第一章:PCB的EMC設(shè)計(jì)
1、PCB 設(shè)計(jì)的EMC 思想
根據(jù)筆者從事硬件、EMC、PCB設(shè)計(jì)的多來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,要設(shè)計(jì)出一塊EMC、SI性能優(yōu)越的PCB板,難度不大,但是PCB工程師必須在PCB設(shè)計(jì)深深地融入如下思想與意識(shí),或者說(shuō)要敬畏如下規(guī)則:
(1)“回流路徑”要控制
信號(hào)從本質(zhì)上說(shuō),就是環(huán)路,即從源到目標(biāo)(信號(hào)線(xiàn)),然后返回到源(返回路徑),否則就形成不了信號(hào)或電磁干擾(基爾霍夫定理)。
信號(hào)或電流從最低阻抗的路徑返回到源,由于回流路徑(電源平面)存在ESL、ESR,導(dǎo)致低頻信號(hào)、高頻的返回路徑迥然不同:
A)如果返回路徑的阻抗大于377歐,信號(hào)就會(huì)通過(guò)空間返回(形成對(duì)外的電磁干擾);
B)如果信號(hào)線(xiàn)與其返回路徑形成的“環(huán)路”面積過(guò)大,就容易向外輻射電磁干擾,或接收到外部的電磁場(chǎng)(法拉第電磁感應(yīng)原理),也就是說(shuō),該信號(hào)的抗干擾(如靜電ESD、輻射抗擾度RS)性能差,對(duì)外的電磁騷擾過(guò)大(RE);
C)多條信號(hào)的返回路徑相同,會(huì)形成串?dāng)_(相互干擾);
D)信號(hào)環(huán)路的增大,其ESL相應(yīng)增加,導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生振蕩、過(guò)沖等信號(hào)完整性問(wèn)題。
(2) “特征阻抗”不能突變
作為PCB或硬件工程師,一定要有如下思想:“特征阻抗”是什么?哪些因素影響“特征阻抗”?“特征阻抗”變化會(huì)給EMC與SI帶來(lái)什么危害?
(3)識(shí)別與控制PCB板上的電磁干擾
A)PCB板上的電磁干擾源有哪些?(電流或電壓急劇變化部件,如晶振、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源,以及外部線(xiàn)纜的連接端口、電源輸入);
B)PCB板上的敏感器件或走線(xiàn)有哪此?(低壓CPU、晶振、復(fù)位信號(hào)、開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、AD芯片);
C)控制電磁干擾的流向。讓電磁干擾盡可能的低阻抗返回到源:如將外部線(xiàn)纜耦合到的電磁干擾,低阻抗的返回到大地,避免其流向敏感電路或器件;規(guī)避晶振的高速諧波通過(guò)空間或其他信號(hào)線(xiàn)返回到源;通過(guò)高頻濾波電容,控制邏輯器件開(kāi)關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的同步開(kāi)關(guān)噪聲,防止其干擾共用電源系統(tǒng)的其他器件工作。
PCB板中的電磁干擾的流向控制技術(shù),主要有濾波(電容、磁珠、瞬態(tài)抑制)、地線(xiàn)隔離等。
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2、PCB 中EMC 設(shè)計(jì)的重要性
PCB是EMC技術(shù)中最值得探討的部分。它不僅是設(shè)備工作頻率最高的部分,同時(shí),也是電平最低、對(duì)電磁騷擾最為敏感的部分。PCB的EMC設(shè)計(jì)中,實(shí)際上已經(jīng)包含了接地設(shè)計(jì)、去耦/旁路設(shè)計(jì)、串?dāng)_屏蔽等EMC設(shè)計(jì)知識(shí)。EMC設(shè)計(jì)良好的PCB,不但可以降低流過(guò)干擾共模電流時(shí)產(chǎn)生的壓降,同時(shí)也是減小環(huán)路的重要手段,因此,一個(gè)有著良好去耦與旁路設(shè)計(jì)PCB的設(shè)備相當(dāng)于有一個(gè)健壯的“體格”。
PCB板是電子產(chǎn)品最基本的部件,也是絕大部分電子元器件的載體。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品的PCB板設(shè)計(jì)完成后,可以說(shuō)其核心電路的騷擾和抗擾特性就基本已經(jīng)確定下來(lái)了,要想再提高其電磁兼容特性,就只能通過(guò)接口電路的濾波和外殼的屏蔽來(lái)“圍追堵截”了,這樣不但大大增加了產(chǎn)品的后續(xù)成本,也增加了產(chǎn)品的復(fù)雜程度,降低了產(chǎn)品的可靠性??梢哉f(shuō)一個(gè)好的PCB板可以解決大部分的電磁騷擾問(wèn)題,只要在接口電路排板時(shí)適當(dāng)增加瞬態(tài)抑制器件和濾波電路就可以同時(shí)解決大部分抗擾度和騷擾問(wèn)題。
在PCB布線(xiàn)中增強(qiáng)電磁兼容性不會(huì)給產(chǎn)品的最終完成帶來(lái)附加費(fèi)用。如果,在PCB板設(shè)計(jì)中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)師往往只注重提高密度,減小占用空間,制作簡(jiǎn)單,或追求美觀(guān),布局均勻,忽視了線(xiàn)路布局對(duì)電磁兼容性的影響,使大量的信號(hào)輻射到空間形成騷擾。那么這個(gè)產(chǎn)品將導(dǎo)致大量的EMC問(wèn)題。
在很多例子中,就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問(wèn)題。到最后,不得不對(duì)整個(gè)板子重新布線(xiàn)。因此,在開(kāi)始時(shí)養(yǎng)成良好的PCB布線(xiàn)習(xí)慣是最省錢(qián)的辦法。
3、PCB 設(shè)計(jì)的EMC 基礎(chǔ)知識(shí)
部分電磁兼容的基礎(chǔ)知識(shí),是優(yōu)秀的PCB工程師需要了解或掌握的,主要如下:電磁兼容、電磁場(chǎng)與電磁波、高速電路設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性、電源完整性、數(shù)字電路、模擬電路、高頻電路原理、開(kāi)關(guān)電源等。
第二章 PCB 設(shè)計(jì)的EMC 原則
1、整體布局
(1)高速、中速、低速電路要分開(kāi);
(2)強(qiáng)電流、高電壓、強(qiáng)輻射元器件遠(yuǎn)離弱電流、低電壓、敏感元器件;
(3)模擬、數(shù)字、電源、保護(hù)電路要分開(kāi);
(4)多層板設(shè)計(jì),有單獨(dú)的電源和地平面;
(5)對(duì)熱敏感的元件(含液態(tài)介質(zhì)電容、晶振)盡量遠(yuǎn)離大功率的元器件、散熱器等熱源。
備注:嚴(yán)禁遵循“干擾的流向控制”原則,即防止板內(nèi)相互干擾,阻止板內(nèi)電磁干擾耦合到I/O端口;將耦合到電路板的外部電磁干擾,低阻抗的、就靠泄放到大地(或機(jī)殼PG)。
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2、疊層
(1)至少有一個(gè)連續(xù)完整的地平面控制關(guān)鍵信號(hào)的阻抗和信號(hào)質(zhì)量;
(2)電源和地平面盡可能地靠近放置,提高電源噪聲的高頻濾波效果;
(3)疊層盡量避免兩個(gè)信號(hào)層相鄰,如果相鄰加大兩個(gè)信號(hào)層的間距;
(4)避免兩個(gè)電源平面相鄰,特別是由于信號(hào)層鋪電源而導(dǎo)致的電源平面相鄰;
(5)好的疊層能做到對(duì)阻抗的有效控制;
(6)外層建議鋪地。
備注:增加PCB的電源或地平面,非常有利于信號(hào)環(huán)路或特性阻抗的控制,因此,該措施一直以來(lái),被經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師視為解決EMC和SI、PI的殺手锏。
3、整體布線(xiàn)
(1)關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)(返回路徑)避免跨分割(參考平面);
(2)關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)“換層,不換參考平面”;
(3)關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)不要人為的繞長(zhǎng);
(4)關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)是遠(yuǎn)離邊沿和接口;
(5)相同功能的總線(xiàn)要并行走、中間不要夾叉其它信號(hào);
(6)晶振、開(kāi)關(guān)電源等高頻干擾源下面不允許走線(xiàn);
(9)接收和發(fā)送信號(hào)要分開(kāi)走,不能互相夾叉;
(10)非關(guān)鍵信號(hào)線(xiàn)換層或其返回路徑跨分割(不可規(guī)避)時(shí),必須使用過(guò)孔或10nF的濾波電容,控制其高頻返回路徑;
(11)高速信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)的寬度不能突變。
備注:關(guān)鍵信號(hào)一般為高速信號(hào)、周期性信號(hào)或晶振、復(fù)位信號(hào)、開(kāi)關(guān)控制信號(hào)等。PCB工程師必須熟悉。
4、電容和濾波器件
(1)高頻濾波電容務(wù)必要靠近電源管腳放置,而且容值越小的電容要越靠近電源管腳;
(2)EMI濾波器要靠近芯片電源的輸入口;
(3)原則上每個(gè)電源管腳一個(gè)0.1uf以下的高頻濾波電容、一個(gè)集成電路一個(gè)或多個(gè)10uf大電容(儲(chǔ)能或旁路電容),可以根據(jù)具體情況進(jìn)行增減;
(4)電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能或旁路電容,有利于提高電源系統(tǒng)的抗干擾性能或電源完整性,如條件允許,可在PCB板上均勻的布置一些。
備注:PCB工程師必須了解各種電容的高頻特性與濾波原理,掌握高頻濾波電容布置與走線(xiàn)技巧(降低ESL)。
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5、隔離和防護(hù)
(1)浪涌抑制器件(TVS管、壓敏電阻)對(duì)應(yīng)的信號(hào)走線(xiàn)要短、粗(一般15 mil以上);
(2)不同接口之間的走線(xiàn)要清晰,不要互相交叉;
(3)接口線(xiàn)到所連接的保護(hù)和濾波器件要盡量短;
(4)接口線(xiàn)必須要經(jīng)過(guò)保護(hù)或?yàn)V波器件再到信號(hào)接收芯片;
(5)金屬連接器的固定孔接到保護(hù)地(機(jī)殼地PG);
(6)變壓器、光耦等前后的地分開(kāi);
(7)連接到機(jī)殼上的定位孔、扳手等沒(méi)有直接接到信號(hào)地上。
6、其他原則
(1)電源平面比地平面內(nèi)縮“20H”(H為電源和地平面的距離);
(2)電源平面比地平面內(nèi)縮40mil以上,并間隔150mil打地過(guò)孔;
(3)布線(xiàn)是盡量避免的STUB線(xiàn);
(4)保護(hù)地(機(jī)殼地PG)和信號(hào)地之間的間距大于80mil;
(5)DC48V的爬電間距是否為80mil以上;
(6)AC220V的爬電間距最少為300mil;
(7)差分布線(xiàn)可以抑制共模干擾;
(8)跨分割的線(xiàn)是否進(jìn)行了合適的處理;
(9)敏感的信號(hào)線(xiàn)是否采用包地處理。
備注:產(chǎn)品的“安規(guī)”性能、電源完整性,基本上控制在PCB工程師的手中。
第三章 PCB設(shè)計(jì)的EMC案例
1、接口與保護(hù)
(1)走線(xiàn)通流量
有雷擊浪涌測(cè)試(帶有防雷型TVS管、陶瓷氣體放電管)要求的I/O端口,信號(hào)線(xiàn)的通流量要足夠,走線(xiàn)原則上要求:﹥15mil/1盎司。
(2)走線(xiàn)的順序
走線(xiàn)遵循“防護(hù)+濾波+接口芯片”,即信號(hào)線(xiàn)先“走到”防護(hù)器件(如TVS管、保險(xiǎn)絲),然后通過(guò)電容、電阻等濾波,最后才連接到需要防護(hù)的器件。
嚴(yán)禁外部干擾未經(jīng)防護(hù)或?yàn)V波器件的瞬態(tài)抑制或?yàn)V波,到達(dá)接口芯片。
防護(hù)或?yàn)V波器件的泄放引腳,必須低阻抗的連接到機(jī)殼地(PG)或數(shù)字地(GND)。
(3)器件的擺放
消除“側(cè)擊”(空間放電):易受ESD干擾的器件,如NMOS、CMOS器件等,盡量遠(yuǎn)離易受ESD干擾的區(qū)域100mil以上(如單板的邊緣區(qū)域、金屬連接器外殼),防止外部電磁干擾,通過(guò)上述部位側(cè)擊到敏感器件。
防止內(nèi)部干擾外泄:晶振等高頻干擾源,必須遠(yuǎn)離板邊或金屬連接器1 inch以上;須防止外部電磁干擾“繞開(kāi)”防護(hù)或?yàn)V波器件(含信號(hào)線(xiàn)上的電阻),側(cè)擊到敏感或接口芯片。
備注:接口是EMC設(shè)計(jì)的重中之重,解決了接口(信號(hào)端口、電源端口)問(wèn)題,也等于解決了產(chǎn)品絕大多數(shù)EMC問(wèn)題。
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2、時(shí)鐘與晶振
(1)晶體、晶振和時(shí)鐘分配器與相關(guān)的IC器件要盡量靠近;
(2)時(shí)鐘電路的濾波器(盡量采用“π”型濾波)要靠近時(shí)鐘電路的電源輸入管腳;
(3)有源晶振輸出串接電阻和并聯(lián)電容;
(4)時(shí)鐘分配器沒(méi)用的輸出管腳通過(guò)電阻接地;
(5)晶體、晶振和時(shí)鐘分配器的布局要注意遠(yuǎn)離大功率的元器件、散熱器等發(fā)熱的器件;
(6)晶振、周期性信號(hào)遠(yuǎn)離板邊和接口器件1 inch以上;
(7)有金屬外殼的晶體,其外殼須與表層的局部地相連;
(8)時(shí)鐘電路的電源加寬,并有濾波電路;
(9)超過(guò)1 inch的時(shí)鐘線(xiàn)走內(nèi)層;
(10)走內(nèi)層的時(shí)鐘線(xiàn)在表層的走線(xiàn)<50mil;
(11)嚴(yán)禁時(shí)鐘走線(xiàn)換層時(shí)更換“參考平面”,以及返回路徑跨分割;
(12)時(shí)鐘線(xiàn)是否采用立體包地;
(13)時(shí)鐘相關(guān)芯片(如晶振、晶體)在表層有局部的地平面包繞,該地平面通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層相連;
(14)時(shí)鐘線(xiàn)與其它信號(hào)線(xiàn)的間距達(dá)到5W(W為線(xiàn)寬);晶振、晶體下放原則上不允許走其他信號(hào)線(xiàn),尤其是I/O線(xiàn)。
3、開(kāi)關(guān)電源
(1)開(kāi)關(guān)電源(含開(kāi)關(guān)電源芯片,下同)遠(yuǎn)離ADDA轉(zhuǎn)換器、模擬器件、敏感器件、時(shí)鐘器件;
(2)開(kāi)關(guān)電源布局要緊湊,輸入輸出要分開(kāi),防止輸入輸出之間的串?dāng)_;
(3)嚴(yán)格按照原理圖的要求進(jìn)行布局,不要將開(kāi)關(guān)電源的高頻濾波(0.1uf以下)電容隨意放置。
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