沈学其--PCB的EMC设计技术
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不正确的方法
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去耦电容的放置和连接
容 向 —— 专注于电磁兼容方向
一般原则【信号线和“地线”的比例】
时钟线:1:1 普通信号线:(4-8):1
容 向 —— 专注于电磁兼容方向
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板间电缆 上的电磁辐射
容 向 —— 专注于电磁兼容方向
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二、PCB的EMC设计
PCB的EMC设计:总论 PCB的EMC设计#1:电流和回流 PCB的EMC设计#2:电源滤波 PCB的EMC设计#3:天线
S1 GND
电 流 回 流
?
S2 GND S3 www.emcdir.com
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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】
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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。 靠近地回路,形成较小的回流面积。
布关键信号线(时钟信号等):
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 —— 专注于电磁兼容方向 www.emcdir.com
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
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回流问题 —— 密集过孔
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常见设计问题
“减少器件类型”引起的问题:使用统一类型 的时钟驱动器 “减少器件数量”引起的问题:多个不同频 率的时钟使用一个时钟驱动器
133MHz
33MHz
时 最高谐波次数:5【665MHz】 钟 驱 动 最高谐波次数:20【660MHz】 器
电磁兼容设计技术
(加拿大)容向系统科技有限公司
容 向 —— 专注于电磁兼容方向
EMC设计技术
PCB的EMC设计:总论 PCB的EMC设计#1:电流和回流 PCB的EMC设计#2:电源滤波 PCB的EMC设计#3:天线
线路板的两种辐射方式
差模辐射 Differential Mode EMI 共模辐射 Common Mode EMI
发送侧串接22-220欧姆阻尼【Damping】电阻,电 阻越大干扰越小,但是可能会影响电路时序。 采用点对点连接,不换层,平滑走线。 双层板的时钟线和控制线,一定要有地线护送
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阻尼电阻的放置位置
由于地址线上阻尼电阻放置不合理引起的大面积辐射
高速信号线——瞬间需要大电流
时钟信号,读写信号等控制信号 数字总线【数据线、地址线等】 对策:在原理图设计时,在时钟线/控制总线/地 址线上设计有阻尼电阻。
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提示
单根信号线一般不致于引起EMI问题 一般EMI问题:多根信号线共享电流回流
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阻尼电阻值R=?
R C 分布电容
C: 单/双层 PCB: 信号线到GND网络 多层PCB: 信号线到GND层
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如何改变RC: C为常数,改变R值 R 值可以从 22ohm - 1000ohm
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信号线电流 —— Clock
电流环 Current Loop
杆天线 Rod Antenna
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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 33 494 向 —— 专注于电磁兼容方向 33 494 33 35.5 容 www.emcdir.com
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怎样减小共模辐射
E = 1.26 I L f / D
I 电流 —— 共模干扰电流
L长度 —— 电缆长度
f 频率 —— 噪声频率
D 测试距离 —— 固定不变
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二、PCB的EMC设计
容 向 —— 专注于电磁兼容方向
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回流问题 —— 电缆或板间连接器
地线应该尽可能均匀分布于信号线中间
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连接器上的电流回流
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信号线和地线的比例
适用于:
双层板IC-IC信号线连接 PCB-PCB电缆/接插件互联
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上升沿时间:<0.5ns,fknee> 640MHz
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电流和回流
控制电流I
电流
电源线和地线上的电流
过细的电源线或者地线 小孔径电源/地换层过孔 对策:PCB布板时,必须先布电源线和地线;电 源线和地线换层时,必须使用大孔径过孔,或者 多个过孔
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地线和电源线上的噪声
R1 R2 R4 Q3 Q2
ICC
VCC
Q1 R3
I驱动 被 驱 动 电 路
Q4
I充电 Vg
Ig
I放电
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电源线、地线噪声电压波形
输出
ICC
VCC Ig
Vg
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RJ45电缆上 的EMI www.emcdir.com
BGA芯片
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多电源处理
一般情况下,一块PCB只设一个电源层 不要对每组电源都进行分割,一般只做1-2 个“电源平面” 电源可以当做信号线布线:
连接的pin很少 连接的位置非常分散 电流很小 连接的IC的频率很低(模拟器件等)
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设计要点
过孔尽可能分开放置 直插式接插件,必须靠近PCB边缘放置 必须放置在PCB中间的接插件,尽可能使用 贴片式,或者不能有任何信号线走过接插件
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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:
1/2 LC 容 向 —— 专注于电磁兼容方向
f
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双层PCB去耦电容的考虑
建议使用贴片电容
VCC
VCC
GND
一般方法
GND
最佳方法
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错误的去耦电容放置
VCC VCC
GND GND 容 向 —— 专注于电磁兼容方向
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电流回流【双层板】
VCC VCC
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双层板如何减小环路的面积
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双层板不良地线举例
68HC11
E时钟
74HC00
B
A
连接AB
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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】
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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/SBiblioteka Baidu)或 6层板 S1/G/S2/S3/P/S4
如何减小差模辐射?
E = 2.6 I A f 2 / D
I 电流 —— 信号线电流【原理图设计阶段考虑】 减小负载 —— 使用驱动电路
增加线路阻抗 —— 改变阻尼电阻值
I 电流 —— 电流回流【PCB设计阶段考虑】 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】 D 测试距离 —— 固定不变
布其他信号线:避免大面积无地信号线组。 地敷铜,良好敷铜,能达到4层板的效果!
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双面PCB典型回流问题
大面积没 有GND 的信号线 组
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双层板PCB地线网格【Grid】
双层电路板的走线优先考虑地线的规划 网格大小:x < 5cm,且 y < 5cm
第一转折频点
第二转折频点
1/Td
1/tr
频率(对数) www.emcdir.com
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减少EMI谐波次数【f】的方法
利用阻尼电阻,减缓上升沿,同时保证SI和EMC R
接510欧姆阻尼电阻,有11个谐波分量
无阻尼电阻——有多于58个谐波分量
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△I 噪声电流是EMI的根源
信号发生0-1的变换时,该门电路中的晶体管将发生 导通和截止状态的转换,会有电流从所接电源流入门 电路,或从门电路流入地线,这个变化的电流就是 △I噪声的源,亦称为△I噪声电流。 由于电源线和地线存在一定的阻抗,其电流的变化将 通过阻抗引起尖峰电压,并引发其电流电压的波动, 这个电源电压变化就是△I噪声电压,会引起误操作, 并产生传导骚扰和辐射骚扰。 在电路中,当器件的众多信号管脚同时发生0-1变换 时,不论是否接有容性负载,都会产生很大的△I噪声 电流,使得器件外部的工作电源电压发生突变。
C
S1 GND VCC S2 电 流 回 流
?
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信号线换层问题对策
保持参考平面间均匀连接
同类参考平面:通过过孔连接【敷铜】 电源和地平面:
电容连接【转层电容】【几十兆到300MHz】 电源平面和地平面的等效电容【大于300MHz】
去耦电容对△I噪声的抑制原理
去耦技术:安装去耦电容来提供一个电流源,补偿 逻辑器件工作时所产生的△I噪声电流; 在谐振频率点附近,为电源提供一个接近0欧姆的 阻抗,使电源在该频率范围内成为理想电源【可以 提供无穷大的电流】 Z 正确的连接方法是:让连 接VCC引脚、GND引脚 的布线以及电容的网络, 呈现最小阻抗
一般原则【信号线和“连接”的比例】
时钟线:1:1 普通信号线:(4-8):1
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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
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PCB的EMC设计:总论 PCB的EMC设计#1:电流和回流 PCB的EMC设计#2:电源滤波 PCB的EMC设计#3:天线
电流和回流
控制频率f
高速PCB?
与工作频率无关,仅与所使用的器件有关 fknee=1/(*Tr),Tr=1ns,则fknee=320MHz
(谐 电波 压幅 或度 电 流 )
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GND分割引起电源EMI
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多层板信号线换层
换层前后,参考平 面是两个不同的地 层时:
在信号线换层多的区 域,需要地层间过孔 进行“良好连接” 否则,表现出来的现 象是附近某个地方有 强辐射【把多个地层 连接起来的过孔上】
增加回流面积 干扰1.8V电源
1.8V电源 回流
I/O
回流
对策:
布线不要跨越 减小分割区域
I/O www.emcdir.com
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BGA芯片核电压分割引起EMI
1.8V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