JUEMI问题技术支持的方法初探.doc

EMI问题技术支持的方法初探随着高速集成电路应用的普及，平均超过30%的板级系统设计将遭遇信号完整性和EMI等高速设计问题，这些问题如果得不到完善的处理，将造成整机系统因EMI问题超标而不能通过EMC认证。而随着新型集成电路的复杂性越来越高，产品上市时间越来越紧迫，IC分销商在推广应用集成电路的过程中，既要提供一揽子解决方案，又要帮助系统制造商通过EMC认证，因此，解决EMI问题已经越来越受到重视。 当前，业界研发能力较强的公司在解决信号完整性和EMI问题上的基本思想是：利用EDA仿真技术和先进的测试设备，在产品设计早期尽可能地解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要求、时序要求、EMC/EMI要求，并满足加工制造与测试条件的总体方案和设计准则，最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。 反映系统制造商的要求，协助IC制造商从源头控制EMI 送审通过EMC认证主要由系统制造商完成。LCD显示器有各种规格和尺寸，不同的尺寸都有不同的EMI问题，目前即使对于有设计能力的公司，也并不能完全解决EMC认证面临的问题，因为这是经验的累积。 工程师很多都有十几年的研发经验，所设计的方案一般只要做很少频点的改动就能够通过EMC认证。但是，由于在EMI测试和仿真工具方面的欠缺，系统制造商的样品送审的时候，还会发现EMI方面存在非常严重的问题，有的PCB板几乎要从新改板。遇到这样的EMI问题之后，通常要借用EMI测试实验室技术人员的丰富经验，请他们指出哪些地方超过了EMC规格的限制，建议在什么地方加一个磁珠来吸收EMI，或建议在适当的地方对PCB板进行修改。 解决LCD显示器EMI问题一般都要采用四层板，内层如果是地层，通常屏蔽EMI的效果会更好。LCD里面采用CPU的速度已经用到120MHz，并且与视频部分放在一起，当然不可避免会出现EMI问题。LCD对EMI又特别敏感，要解决LCD设计面临的EMI问题，过去从事CRT设计的工程师要注意掌握针对LCD的EMI规范和针对CRT的规范的差异。时钟是EMI问题的最大来源。通过采取一些磁珠吸收措施，对EMI的问题都有很好的抑制作用，但是样成本会很高，IC供应商在设计芯片的时候采用集成补偿电路才是从源头解决EMI问题的方法。新的芯片推出的时候都有一个初级版本，分销商拿来外围电路之后，如果发现EMI指标不对，通常会请芯片制造商改进芯片的设计。例如，曾经有一个系统制造商设计的LCD产品的颜色与真实的颜色有一点不一样，初步判断可能是EMI的问题，后来芯片供应商推出一个新产品，新旧产品的区别主要就是电容值，从而使EMI问题被解决得更好，新的芯片改进的就是EMI问题。如果EMI问题在芯片端就能得到很好的解决，就不必像以前那样，应用系统设计的工程师要在外面加一大堆抑制EMI的元器件。 但是，新的芯片价格相对来说比较高，在竞争日益激烈的市场环境下，系统制造商通常希望节省每一个用于消除EMI的元器件，在此，EMC认证实验室的测试和建议对他们的帮助就至关重要。 通过器件的选择，帮助系统制造商解决EMI问题 当系统制造商提出EMI认证需要的时候， IC供应商通常推荐一些具有EMI抑制能力的芯片或模块的方案给系统制造商。 在产品通过EMC认证的时候，认证实验室都会给出一些消除EMI的建议，比如增加磁珠等办法，认证实验室在收取系统制造商费用的之后，还会提出一些通过EMC认证的解决方案，主要是附加一些抑制EMI的元器件，这样一来就会带来产品成本的上升。 现在的问题是分销商所代理的IC产品的EMI已经达到了国际标准，系统制造商的设计工程师出于成本考虑，常常忽略一些抑制EMI的外围器件，从而造成系统制造商的产品迟迟不能通过EMI方面的测试。寄希望于EMI测试和EMC认证实验室，是目前系统制造商存在的一个基本倾向。表现在：对于设计中存在的EMI问题，在方案选择上许多系统制造商主要采取的是成本最低策略，忽略了EMI方面的关键要求，其结果是无法一次性通过安全规范测试，要返回多次重新设计，因而浪费许多人力、时间和物力。 选择好的器件就是选择了解决EMI问题的成本最低的方案，而不是选择价格最低的器件。因为这里面还要考虑产品开发的时间成本和产品推向市场的机会成本的问题。 随着消费电子产品外销量的增加，包括一些电信产品，对EMI的要求将越来越严格，EMI问题将会作为设计的一个重要方面越来越受到重视。而不能寄托在EMC认证实验室的建议。 随着越来越多的功能整合在一起，系统设计过程中，每一个部分都会影响到其它部分的线路，因此由EMI造成的困难会比过去更加复杂。但是，对于系统制造商来说，他们都是希望用最少的器件来减少EMI的干扰，结构和电路板的优化设计都是减少EMI问题的方法。 参与整机系统的设计，多渠道解决EMI问题 随着时钟频率的提高，电磁干扰问题越来越严重，它包括辐射型和传导型两种，为将电磁辐射限制在规定范围内，除了在芯片级、板级控制EMI之外，必须在整机系统设计中考虑怎样解决EMI问题。目前，在成本因素的驱动下，芯片、封装和PCB呈现一体化的趋势，因此，设计工程师从IC封装、PCB板级到I/O单元与I/O单元之间的高速信号互连、乃至EMI问题不仅要在前期设计阶段的加以考虑，还要在后期生产的过程中有效地控制。 目前，解决系统设计过程面临的EMI问题基本上有下列几条途径：1、请芯片供应商改进芯片内部的EMI指标；2、选择EMI性能比较好的芯片；3、采纳EMC测试实验室给出的建议，改进电路板的设计，处理好接地和去耦电容的安置；4、外加屏蔽盒。 目前，系统制造商在解决EMI问题上的主要问题是没有从源头去控制EMI，也就是说，在电路板设计、去耦电容的放置等问题上处理不好，从而被迫加多达十几个磁珠去控制某些频点的EMI，造成解决EMI问题的成本大为增加，而如果设计初期就考虑EMI的控制问题，通常加1-2个磁珠能够通过EMC认证。 解决板级信号完整性和EMI问题的建议和方案 在高速数字设计领域，信号完整性和EMI已经变成了一个关键的议题。随着设备不断在功能上的增强和体积上的小型化，设计工程师们面临着越来越多来自信号完整性与EMI的挑战。 信号完整性是指信号在信号线上传输的质量，主要问题包括反射、振铃、时序、地反弹和串扰等。差的信号完整性问题不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。PCB板设计中，要求信号完整性工程师要全面考虑器件、传输线互联方案、电源分配以及EMC方面的问题。 信号完整性和EMI的关系 从电磁场(EM)的观点出发将非常有帮助于了解SI问题的物理行为。多层封装结构中，通孔a上的交变电流在金属层之间的辐射方向上将产生背离通孔的EM波传播效应。金属层之间的电场将导致层间电压的变化(电压是电场的积分)。当EM波抵达其它通孔的时候，EM波将在位于那些通孔的地方感生电流。而在通孔所在位置的感生电流进一步产生沿着金属层之间传播的EM场。当波形到达封装边沿的时候，其中一部分将辐射到空中，另一部分波形将反射回去。如果EM波在封装结构内部前后反射并互相叠加，那么将出现谐振现象。波的传播、反射、耦合和谐振是发生在封装结构内部的、造成信号完整性和EMI问题的主要原因。下面概要介绍此次分销商技术支持调查采访过程中，由分销商提出的解决信号完整性和EMI问题的建议和解决办法。 建议和解决办法 (a)电路板设计中的走线、PCB板材和阻抗匹配等方面如果出现问题就会导致信号完整性问题，通过提供完善的设计方案，包括完整的电路板版图信息与精确的匹配阻抗,利用差分信号的低电压的优势,降低系统制造商在设计上面临的问题。 (b) 希望系统制造商的设计人员以高频信号的设计为优先考虑,不要因为成本问题而忽略了对高频信号对电路板设计上的要求。 (c) 遵循差分信号的原则，并尽量将高频信号放于同一层中，减小过孔。 (d) 解决信号的反射、串扰噪声问题的办法是通过采用先进的EDA工具，选择正确的布线策略和终端匹配方式，从而得到的理想的信号波形。 (e) 解决系统中EMI问题，首先要减小系统中的各种电源之间的互相影响，如数字电源和模拟电源通常只某点处连接，且中间加磁珠滤波；还要选择合适的位置放置去耦电容；最后是在印制板的顶层和底层大面积铺铜，用较多的过孔将这些地平面连接在一起。信号完整性的分析在高速设计的作用举足轻重，只有解决好高速设计中的信号完整性，高速系统才能准确、稳定地工作。 (f) 基于信号完整性的设计方法如下： (1) 在PCB板设计之前，利用CADENCE提供的Model integrity首先建立高速数字信号传输的信号完整性模型。 (2) 利用SPEECTRAQUEST 工具对对信号完整性问题进行一系列的预分析，包括电源系统性分析，根据仿真计算的结果选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计的依据。 (3) 在电路的设计过程中，利用IBIS模型进