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PCB設(shè)計(jì)如何搭配EMI對策元件,改善電磁干擾?

發(fā)布時間:2012-11-01 責(zé)任編輯:abbywang

【導(dǎo)讀】消費(fèi)者對電子產(chǎn)品的性能要求不斷提高,而電子元件的性能表現(xiàn)大幅躍升,在發(fā)展高性能可攜式行動裝置前,開發(fā)者最頭痛的仍是如何將高速中央處理器、GPU、RF無線傳輸元件安置于系統(tǒng)中,彼此又不會因電磁干擾問題使得產(chǎn)品無法通過驗(yàn)證。


系統(tǒng)開發(fā)者在針對開發(fā)要求,開始進(jìn)行應(yīng)用方案選擇,大多會傾向?qū)ふ倚阅芨?、速度更快的解決方案,例如SoC、GPU、無線傳輸、無線充電等應(yīng)用方案,都會以更新、更快的角度進(jìn)行方案選擇,但若同時將這些應(yīng)用方案塞到設(shè)備機(jī)箱中,如果沒有針對電磁波改善方案進(jìn)行設(shè)計(jì),完成的產(chǎn)品肯定無法通過電磁干擾(Electro Magnetic Interference,EMI)產(chǎn)品驗(yàn)證關(guān)卡,甚至可能造成產(chǎn)品無法出貨。

一般來說,電子產(chǎn)品通常若在開發(fā)過程中,未能重視EMI問題對策與改善,通常會在后段即將進(jìn)行量產(chǎn)才發(fā)現(xiàn)EMI問題必須改善,此時才在事后進(jìn)行設(shè)計(jì)檢討、測試、改善對策元件追加/試做,耗用的成本會比在開案初期即同時考量設(shè)計(jì)改善方案要來得高許多,往往在設(shè)計(jì)案的時限一步步逼近時,在時間壓力下若因EMI問題而使設(shè)計(jì)必須做某部分的妥協(xié),更是得不償失。

利用局部金屬屏蔽 解決重點(diǎn)EMI問題

除了從模塊化元件利用金屬屏蔽方式,降低高頻、高速元件可能造成的電磁干擾噪訊外,另一個產(chǎn)生電子波干擾的重要源頭,就是PCB電路板本身,系統(tǒng)開發(fā)者必須在投入開發(fā)的初期就能預(yù)先進(jìn)行各式抑制電磁干擾源發(fā)生的設(shè)計(jì)問題,或搭配被動元件、輔助設(shè)計(jì)措施進(jìn)行產(chǎn)品的電磁干擾問題改善。電子系統(tǒng)中,除了關(guān)鍵元件的高頻運(yùn)行下,可能產(chǎn)生電磁干擾問題外,另一大電磁干擾問題來源,就是印刷電路板本身的設(shè)計(jì)不良,使得電磁波干擾問題會有趨于惡化的現(xiàn)象。開發(fā)時必須針對不同的需求,選擇適宜的設(shè)計(jì)形式降低可能產(chǎn)生的電磁干擾影響。

針對PCB區(qū)塊產(chǎn)生的EMI干擾問題,可使用EMI改善對策元件重點(diǎn)改善
圖1:針對PCB區(qū)塊產(chǎn)生的EMI干擾問題,可使用EMI改善對策元件重點(diǎn)改善。

通常PCB設(shè)計(jì)工作需要仰賴系統(tǒng)設(shè)計(jì)者多年累積的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),或利用精密的驗(yàn)證模型系統(tǒng),在產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行前先以機(jī)箱框體結(jié)構(gòu)、載板、元件特性、電源配置等參數(shù),先進(jìn)行軟件參數(shù)模擬分析,試著在投入研發(fā)資源前,先初步確認(rèn)電磁干擾問題的可能影響狀態(tài),再進(jìn)行細(xì)部的外型、機(jī)構(gòu)、電路或元件重新配置方式,盡可能將電磁干擾問題的可能成因降到最低。

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在設(shè)計(jì)過程考量EMI設(shè)計(jì)對策

一般來說,電子產(chǎn)品通常會在完成初步驗(yàn)證設(shè)計(jì),即同步進(jìn)行電磁干擾驗(yàn)證工作,此時的設(shè)計(jì)方案在外型與機(jī)構(gòu)仍有相當(dāng)大程度的設(shè)計(jì)修改彈性,若驗(yàn)證設(shè)計(jì)測出的電磁干擾問題相當(dāng)嚴(yán)重,就必須選擇重新配置零組件、或改善部分機(jī)構(gòu)或防護(hù)材料的設(shè)置。

但若電磁干擾問題的影響采用元件重新配置的改善幅度有限,或PCB板本身就太小、根本沒有空間重新配置關(guān)鍵元件,這時能進(jìn)行電磁波干擾問題改善的設(shè)計(jì)方針,就必須朝不同設(shè)計(jì)技巧、或利用電磁波抑制對策元件進(jìn)行重點(diǎn)式設(shè)計(jì)改善。而多數(shù)設(shè)計(jì)方案為了降低后期驗(yàn)證、可能造成電磁干擾問題不易修正問題,或是減少投入修正電磁干擾問題的額外成本,較合適的作法是在每個開發(fā)階段都加入減低電磁干擾的線路設(shè)計(jì)考量,讓整體電路設(shè)計(jì)可將電磁干擾問題降低減緩。

在射頻、核心處理器、高速存儲器等高頻元件區(qū)塊,可使用金屬屏蔽方式改善產(chǎn)品EMI影響問題
圖2:在射頻、核心處理器、高速存儲器等高頻元件區(qū)塊,可使用金屬屏蔽方式改善產(chǎn)品EMI影響問題。

若以目前最熱門的智能型行動裝置為例,一般的設(shè)計(jì)條件中,大多會選擇納入核心處理器(CPU)、繪圖處理器(GPU)、存儲器(DDR SDRAM)、儲存記憶卡...等關(guān)鍵元件,而高頻元件以處理器、繪圖處理器、存儲器為主,目前行動裝置處理器外部時脈動輒超過1GHz,這在機(jī)構(gòu)空間相對有限的小尺寸設(shè)計(jì)方案中,并不容易改善其電磁干擾問題,而高頻運(yùn)行也容易干擾周邊元件正常運(yùn)行,較常見的作法是于PCB印刷電路板做好區(qū)塊接地、搭配金屬護(hù)罩把高頻元件利用金屬屏蔽,最大幅度地減少電磁干擾影響。

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使用改善EMI干擾對策元件 緩解設(shè)計(jì)產(chǎn)品之EMI影響

但搭配金屬屏蔽設(shè)計(jì),必須搭配PCB印刷電路板的接地布線進(jìn)行配合,于高頻元件周邊預(yù)留金屬屏蔽可用的固定焊點(diǎn),焊點(diǎn)除具備直接屏蔽效果外,也必須同時達(dá)到屏蔽接地設(shè)計(jì),讓高頻電磁干擾問題有效被抑制。解決了最大的EMI問題干擾源后,對于PCB本身的干擾問題改善,就可搭配對策性電磁干擾改善元件進(jìn)行EMI問題加強(qiáng)改善設(shè)計(jì)。

例如,針對CPU線路需要的時脈電路,可以追加防止電磁干擾用的濾波電路,而據(jù)高頻資料傳輸運(yùn)行狀態(tài)的GPU高頻I/O,可以追加設(shè)置共模扼流線圈(Common mode Choke Coil),至于也可選擇幾個關(guān)鍵IC,在其電源線路上設(shè)置旁路電容(Bypass Condenser)、或搭配Ferrite Beads(FB)元件設(shè)計(jì)。

而共模扼流線圈元件,通??梢栽谥靼寤蜻m配卡上相當(dāng)常見,共模扼流線圈主要是針對EMI問題進(jìn)行濾波改善,尤其是針對高速信號線可能產(chǎn)生的電磁波向外輻射的抑制效果特別好,也可用于消除信號線的輸入干擾訊號、或各式環(huán)境噪訊/機(jī)箱內(nèi)噪訊的干擾問題。共模扼流線圈又稱共模電感、共模線圈,尤其在交換式電源設(shè)計(jì)方案中相當(dāng)常見,目前已有針對小型電路設(shè)計(jì)的貼片型元件。

針對高頻線路區(qū)塊 進(jìn)行重點(diǎn)EMI對策元件設(shè)置

而Ferrite Beads(磁珠)元件方面,磁珠本身具有很高的電阻率、磁導(dǎo)率,可以等效于電阻與電感的串連特性,但Ferrite Beads實(shí)際的電阻、電感值會隨著頻率產(chǎn)生變化,由于Ferrite Beads比一般電感有更好的高頻濾波特性。Ferrite Beads本身的材料為鐵氧體的立方晶格的亞鐵磁性材料,鐵氧體材料可以是鐵鎳合金或鐵鎂合金,因?yàn)檫@種材料的高頻損耗相當(dāng)大、且具備較高的磁導(dǎo)率,用于電磁干擾重點(diǎn)防治設(shè)計(jì)相當(dāng)有用。

鐵氧體材料特性也可用于電路板的EMI問題改善方面,一般來說在低頻段時,F(xiàn)errite Beads的阻抗表現(xiàn)為由電感的組抗來構(gòu)成,低頻狀態(tài)的電阻值相當(dāng)?shù)?,磁芯本身的磁?dǎo)率高、電感量表現(xiàn)較大,電磁干擾受電感反應(yīng)影響。在高頻使用段方面,F(xiàn)errite Beads的阻抗由電阻特性呈現(xiàn),隨著外部頻率升高、磁芯之磁導(dǎo)率對應(yīng)降低,這會導(dǎo)致Ferrite Beads的電感量減小、但此時磁芯損耗會增加(電阻增加),當(dāng)高頻信號通過鐵氧體電磁干擾反而會被吸收、轉(zhuǎn)換成熱能形式逸散能量。

至于Ferrite Beads鐵氧體的抑制元件可廣泛用于PCB印制電路板、數(shù)據(jù)線、電源線,例如,在PCB電路板電源線入口端加上Ferrite Beads鐵氧體抑制元件,即可有效濾除區(qū)塊電路的高頻干擾,另鐵氧體磁環(huán)、磁珠也可用于抑制信號線、電源線的高頻干擾/突波干擾,同時具吸收靜電放電脈沖能力。
 

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