设计原则【设计原则】：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。【原理分析】：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。同时电源平面和地平面会形成较大的电容，对滤除电源上的高频噪声很有好处。布线层1地层电源层布线层2布线层1地层电源层布线层2GoodBadPCB设计原则【设计原则】：在单层板中，电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线。【原理分析】：减小电源电流回路面积。IC电源线地线单层板IC电源线地线单层板GoodBadPCB设计原则【设计原则】：在双层板中，电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线。【原理分析】：减小电源电流回路面积。IC电源线地线双层板IC地线电源线或PCB设计原则【设计原则】：在分层设计时，尽量避免布线层相邻的设置。如果无法避免布线层相邻，应该适当拉大两布线层之间的层间距，缩小布线层与其信号回路之间的层间距。并且两布线层成正交的方式走线。【原理分析】：相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰。地层布线层1布线层2电源层PCB设计原则【设计原则】：相邻平面层应避免其投影平面重叠。【原理分析】：投影重叠时，层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合。5V3.3VDC/DC电源模块GNDDC/DC电源模块GND5V3.3VPCB设计原则推荐分层设计：层数123456789104S1G1P1S26S1G1S2P1G2S36S1G1S2S3P1S48S1G1S2G2P1S3G3S48S1G1S2P1G2S3P2S410S1G1S2P1S3G2P2S4G3S510S1G1S2S3G2P1S4S5G3S6PCB设计原则【设计原则】：PCB布局设计时，应充分遵守沿信号流向直线放置的设计原则，尽量避免来回环绕。【原理分析】：避免信号直接耦合，影响信号质量。网口变压器PHYCPU接口网口变压器PHY接口CPU直接耦合GOODBADPCB设计原则【设计原则】：多种模块电路在同一PCB上放置时，数字电路与模拟电路、高速与低速电路应分开布局。【原理分析】：避免数字电路、模拟电路、高速电路以及低速电路之间的互相干扰。其他有噪声电路数字电路模拟电路电源电路PCB设计原则【设计原则】：当线路板上同时存在高、中、低速电路时，应该遵从下图中的布局原则。【原理分析】：避免高频电路噪声通过接口向外辐射。接口低速电路（如低频模拟电路）中速电路（如数字控制电路）高速电路（如大规模集成电路）PCB设计原则【设计原则】：存在较大电流变化的单元电路或器件（如电源模块的输入输出端、风扇及继电器）附近应放置储能和高频滤波电容。【原理分析】：储能电容的存在可以减小大电流回路的回路面积。电源IC瞬时电流慢速充电电流慢速充电电流PCB设计原则【设计原则】：线路板电源输入口的滤波电路应靠近接口放置。【原理分析】：避免已经经过了滤波的线路被再次耦合。IC1IC2IC3noiseinoiseE滤波电路IC1IC2IC3滤波电路PCB设计原则【设计原则】：在PCB板上，接口电路的滤波、防护以及隔离器件应该靠近接口放置。【原理分析】：可以有效的实现防护、滤波和隔离的效果。ICFilter外来干扰ICnoiseinoisei直接辐射干扰其他ICICFilter外来干扰ICnoisei干扰一进单板就被滤掉GoodBadPCB设计原则【设计原则】：如果接口处既有滤波又有防护电路，应该遵从先防护后滤波的原则。【原理分析】：防护电路用来进行外来过压和过流抑制，如果将防护电路放置在滤波电路之后，滤波电路会被过压和过流损坏。PCB设计原则【设计原则】：布局时要保证滤波电路（滤波器）、隔离以及防护电路的输入输出线不要相互耦合。【原理分析】：上述电路的输入输出走线相互耦合时会削弱滤波、隔离或防护效果。PCB设计原则【设计原则】：单板上如果设计了接口“干净地”，则滤波、隔离器件应放置在“干净地”和工作地之间的隔离带上。【原理分析】：避免滤波或隔离器件通过平面层互相耦合，削弱效果。非平衡线隔离变压器共模扼流圈PCB设计原则【设计原则】：晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件远离单板接口连接器至少1000mil。【原理分析】：将干扰会直接向外辐射或在外出电缆上耦合出电流来向外辐射。晶振noiseiLPCB设计原则【设计原则】：敏感电路或器件（如复位电路、WATCHDOG电路等）远离单板各边缘特别是单板接口侧边缘至少1000mil。【原理分析】：类似于单板接口等地方是最容易被外来干扰（如静电）耦合的地方，而象复位电路、看门狗电路等敏感电路极易引起系统的误操作。PCB设计原则【设计原则】：为IC滤波的各滤波电容应尽可能靠近芯片的供电管脚放置。【原理分析】：电容离管脚越近，高频回路面积越小，从而辐射越小。电源IC电源IC低频回路次低频回路高频回路低频回路次低频回路高频回路GoodBadP