PCB的EMC设计

EMSCAN开通培训－－PCB的EMC设计部分Compliance Direction Systems Inc. （加拿大）容向系统科技有限公司电磁兼容测试分类电磁干扰测试 【EMI】 电磁兼容测试 【EMC】 电磁敏感度测试 【EMS】 传导EMI测试 【CE】 辐射EMI测试 【RE】 传导EMS测试 【CS】 辐射EMS测试 【RS】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场EMI设计技术认证测试的需要，85％的问题集中在 EMI辐射问题 目前国内测试、调试经验及手段缺乏 产品稳定性和可靠性的需要 电子企业长远发展的需要 主要工作都可以集中在PCB设计阶段进 行 对于产品设计来说，在PCB阶段进行电 磁兼容设计是最经济高效的。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场EMS设计技术PCB的EMS设计技术，与PCB的EMI设 计技术类似控制地平面完整性【双层板采用地网格】 控制电流回路面积 控制“天线”的产生其他EMS设计技术金属机箱和PCB的距离控制【减小耦合】 接地技术【旁路干扰电流】 滤波技术【滤除干扰电流】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场－－PCB的EMI设计部分Compliance Direction Systems Inc. （加拿大）容向系统科技有限公司高速PCB？与工作频率无关，仅与所使用的器件有关 fknee=1/(π*Tr)，Tr＝1ns，则fknee=320MHz谐 波 幅 度第一转折频点（ 电 压 或 电 流 ）第二转折频点1/πTd1/πtr频率（对数）容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场EMC产生的三个要素 干扰源 传播路径 被干扰的对象频率越高，越可能是辐射耦合的路径； 频率越低，越可能是传导耦合的路径。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场处理EMI的五个主要考虑点频率：产生问题的频率在哪里 ； 强度（振幅）：源头能量有多强，其引起有害 干扰的潜力有多大； 时间：是否连续的（时钟信号）或是只存在于 一定的运行周期（例如，磁碟机的写入动 作）； 阻抗：源头与接受者两者的阻抗值各为多少？ 以及两者之间传输机制的阻抗值为多少 ； 大小：辐射物件的实体大小如何。

RF电流可经 由等于波长整数倍的机壳缝隙逸出。

在PCB上 的走线长度也是RF电流的传输路径 ；容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB的基本概念微带线：指PCB外层走线，经一介电物质邻接 一整片平面 。

表面微带线埋入微带线容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB的基本概念带状线：信号层介于两个完整平面(电源或地) 之间。

单一线（一个信号层）两个带状线（两个信号层）容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场微带线与带状线的对比微带线：提供PCB上的RF控制，适用较快的时钟及逻辑 讯号（较小的耦合电容及较低空载传输延迟）。

微带 线的缺点是此ＰＣＢ外部信号层会辐射ＲＦ能量进入 环境，除非在此层的上下加入金属屏蔽。

带状线：可以达到更好的RF辐射控制，但只能用在较 低的传输速度（因信号层介于两个完整平面之间，两 平面间会有电容性耦合，导致降低高速信号边缘速率 （边缘速率））。

带状线电容耦合效应在边缘速率快 于1ns的信号较为显著。

使用带状线的主要效应是对内 部走线RF能量的完整屏蔽，因而对射频辐射有更好的 抑制能力。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB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容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB分层考虑电源层旁边安排一个 完整的地层，滤除 300MHz以上的干扰容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场20-H规则20-H规则适用与电源与地平面，H指两 平面间的距离。

20-H规则 ：减少高速PCB的RF电流“散 射”现象。

在10-H时，此平面的阻抗变化开 始发生。

在20-H时，达到70%的通量边界。

在100-H时，达到98%的通量边界。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场接地方式－单点接地当元件电路及信号连线的速度在1MHZ以 下时，单点接地是最好的方式。

较高的频率，连线走线的电感会增加PCB 的阻抗 。

应用单点接地通常是信号以辐射状传 递，产品如音频线路、模拟仪器，60HZ 及DC 电源系统，及装设在塑料壳内的系 统。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场接地方式－多点接地高频产品设计通常是使用多点机壳接地。

多点接地，将RF电流连接到由地平面至 机壳的地，可减少由PCB电源平面出来的 地阻抗。

完整平面的低电感特性造成低 的平面阻抗。

在很高频的电路上，零件 的引脚应尽量减短。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场接地及信号回路RF能量的传递上，环路（环路）是主要 的贡献者。

RF电流会经由任一路径以返回至源头， 这个路径可能是其走线路线的镜像，或 是其邻近的路径、电源平面、接地平面、 或机壳平面。

PCB上的EMI控制，最重要的考虑点在于 地或信号返回路径的控制。

如何使用多点接地，回路的考虑是一个 主要的课题。

容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场差模与共模共模电流差模电流容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场线路板的两种辐射机理差模辐射 共模辐射电流环杆天线容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场共模和差模对EMC测试的影响对于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： 共模电流 差模电流 B极限值 10米电缆上 3×3cm的电流环路上 @10米 0.0015mA的电流 15mA的电流 dBuV/m 谐波MHz E场dBuV 谐波MHz E场dBuV 38 33 38 33 30 114 33 114 33 33 266 33 266 33 33 容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场 494 33 494 33 35.5如何减小差模辐射？E = 2.6 I A f2 / D控制谐波次数 布线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】 布线阻抗【PCB设计】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场降低电流【I】和频率【f】使用最合适的器件 利用阻尼电阻，减缓上升沿，同时保证SI和EMC 接510欧姆阻尼电阻 有11个谐波分量有多于58个谐波分量容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场怎样减小共模辐射E = 1.26 I共模滤波 共模扼流圈 减小共模电压 电缆屏蔽L f / D使用尽量 短的电缆共模滤波PCB的EMC设计：完善的电源滤波容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB上EMC问题的主要原因不均匀分布的电流以及回流过细的电源线或者地线【单/双层板】 信号线的辐射（上升沿陡，Tr小的信号） 信号线共享回流路径电源滤波 —— 通过外接电缆辐射出去不合理的滤波电容值 不合理的滤波电容放置位置 不合理的分层结构天线效应 —— 引起EMS问题容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场PCB上EMC问题的原因＃1电流和回流 电源滤波 天线效应容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场不均匀分布的电流电源线和地线上的电流过细的电源线或者地线 单层/双层板上多见信号线上的电流高速信号线【时钟线】，瞬间需要大电流 数字总线【数据线、地址线等】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场不均匀分布的电流电源分割时常见的问题： 过孔上的大电流S1 磁珠 VCC 过孔 VCC1 VCC/S2 GND VCC1大功率器件VCC容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场信号线电流 —— 高频时钟发送侧串接22－220欧姆阻尼电阻，电阻越大 干扰越小，但是敏感性变差。

采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。

高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）尽可能有 地线护送【护送地线要“良好接地”】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场信号线电流 —— 数字总线频率在50MHz以上的高频数字总线，应尽 可能考虑总线中的每条信号线均串接一个 22-300欧姆左右的阻尼电阻 频率在75MHz以上时，必须串接阻尼电阻。

阻尼电阻必须放在发送侧并尽可能靠近发 送器件。

尽可能在元件面 / 焊接面布，不打过孔。

连接至xxRAM的数据线的次序可以根据布 线需要打乱。

具有很强的电磁辐射！敏感信号应远离！容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场不均匀分布的电流回流信号线换层回流平面换层，垂直方向的回流？跨越参考平面【地平面或者电源平面】的 分割走线人为的分割 无意的分割单元电路连接部分的地线和电源线设计背板和子板的接插件 板间连接电缆的地线和电源线容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场电流回流【多层板】低频：最小电阻【最短距离】 高频：最小阻抗【最小面积】容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场多层板信号线换层如果存在两个以上 地层：在信号线换层多的 区域，需要地层间 有密集过孔 否则，表现出来的 现象是附近滤波电 容处有强辐射【滤 波电容的地引脚会 把多个地层连接起 来】S1 GND S2 GND S3 电 流 回 流？容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场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】S1 GND VCC S2 电 流 回 流？容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题—— 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容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流——模拟/数字、射频/数字模拟区域受到 数字电路的干扰 数字区域模拟区域容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题 —— 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 > 容性串扰容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场案例——感性串扰接插件过孔安全间距过大， 破坏了地平面 容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题 —— 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容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题 —— 密集过孔容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题 —— 密集过孔BGA等大芯片附近会有很多阻尼电阻，过多 过孔导致BGA芯片的地很不完整回流信号线容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场回流问题 —— 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电源回流 1.8V电源 回流I/O对策：布线不要跨越 减小分割区域I/O容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场BGA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EMI 容向系统——电磁兼容专家，不仅仅是因为我们能实时看见电磁场BGA芯片单面板/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。