PCBlayout EMI设计(检查)规则
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共模干扰发生原因和解决方法:
共模辐射是 EMI 最主要的干扰, 通常是由于电路板地的“不平整”导 致的,或者连接 cable线两端地电位 的高低差而导致连接线变成辐射天线 。
电路板则是由于地阻抗而引起电 位高低不平,从而能量由高到底有了 辐射的条件。所以PCB 排版时要特 别的注意 PCB 地阻抗的问题,从而 减小其产生的干扰。
Page 7
四、13条经典EMI设计(检查)规则
信号(电流)回路检查 1.跨电源和地层的信号线检查; 2.不连续的信号回路检查; 3 .信号线包地的检查; 4.包地线上相邻 2 个地孔的距离; 5.信号层板边缘的地孔检查;
布线检查
电源检查 12.电源退耦电容的位置检查; 13.供电连线和地线回路的检查;
80mil
电源层
40mil
规则细则: 1.PCB的信号网络(除GND),其走线离板边的距离大于40mil。
2.地平面边缘要比电源平面边缘宽80mil。
Page 34
五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查的案例一:
Page 35
走线太靠边,不理想
五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查的案例二:
I表示电流强度; f表示共模电流的频率; L 表示电缆/PCB走线长度; d 表示测量天线到电缆的距离
差模辐射与PCB 哪些因素有关?
信号
源 IC1
共模辐射与PCB 哪些因素有关? IC2 负载
Page 5
哪个是差模,哪个是共模?
二、EMI噪音的模型-----差模与共模
差模干扰发生原因和解决方法:
6.PCB布线长度检ຫໍສະໝຸດ Baidu; 7.过孔数量检查; 8.走线离板边的距离检查; 9. 连接到连接器上 Filter检查; 10.差分信号的检查; 11.串扰检查;
Page 8
五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
信号回流路径:地或电源做交流信号回路
信号
信号
电容
电容
地/电源回路
理想信号回流示意图
(备注:对于从 IC出来的干扰,Filter应接近IC放置)
Page 37
五、每条规则详细说明
PCB layout EMI 设计(检查)规则
Page 1
目录
1. 概述 2. EMI噪音的模型-----差模与共模 3. PCB layout EMI 设计方法----滤波 接地 屏蔽 4. 13条经典EMI设计(检查)规则 5. 每条规则详细说明
Page 2
一、概述
经验告诉我们,通过修改PCB layout而成功解决 EMI的案例很多, PCB已成为EMI设计的关键。
电源层作为信 号回流路径
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查检查:
高速信号线换层造成回流路径变换,下图无换层电容,信号回流路径不理想。
Page 14
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查检查:
高速信号线出现跨岛,回流路径不理想
图解:在BOTTOM层的CLK+和CLK-因电源层的分割,使电源层无法成 为其回路。
Page 29
五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查: 这里指的频率包括两方面信号:一、信号频率足够高;
二、信号边沿足够小;
我们知道,高速开关信号的EMI 发射带宽的计算公式:
f=1/πTr, f为开关电路产生的最高 EMI频率,单位为 GHz
Tr 为信号的上升时间或者下降时间,单位为 ns。 如上升时间为1ns ,它所产生的最高EMI 频率为350MHz,而降为 为500ps,那么最高EMI 频率为700MHz。
减小共模辐射常用的方法: (1)降低地阻抗以减小地电位差; (2)使用去耦电容 ; (3)使用铁氧体磁环 ; (4)使用共模滤波器(电源/信号)
三、PCB layout EMI 设计方法—滤波 接地 屏蔽
对于EMI 控制,主要采用三种措施:滤波、接地、屏蔽 。 这三种方法虽然有着独立的作用,但是相互之间是有关联的, 良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求,而良好的屏蔽也可 以使滤波器的要求低一些。 滤波:通常采用去耦电容、EMI 滤波器、磁性元件来实现。 接地:尽量保持地平面完整,所有器件的接地脚尽快接到地平面。 屏蔽:按照屏蔽的机理,分电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。
五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查:
EMI设计规则三:为高速(敏感)信号提供良好的信号回路,减少回路面积 , 同时,起到隔离和屏蔽的作用。(2层板特别常用)
空间受限包地无法再深入
Page 19
五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查:
200mil
线间距应小于10mil
规则细则: (1). 高速信号(CLK I2S DDR HDMI)和音视频敏感信号需要包地。 (2). 信号线离地网络最大距离为 10mil; (3). 包地线离信号的 Pad距离为 200mil视为有效包地; (4). 包地线要有足够的宽度而且要通过VIA接到地层;
规则细则:随着频率升高,过孔的数量要减少,对于高速信号,尽量不做过孔。 一般信号的过孔数量最多不能超过 5 个。
Page 32
五、每条规则详细说明
7.过孔数量检查的案例:
DDR部分
Page 33
五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查:
EMI设计规则八:高速信号的走线离板边缘保留一定距离。
地层
PHILIPS机型 MT22机芯
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离: EMI设计规则四:对高速信号包地线相邻过孔距离不超过400mil。
Page 23
400mil
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离检查的案例一:
DDR芯片
高速信号线相邻过孔距离不超过400mil
TOP or BOTTOM的地环
200mil
规则细则:
(1).接地孔尽量接近地平面边缘,接地孔距离地边缘最大不超过 200mil; (2).地线上的相邻 2个地孔的距离最大为 400mil(同规则4); (3).尽量保证高速PCB板TOP or BOTTOM四周是地环,通过VIA接到地层。
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实际情况的信号回流
对信号回流不能认为必须在走线正下方的参考平面。回流的途径 是多方面:参考地平面,电源平面,相邻的地线,介质,甚至空气。
我们知道,交流信号会自动选阻抗最小路径返回驱动端。但究竟 哪个占主,要看它和信号走线的耦合程度,耦合最强的将为信号提供 最主要回流途径。如在多层PCB,参考平面很近,耦合了绝大部分的 电磁场,99%以上信号能量将集中在最近的参考平面回流。
例如:假设有一根10 cm的走线在频率超过150 MHz时,将形 成一根有效率的辐射天线。因为在150 MHz时,其波长λ= 2m,所以 λ/20 = 10cm 等于 走线的长度;若频率大于150 MHz,其波长λ将变 小,其1/4λ或1/2λ值将接近于走线的长度10cm,随着频率的提高, 逐渐形成一根完美的天线。
因此,我们在layout时重点关注频率高和上升或者下降时间 快的信号。如CLOCK I2S DDR LVDS 等高速数字信号。
Page 30
五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查的案例:
DDR部分
Page 31
五、每条规则详细说明
7.过孔数量检查:
EMI设计规则七:高速信号走线的过孔越少越好。
Page 9
五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
EMI设计规则一:如是四层板,在跨电源和地层的信号线附近放置换层电容,形成信号回路。 高速信号应尽量避免换层。
Page 10
换层电容:连接电源和地层。 位置安装在顶层或底层。
五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
规则细则:
Page 16
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查的案例一:
换层电容
通过放置换层电容,实现信号连续回路。(同规则一) 剪裁于40-LCNP90-MAD4XG
Page 17
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查的案例二:
信号回路
走线过孔太集中,镜像层形成槽孔,造成参考平面不连续
Page 18
五、每条规则详细说明
5.地平面边缘的地孔检查的案例:
TOP or BOTTOM的地环
Page 27
L2
五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查:
EMI设计规则六:高速信号的走线越短越好。
L=L1+L2
L1
规则细则:
(1).频率越高,L要求越短; (2).PCB长度要短于某一特定频率的1/4波长。
Page 28
五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查: 我们知道波长和频率之间的物理关系:
300
λ=
f*
=PCB介电常数 4.5 - 4.8
大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长(λ)。 因此在EMC的规范中,要求导线或走线的长度少于λ/20,否则它突 然地变成一根高效能的天线。
信号流出至信号流入形成信号环路, 每个环路都相当于一个天线,这是差 模干扰发生原因,也是PCB 设计中 EMI 控制的关键。设计时要了解每一 关键信号的流向,关键信号要靠近回 流路径布线,确保其环路面积最小。
减小差模辐射常用的方法: (1)降低电路的工作频率; (2)减小信号电流的环路面积 A; (3)减小信号的电流强度 。
Page 36
最外加地线保护,0.5mm线宽并加小接地孔.
五、每条规则详细说明
9.连接到连接器上的Filter(R L C F )安装位置检查 :
EMI设计规则九:在插座每个I/O信号脚增加Filter,使干扰信号不能通 过连接线辐射出去。
1400mil
规则细则:在插座上每个控制信号(I/O)网络放置Filter(L C R F), Filter距离连接器的距离不得大于1400mil 。
差模
共模
:磁力线向外 :磁力线向内 :电流方向 图一:信号回路的磁场耦合分析
Page 4
二、EMI噪音的模型-----差模共模
差模计算公式:
E=1.316X10-14
f2*I*A
d
I表示电流强度; f表示差模电流的频率; A表示差模电流环路面积; d表示测量天线到电缆的距离
共模计算公式: E=1.26 *10-6 f*I* L d
Page 24
剪裁于:40-00MS68-MAA2XG
双面板DDR
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离检查案例二: 相邻过孔距离不超过400mil
Page 25
五、每条规则详细说明
5.信号层板边缘的地孔检查:
EMI设计规则五:TOP和BOTTOM层四周保留一定宽度的地环,通过VIA连接起来。
Page 20
五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查的案例:
信号线包地
Page 21
五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查的案例:案例:
Page 22
I2S信号走线很长,而且走线靠近高频 头,49M内部频率的4倍频,对selfpollution产生影响,采用包地处理和 接地后已解决.
黄色走线即I2S信号线
我们总结多年的经验,得出13条经典的设计规则。希 望通过理解和运用13条经典 EMI规则,并在PCB layout 过程中进行控制,减少PCB 多次修改,缩短layout的时 间。
本规则针对高速数字信号PCB设计,适用于2层和多 层板,但2层板更难实现部分的要求。
Page 3
二、EMI噪声的模型-----差模与共模
(1). 高速数字信号(10MHz以上)如通过 Via跨电源和地层,必须增加换层电容; (2). 换层电容距离信号Via不得超过 200mil (5mm); (3).一个换层电容可以作为多个信号的回路,根据离信号的距离决定放置多少个电容。
Page 11
五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线附近放置换层电容案例:
放大
换层电容
Page 12
剪裁于40-LCNP90-MAD4XG
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查:
EMI设计规则二:对高速信号走线区域最大限制地保持地层和电源层的完整,使地层或 电源层成为其最好信号回路,并保证回流路径最佳。
信号回路
Page 13
TOP层走线
地层作为信号 回流路径
BOTTOM 层走线
Page 15
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查:
线间距应小于10mil
信号通过Via换层时,回流路径改变, 放置过层电容,实现连续回路。
规则细则:
(1).如高速信号通过 Via跨越了电源和地层,放置换层电容且离信号Via不超过 200mil ,从而实现连续信号回路;(同规则一)
(2).采用包地来实现信号回路时,信号线离地网络不超过10mil;
共模干扰发生原因和解决方法:
共模辐射是 EMI 最主要的干扰, 通常是由于电路板地的“不平整”导 致的,或者连接 cable线两端地电位 的高低差而导致连接线变成辐射天线 。
电路板则是由于地阻抗而引起电 位高低不平,从而能量由高到底有了 辐射的条件。所以PCB 排版时要特 别的注意 PCB 地阻抗的问题,从而 减小其产生的干扰。
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四、13条经典EMI设计(检查)规则
信号(电流)回路检查 1.跨电源和地层的信号线检查; 2.不连续的信号回路检查; 3 .信号线包地的检查; 4.包地线上相邻 2 个地孔的距离; 5.信号层板边缘的地孔检查;
布线检查
电源检查 12.电源退耦电容的位置检查; 13.供电连线和地线回路的检查;
80mil
电源层
40mil
规则细则: 1.PCB的信号网络(除GND),其走线离板边的距离大于40mil。
2.地平面边缘要比电源平面边缘宽80mil。
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五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查的案例一:
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走线太靠边,不理想
五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查的案例二:
I表示电流强度; f表示共模电流的频率; L 表示电缆/PCB走线长度; d 表示测量天线到电缆的距离
差模辐射与PCB 哪些因素有关?
信号
源 IC1
共模辐射与PCB 哪些因素有关? IC2 负载
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哪个是差模,哪个是共模?
二、EMI噪音的模型-----差模与共模
差模干扰发生原因和解决方法:
6.PCB布线长度检ຫໍສະໝຸດ Baidu; 7.过孔数量检查; 8.走线离板边的距离检查; 9. 连接到连接器上 Filter检查; 10.差分信号的检查; 11.串扰检查;
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五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
信号回流路径:地或电源做交流信号回路
信号
信号
电容
电容
地/电源回路
理想信号回流示意图
(备注:对于从 IC出来的干扰,Filter应接近IC放置)
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五、每条规则详细说明
PCB layout EMI 设计(检查)规则
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目录
1. 概述 2. EMI噪音的模型-----差模与共模 3. PCB layout EMI 设计方法----滤波 接地 屏蔽 4. 13条经典EMI设计(检查)规则 5. 每条规则详细说明
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一、概述
经验告诉我们,通过修改PCB layout而成功解决 EMI的案例很多, PCB已成为EMI设计的关键。
电源层作为信 号回流路径
五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查检查:
高速信号线换层造成回流路径变换,下图无换层电容,信号回流路径不理想。
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五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查检查:
高速信号线出现跨岛,回流路径不理想
图解:在BOTTOM层的CLK+和CLK-因电源层的分割,使电源层无法成 为其回路。
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五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查: 这里指的频率包括两方面信号:一、信号频率足够高;
二、信号边沿足够小;
我们知道,高速开关信号的EMI 发射带宽的计算公式:
f=1/πTr, f为开关电路产生的最高 EMI频率,单位为 GHz
Tr 为信号的上升时间或者下降时间,单位为 ns。 如上升时间为1ns ,它所产生的最高EMI 频率为350MHz,而降为 为500ps,那么最高EMI 频率为700MHz。
减小共模辐射常用的方法: (1)降低地阻抗以减小地电位差; (2)使用去耦电容 ; (3)使用铁氧体磁环 ; (4)使用共模滤波器(电源/信号)
三、PCB layout EMI 设计方法—滤波 接地 屏蔽
对于EMI 控制,主要采用三种措施:滤波、接地、屏蔽 。 这三种方法虽然有着独立的作用,但是相互之间是有关联的, 良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求,而良好的屏蔽也可 以使滤波器的要求低一些。 滤波:通常采用去耦电容、EMI 滤波器、磁性元件来实现。 接地:尽量保持地平面完整,所有器件的接地脚尽快接到地平面。 屏蔽:按照屏蔽的机理,分电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。
五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查:
EMI设计规则三:为高速(敏感)信号提供良好的信号回路,减少回路面积 , 同时,起到隔离和屏蔽的作用。(2层板特别常用)
空间受限包地无法再深入
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五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查:
200mil
线间距应小于10mil
规则细则: (1). 高速信号(CLK I2S DDR HDMI)和音视频敏感信号需要包地。 (2). 信号线离地网络最大距离为 10mil; (3). 包地线离信号的 Pad距离为 200mil视为有效包地; (4). 包地线要有足够的宽度而且要通过VIA接到地层;
规则细则:随着频率升高,过孔的数量要减少,对于高速信号,尽量不做过孔。 一般信号的过孔数量最多不能超过 5 个。
Page 32
五、每条规则详细说明
7.过孔数量检查的案例:
DDR部分
Page 33
五、每条规则详细说明
8.走线离板边的距离检查:
EMI设计规则八:高速信号的走线离板边缘保留一定距离。
地层
PHILIPS机型 MT22机芯
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离: EMI设计规则四:对高速信号包地线相邻过孔距离不超过400mil。
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400mil
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离检查的案例一:
DDR芯片
高速信号线相邻过孔距离不超过400mil
TOP or BOTTOM的地环
200mil
规则细则:
(1).接地孔尽量接近地平面边缘,接地孔距离地边缘最大不超过 200mil; (2).地线上的相邻 2个地孔的距离最大为 400mil(同规则4); (3).尽量保证高速PCB板TOP or BOTTOM四周是地环,通过VIA接到地层。
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实际情况的信号回流
对信号回流不能认为必须在走线正下方的参考平面。回流的途径 是多方面:参考地平面,电源平面,相邻的地线,介质,甚至空气。
我们知道,交流信号会自动选阻抗最小路径返回驱动端。但究竟 哪个占主,要看它和信号走线的耦合程度,耦合最强的将为信号提供 最主要回流途径。如在多层PCB,参考平面很近,耦合了绝大部分的 电磁场,99%以上信号能量将集中在最近的参考平面回流。
例如:假设有一根10 cm的走线在频率超过150 MHz时,将形 成一根有效率的辐射天线。因为在150 MHz时,其波长λ= 2m,所以 λ/20 = 10cm 等于 走线的长度;若频率大于150 MHz,其波长λ将变 小,其1/4λ或1/2λ值将接近于走线的长度10cm,随着频率的提高, 逐渐形成一根完美的天线。
因此,我们在layout时重点关注频率高和上升或者下降时间 快的信号。如CLOCK I2S DDR LVDS 等高速数字信号。
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五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查的案例:
DDR部分
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五、每条规则详细说明
7.过孔数量检查:
EMI设计规则七:高速信号走线的过孔越少越好。
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五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
EMI设计规则一:如是四层板,在跨电源和地层的信号线附近放置换层电容,形成信号回路。 高速信号应尽量避免换层。
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换层电容:连接电源和地层。 位置安装在顶层或底层。
五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线检查:
规则细则:
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五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查的案例一:
换层电容
通过放置换层电容,实现信号连续回路。(同规则一) 剪裁于40-LCNP90-MAD4XG
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五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查的案例二:
信号回路
走线过孔太集中,镜像层形成槽孔,造成参考平面不连续
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五、每条规则详细说明
5.地平面边缘的地孔检查的案例:
TOP or BOTTOM的地环
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L2
五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查:
EMI设计规则六:高速信号的走线越短越好。
L=L1+L2
L1
规则细则:
(1).频率越高,L要求越短; (2).PCB长度要短于某一特定频率的1/4波长。
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五、每条规则详细说明
6.PCB布线长度检查: 我们知道波长和频率之间的物理关系:
300
λ=
f*
=PCB介电常数 4.5 - 4.8
大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长(λ)。 因此在EMC的规范中,要求导线或走线的长度少于λ/20,否则它突 然地变成一根高效能的天线。
信号流出至信号流入形成信号环路, 每个环路都相当于一个天线,这是差 模干扰发生原因,也是PCB 设计中 EMI 控制的关键。设计时要了解每一 关键信号的流向,关键信号要靠近回 流路径布线,确保其环路面积最小。
减小差模辐射常用的方法: (1)降低电路的工作频率; (2)减小信号电流的环路面积 A; (3)减小信号的电流强度 。
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最外加地线保护,0.5mm线宽并加小接地孔.
五、每条规则详细说明
9.连接到连接器上的Filter(R L C F )安装位置检查 :
EMI设计规则九:在插座每个I/O信号脚增加Filter,使干扰信号不能通 过连接线辐射出去。
1400mil
规则细则:在插座上每个控制信号(I/O)网络放置Filter(L C R F), Filter距离连接器的距离不得大于1400mil 。
差模
共模
:磁力线向外 :磁力线向内 :电流方向 图一:信号回路的磁场耦合分析
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二、EMI噪音的模型-----差模共模
差模计算公式:
E=1.316X10-14
f2*I*A
d
I表示电流强度; f表示差模电流的频率; A表示差模电流环路面积; d表示测量天线到电缆的距离
共模计算公式: E=1.26 *10-6 f*I* L d
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剪裁于:40-00MS68-MAA2XG
双面板DDR
五、每条规则详细说明
4.包地线上相邻 2 个地孔的距离检查案例二: 相邻过孔距离不超过400mil
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五、每条规则详细说明
5.信号层板边缘的地孔检查:
EMI设计规则五:TOP和BOTTOM层四周保留一定宽度的地环,通过VIA连接起来。
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五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查的案例:
信号线包地
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五、每条规则详细说明
3 .信号线包地检查的案例:案例:
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I2S信号走线很长,而且走线靠近高频 头,49M内部频率的4倍频,对selfpollution产生影响,采用包地处理和 接地后已解决.
黄色走线即I2S信号线
我们总结多年的经验,得出13条经典的设计规则。希 望通过理解和运用13条经典 EMI规则,并在PCB layout 过程中进行控制,减少PCB 多次修改,缩短layout的时 间。
本规则针对高速数字信号PCB设计,适用于2层和多 层板,但2层板更难实现部分的要求。
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二、EMI噪声的模型-----差模与共模
(1). 高速数字信号(10MHz以上)如通过 Via跨电源和地层,必须增加换层电容; (2). 换层电容距离信号Via不得超过 200mil (5mm); (3).一个换层电容可以作为多个信号的回路,根据离信号的距离决定放置多少个电容。
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五、每条规则详细说明
1.跨电源和地层的信号线附近放置换层电容案例:
放大
换层电容
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五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查:
EMI设计规则二:对高速信号走线区域最大限制地保持地层和电源层的完整,使地层或 电源层成为其最好信号回路,并保证回流路径最佳。
信号回路
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TOP层走线
地层作为信号 回流路径
BOTTOM 层走线
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五、每条规则详细说明
2.不连续的信号回路检查:
线间距应小于10mil
信号通过Via换层时,回流路径改变, 放置过层电容,实现连续回路。
规则细则:
(1).如高速信号通过 Via跨越了电源和地层,放置换层电容且离信号Via不超过 200mil ,从而实现连续信号回路;(同规则一)
(2).采用包地来实现信号回路时,信号线离地网络不超过10mil;