EMC設計規範.ppt

上海凌世电子有限公司 电磁兼容设计规范 武晔卿 第一部分 EMC基础知识第二部分 认证信息第三部分 EMC设计过程管理第四部分 滤波技术第五部分 关键电路EMC设计技术第六部分 线路板EMC设计技术第七部分 接地设计技术第八部分 结构和电缆屏蔽设计第九部分 EMC整改 电磁兼容设计规范目录 第一部分 EMC基础知识 EMC定义常见EMC缩略语与标准分类EMC测试项目简介EMC测试介绍 1 1EMC定义 EMC Electromagneticcompatibility 电磁兼容性在同一电磁环境中 设备能够不因为其他设备的干扰影响正作 同时也不对其他设备产生影响工作的干扰 1 2常用缩略语 EMC ElectromagneticCompatibility 电磁兼容性EMI ElectromagneticInterference 电磁干扰EMS ElectromagneticSusceptibility 电磁抗扰度OATS OpenAreaTestSite 开阔场CISPR 国际无线电干扰特别委员会IEC InternationalElectrotechnicalCommission 国际电工委员会EUT EquipmentUnderTest 受试设备FCC FederalCommunicationCommission 联邦通信委员会CE 欧盟 Conformit Europ ene 的缩写 1 3常见EMC测试项目 EMC EMI EMS RE CE Harmonics Flicker 辐射发射 传导发射 谐波电流 闪烁 RS CS ESD EFT B DIP i PMS 辐射抗扰度 传导抗扰度 静电抗扰度 电快速瞬变脉冲群 电压跌落 短时中断 工频磁场抗扰度 surge 浪涌抗扰度 1 4EMC测试 ESD测试 IEC61000 4 2 Tr约为0 7至1ns 干扰频率延伸至500MHz 对设备表面金属裸露部分 对设备表面绝缘层 对水平和垂直耦合板放电 耦合板距离设备 mm 耦合板通过2个470k欧电阻接地 不马上泄放的电荷形成静电场 ESD测试波形 EFT B ElectricalFastTransient Burst IEC61000 4 4模拟附近或所在电网中切断感性负载时的脉冲干扰 EFT B 上升沿5ns 脉宽50ns 干扰覆盖频率60 100MHz EFT B测试波形 受试设备 信号源 容性耦合夹 信号源 受试设备 耦合 去耦 电源端试验 耦合去耦网络 CDN 注入电源端 EFT B试验 接电源或辅助供电设备 接辅助设备 信号端试验 容性耦合夹干扰耦合 信号线穿过容性耦合夹 容性耦合夹与信号线间有分布电容33 200pF 使干扰被注入信号电缆 EFT B试验 Dip interruptions DIP interruptions 模拟AC电网中接入大功率设备引起的电网电压下降甚至短时中断 考察设备在此工作状态的性能稳定性 交流测试标准 IEC61000 4 11 直流测试标准 IEC61000 4 29 试验组合 Dip interruptions 试验仪器控制试验的跌落深度 持续时间以及跌落相位 其中相位为0 45 90 135 180 225 270 315 360 试验仪器 电源 电源 受试设备 EUT Surge 浪涌试验 浪涌试验 模拟自然雷击或电网中接入大容性负载所产生脉冲对设备的影响 包含电源端和信号端测试 测试标准 IEC61000 4 5 电源端测试 L和N线间 差模干扰 L对保护地 共模干扰 N对保护地 共模干扰 信号端测试屏蔽线 干扰加在屏蔽层非屏蔽线 干扰加在信号线 浪涌波形1 2 50 8 20组合波 电源端和室内信号端的试验 10 700电压波 室外信号端的浪涌试验 1 2 8 10指波形的波前时间 us 50 20和700指得是波形的脉宽 us Surge 浪涌波形 Surge 试验现场 PMS Power frequencyMagneticSusceptibility PMS工频磁场试验 模拟50Hz工频磁场 如大型变压设备附近的磁场等 对设备的影响 测试标准 IEC61000 4 8 PMS 试验现场 RS RadiatedSusceptibility RS 考察对外界电磁场干扰的抗扰能力 测试频段 80MHz 2000MHz 用1kHz的正弦波进行调幅 在电波暗室内进行 测试标准 IEC61000 4 3 RS 测试现场 CS ConductedSusceptibility 测试标准 IEC61000 4 6 电源端CS试验频段150kHz 80MHz 试验电压根据产品类型而不同 信号端CS试验频段150kHz 80MHz 试验电压根据产品类型而不同 CS试验示意图 电源端试验信号端试验 EUT 信号发生器 辅助设备 CDN 骚扰注入点 0 1m木垫 供电 电源 CDN 信号发生器 EUT 辅助设备 CDN为耦合去耦网络 0 1m木垫 注入点 RE RadiatedEmission 考察设备在正常工作时 对外界的辐射干扰强度 测试频段根据不同的标准要求不同 如 在CISPR22中 测试频段为30 1000MHz 值得注意的是设备进行RE测试时标准要求尽可能满配置 满负荷的运行 测试标准 ITE设备为CISPR22 RE 测试现场 天线高度 极化方向 转台角度不断改变以搜寻到设备辐射最大点 可在开阔场和半电波暗室内进行 CE ConductedEmission 不同类产品会有不同的针对标准 测试标准 ITE设备为CISPR22 CE包含 电源端 测试频段为150kHz 30MHz 原来直流的测试频段起始频率为20MHz 新版的欧洲386标准将其改为150kHz 此外FCC标准中测试频段也已经和CISPR22一致了 通信端测 试频段同上 指对接到公网的端口 如网口 ISDN口等才测试 而对接终端的信号端口 如音视频端口则无CE要求 CE 测试示意图 电源端 LISN Lineimpedancestabilizationnetwork线路阻抗稳定网络 Harmonics 交流电源谐波 设备的输入电压为正弦波 50Hz或者60Hz 当该电压的输入负载为非线性电路时 将会使得输入电流发生畸变 即输入电流不为正弦波 根据傅利叶变换 非正弦波信号在频域将会存在谐波 这些谐波电流将会降低设备电源的使用效率 并且会倒灌至电网 对电网产生污染 测试标准 IEC61000 3 2 测试上限为基频的40次谐波频率 Flickers 交流电源闪烁 考察设备电源模块引起输入电源的频率变化能力 其中频率变化从设备端口反灌入电网 会引起电网频率的波动 导致对人体的伤害 测试标准 IEC61000 3 3 CE认证CCCFCC认证 美国联邦通信委员会 其他认证方式C Tick认证 澳洲 VCCI认证 日本 BSMI认证 台湾 NEBS认证 美国网络设备 第二部分 认证信息 产品EMC需求设计产品EMC规格定义产品系统EMC设计结构 电缆 系统电源配电 系统接地产品EMC详细设计原理图 PCB 板级接地 产品EMC阶段评审原理图 PCB 结构试装 第三部分 EMC设计过程管理 输入 硬件总体设计方案 输出 产品系统EMC设计方案书 结构EMC设计包括 结构总体屏效设计方案缝隙屏蔽设计方案进出线屏蔽设计方案通风孔屏蔽设计方案屏蔽材料选择方案 电缆EMC设计包括 电缆分类方案电缆线材选型方案连接器选型方案电缆敷设方案电缆出线方式 系统接地设计方案 电源配电EMC设计包括 电源配电电路框图滤波器件选型建议 输入 产品EMC设计规格书 硬件总体设计方案 单板硬件详细设计方案 输出 单板EMC详细设计方案书 原理图EMC设计包括 电源滤波方案复位电路EMC设计方案接口电路EMC设计方案时钟电路EMC设计方案板间连接器插针定义方案等 PCBEMC设计包括 PCB分层方案元器件布局方案PCB布线方案 板级接地设计包括 单板地的种类及定义各地之间的连接方式 滤波原理简介滤波器的作用滤波基础知识滤波电路及常见滤波器件电源滤波器信号滤波器隔离变压器 第四部分 滤波技术 4 1滤波原理简介 滤波是切断耦合途径中的传导耦合EMC三要素 缺少任何一个都构不成EMC问题 4 2滤波器的作用 切断干扰沿信号线或电源线传播的路径 与屏蔽共同构成完善的干扰防护 4 3滤波基础知识 共模干扰电压和差模干扰电压 共模干扰电流与差模干扰电流 插入损耗 IL 20log V1 V2 体现滤波器在电路中的衰减作用 低通滤波器的类型 4 4滤波电路及常见滤波器件 滤波电路与阻抗的关系 对差模电路 能知道源和负载芯片的电路构成 所以知道源输出阻抗和负载输入阻抗 如果能够综合考虑PCB印制走线的阻抗 滤波器类型的选择应该不难 对共模电路 因为其源和负载的阻抗跟电流回路途径 电缆与大地的距离等各方面的因素有关系 所以阻抗难以确定 根据统计方法结果 一般都认为共模源和负载的阻抗为150欧姆 100欧姆至400欧姆之间 电感的高频特性 减小电感分布电容的方法 对于非导体磁芯 起始端与终止端远离 夹角大于40度 尽量单层绕制 并增加匝间距离 多层绕制时 采用 渐进 方式绕 不要来回绕 如果磁芯是导体 用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离 电感线圈磁芯的使用 铁粉磁芯 不易饱和 导磁率低 作差模扼流圈的磁芯 铁氧体 最常用 锰锌 r 500 10000 R 0 1 100 m 镍锌 r 10 100 R 1k 1M m 超微晶 r 10000 做大电感量共模扼流圈的磁芯 电感谐振频率 感量越大 谐振频率越低 所以电感滤波时 低频用大感量 高频用小感量 电容的高频特性 电容上产生寄生电感的主要原因 引线存在电感PCB走线存在电感 电容谐振频率举例 容值越小 谐振频率越高 低容值电容一般用来进行高频滤波 而高容值电容用来进行低频滤波 滤波电路的布局与接地要求 差好 滤波元器件 磁珠 材料构成 由含铁 镍 锌等金属的氧化物构成 俗称铁氧体 高频特性 高频时可以看成一个阻值随频率变化的电阻 特点比较 与电感比较 分布电容小 高频特性好 常用场合 线路板上的电源或信号滤波 滤波元器件 磁环 材料构成 含铁 镍 锌等金属的氧化物构成 俗称铁氧体 高频特性 高频时可以看成一个阻值随频率变化的电阻 优点比较 可差模滤波又可共模滤波 根据夹入电缆的方式 整改验证方便 常用场合 电源电缆或信号电缆 磁环选择及使用原则 越长越好 孔径和所穿过的电缆结合越紧密越好 低频端骚扰线缆绕2 3匝 高频端骚扰选长磁环 不绕匝 分布电容的缘故 滤波元器件 三端电容 普通电容 三端电容 普通电容 存在等效电感 影响高频滤波效果 三端电容 分布电感隔离输入输出信号 滤波带宽可延至200M 接地端尽可能短粗 减小接地阻抗 三端电容的正确使用 滤波元器件 馈通电容 原理图符号 内部构造图 特点 通过螺钉直接安装再屏蔽金属结构上 能有效的减小接地阻抗 且能够使输入输出良好的隔离 大大改善滤波效果 滤波效果能扩展到GHz频段内 能够找到各种耐压的馈通电容 对耐压要求不高 但是其价格随其尺寸增大而增加 馈通电容与普通电容阻抗特性比较 馈通电容器的阻抗特性已基本接近理想电容器 滤波元器件 贴片电容 PCB表面贴装电容的引脚电感几乎为零 其总电感一般来说比普通电容小3 5倍 其自谐振频率一般是同等容值插件电容的2倍 推荐布线方式 4 5电源滤波器 CY1 CY2 线圈为共模电感 原理如右图 差模低频大电流不会磁芯饱和 电感量可做到1 10mH 对共模干扰抑制增强为原来两倍 选型注意事项 额定电流 滤波器额定工作电流 设备额定工作电流 1 5 2 插入损耗 滤波器IL越大越好 整改可据超标频点选合适滤波器 认证信息 CE或UL认证 其他 工作温度 漏电流等 电源滤波器 选型参数 电源滤波器 插入损耗的评估 IL曲线一般是在负载和源阻抗均为50 的情况下测得的 要求供应商提供源阻抗和负载阻抗分别为0 1 和100 时的IL指标 电源滤波器 实际IL与理想的差异 引起实际插入损耗与理想插入损耗差异的原因 1 电容器引脚上的分布电感 2 电感上线圈间的分布电容 电源滤波器 高频性能差的滤波器实例 电源滤波器 如何改善滤波器高频性能 电源滤波器 插入增益 插入增益在0 1 100 的插损测试下能体现插入增益控制在EMC测试频段外 如150kHz以下 电源滤波器 安装要求之一 滤波器安装对滤波效果很重要 尤其是1MHz以上 输入线不宜过长 电源滤波器 安装要求之二 输入输出线不要靠得太近 否则会导致输入输出线耦合 电源滤波器 安装要求之三 外壳和金属结构良好搭接 改善接地效果 电源滤波器 安装要求之四 滤波器附近不要有其他无关走线 电源滤波器 安装要求之五 电源线不与其他电缆捆绑走线 特别是高频信号线 高性能电源滤波器 增大ICM回路的阻抗 减小共模干扰电流 该电感需安规验证 抑制浪涌 EFT B ESD等差模瞬态脉冲干扰 图中压敏电阻对共模脉冲无效 差模滤波 和CX配合有更大差模衰减 为防止IDM流过时产生饱和 所以尺寸都较大 如果CX很大 则并联一M 级的电阻 以免掉电时电容储存能量的危险 安规要求 4 6信号滤波器 电容必须接低阻抗且无任何噪声的 干净地 注意 该接口传高频信号时 应考虑R和C对信号质量的影响 信号滤波器 干净地 干净地最好直接接大地或者设备金属外壳 信号滤波器 RC电路变形 R可以换成磁珠 C可以换成三端电容或者馈通电容 信号滤波器 差分线滤波电路 共模扼流圈不会影响信号线的信号质量 比单独串电阻或磁珠要好 但是要注意上图中电容的容值对信号质量的影响 信号滤波器 信号馈通滤波器 结构件上的馈通滤波器 作为连接器 线路板上的馈通滤波器 输入输出线隔离 接地端良好接地 接干净地 信号滤波器 馈通滤波器与连接器配合 信号滤波器 滤波连接器 滤波电路和连接器一体 分布电感和分布电容很小 高频滤波好 但很贵 信号滤波器 安装要求之一 信号滤波器 安装要求之二 信号滤波器 安装要求之三 4 7隔离变压器 阻断共模电流的路径 减小共模对负载电路的影响 共模噪声源在负载上产生噪声电压 时域与频域干扰抑制设计 时钟电路 总线电路 单板电源电路去耦 开关电源 接口电路抗干扰设计 看门狗电路 面板复位电路 面板指示灯 接口电路 电源电路 面板拨码开关电路 第五部分 关键电路EMC设计技术 附件 去耦电容的谐振频率及选择 5 1时域与频域 时域 时间 幅度的波形 电路设计时关注 示波器观测 频域 频率 幅度的曲线 EMC设计时关注 频谱仪扫频 信号的时域波形直接影响其频谱 5 2干扰抑制设计 时钟电路干扰的成因 时钟沿太陡阻抗不匹配 时钟电路干扰抑制设计 时钟沿变缓电路设计 从设计上使Clk上升 下降沿缓 沿变缓方法是增大R和C 在时钟信号的输出端串联一个电阻R 此电阻同时可以用来进行匹配 电容C可采用在PCB设计时预留焊盘 通过信号线的对地分布电容来实现 时钟干扰抑制电路案例 某家用视频播放产品 CLK无匹配电阻 时钟输出匹配设计 时钟输出不匹配致信号来回反射 反射与原信号叠加 产生振铃或过冲 致严重辐射 时域波形 频域波形 时钟输出匹配设计 串联22 51 进行匹配 PCB走线阻抗50 90 一般器件输出阻抗为十几 时钟输出匹配设计 时钟输出匹配后时域图频域图 对比 时钟输出 匹配前 测试结果时钟输出 匹配后 测试结果 时钟输出 驱动器件的电源去耦设计 磁珠10uF大电容 高频电容 根据fclk选择容值 范围100pF 0 1uF 典型值为1000pF 时钟输出或驱动器件的地设计 时钟器件金属外壳设计时定义为地网络属性 总线信号沿的设计 对可编程的总线输出芯片 用软件控制脉冲沿的上升时间 对不可编程的芯片 处理方法同时钟源 每根总线对Gnd有分布电容 所以增大R可减缓信号上升沿 总线信号输出匹配设计 匹配电阻22 51 不建议阻排 阻排易产生串扰 阻排中有一个坏 整个都要换 总线驱动器件的电源去耦设计 同时钟源器件的电源去耦设计 磁珠10uF大电容 高频电容 根据fclk选择容值 范围100pF 0 1uF 典型值为1000pF 单板输入电源的滤波设计 单板电源输入口的滤波 单板输入电源的滤波设计 单板上无保护地的滤波电路 单板上有保护地的滤波电路 低频电容10uF 47uF 单电感可用磁珠代替 但要注意 磁珠额定电流和百MHz时的阻值 共模扼流圈1 10mH 高频电容100pF 0 1uF典型值为1000pF 关键IC的电源去耦设计 无去耦设计的危害 关键IC的电源去耦设计 危害的解决方法 关键IC的电源去耦设计 磁珠直流阻值越小越好百MHz时的电阻越大越好 低频电容10uF 高频电容100pF 0 1uF典型值为1000pF 开关电源干扰抑制设计 降低源辐射强度 即减小di dt 切断干扰耦合途径或减小辐射环路面积 开关电源干扰抑制设计 控制触发波形上升沿减小di dt 串电阻或磁珠 或对地并一个电容 增大PWM输出波形的tr 开关电源干扰抑制设计 开关电源干扰抑制设计 开关电源的干扰途径 图中的1 2 3 4 5 1和2 PCBlayout时控制回路面积 3 电源输入端滤波 4 电源输出端滤波 5 地线上串电感或Core 开关电源干扰抑制设计 电源输出端滤波 开关电源干扰抑制设计 地线噪声电流的抑制 开关电源干扰抑制设计 通过布线减小回路面积 抑制差模辐射 接口电路干扰抑制设计 接口电路接有外出电缆 使共模辐射大 接地设计 VG和VP叠加入电缆成共模干扰 接口电路干扰抑制设计 滤波接口 5 3抗干扰设计 看门狗电路抗干扰设计 双向瞬态抑制二极管 TVS 抑制干扰脉冲 如PSOT05C 或高频滤波电容 典型值为560pF 面板复位电路抗干扰设计 面板复位是静电非常敏感电路 处理方式如图 增加R进行限流 电容典型值560pF 双向TVS管选择结电容较小的管子 结电容 1000pF 面板指示灯抗干扰设计 防静电电容 典型值560pF电容可以用双向TVS管代替 限流电阻 取值依赖于LED点灯所需的驱动电流 抗扰改进电路 易受干扰电路 室内 接口电路抗干扰设计 单板与大地无连接 电路只需差模防护 单板与大地有连接 如通过电感 磁珠或其他与大地相连 则需共模防护 室外 接口电路抗干扰设计 室外设备大电流干扰多 用气体放电管 压敏电阻等大泄放电流器件防护 单板与大地无连接 电路只需差模防护 单板与大地有连接 如通过电感 磁珠或其他方式连和大地相 则需共模防护 电源电路抗干扰设计 电源输入侧 用压敏电阻进行防护 差模防护 共模防护 面板拨码开关电路抗干扰设计 电容 典型值560pF 限流电阻或TVS管 限流电阻 附件 去耦电容的谐振频率及选择 基础知识PCB分层设计PCB布局设计PCB布线设计附录 第六部分 线路板EMC设计技术 6 1基础知识 电流导致辐射 而非电压 静态电荷产生静电场 恒定电流产生磁场 时变电流即产生电场又产生磁场 PCB抑制干扰总结如下 1 减小差模信号回路面积 2 减小高频噪声电流 滤波 隔离及匹配 3 减小共模电压 接地设计 其中 1和3是PCBEMC设计的关键 6 2PCB分层设计 设计原则 时钟频率超过5MHz 或信号上升时间小于5ns时 推荐用多层板 原理分析 多层板可很好地控制信号回路面积 PCB分层设计 设计原则 多层板中 关键布线层 CLK Bus I O RF Reset CS线及各种控制信号线等所在层 应与完整地平面相邻 优选两地平面之间 原理分析 关键信号线一般都是强辐射或极其敏感的信号线 靠近地平面布线使信号回路面积减小 减小辐射强度或提高抗干扰能力 案例 八层板CLOCK布线 设计原则 对于单层板 关键信号线两侧应该布 GuideGroundLine 原理分析 关键信号线两侧地 保卫地线 一方面可以减小信号回路面积 另外 还可以防止信号线与其他信号线之间的串扰 设计原则 双层板关键信号线地投影平面上有大面积铺地 或者同单层板地处理办法设计 GuideGroundLine 原理分析 原因同多层板中的 关键信号线靠近地平面布线 设计原则 多层板中 电源平面相对其相邻地平面内缩 5H 20H 原理分析 电源平面相对于其回流地平面内缩可抑制 边缘辐射 设计原则 布线层的投影平面在其回流平面层区域内 原理分析 布线层如不在其回流平面层地投影区域内 布线时会有信号线在投影区域外 边缘辐射 信号回路面积地增大 致差模辐射增大 设计原则 多层板中 TOP BOTTOM层无 50MHz的信号线 原理分析 将高频信号走在两个平面层之间 以抑制其对空间的辐射 设计原则 f 50MHz的单板 若第二层与倒数第二层为布线层 则TOP BOTTOM层应铺接地铜箔 原理分析 接地铜箔可阻挡高频信号的对空间辐射 设计原则 多层板中 单板主工作电源平面 使用最广泛的电源平面 应与其地平面紧邻 原理分析 电源面和地平面相邻 有效减小电源电流回路面积 设计原则 在单层板中 电源走线附近须有地线与其紧邻 平行走线 原理分析 减小电源电流回路面积 设计原则 在双层板中 电源走线附近须有地线与其紧邻 平行走线 原理分析 减小电源电流回路面积 设计原则 分层设计时 避免布线层相邻 如无法避免 拉大两布线层间距 缩小布线层与其信号回路层间距 原理分析 相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰 布线层1 与 布线层2 不宜相邻 设计原则 相邻平面层应避免其投影平面重叠 原理分析 投影重叠时 层层间耦合电容致层间噪声耦合 投影重叠区域等效图 推荐分层设计 6 3PCB布局设计 设计原则 PCB布局 沿信号流向直线放置原则 避免来回环绕 原理分析 避免信号直接耦合 影响信号质量 设计原则 多个模块在同一板子时 数 模 高速 低速等分开布局 原理分析 避免数 模 高速 低速电路的串扰 案例 某家用视频产品功能模块布局图 设计原则 PCB上同时存在高 中 低速电路时 遵从下图布局原则 原理分析 避免高频电路噪声通过接口向外辐射 设计原则 有较大电流变化的单元电路或器件 如电源模块的in out端 风扇 继电器 附近应放置储能和高频滤波电容 原理分析 储能电容的存在可以减小大电流回路的回路面积 设计原则 线路板电源输入口的滤波电路应靠近接口放置 原理分析 避免已经经过了滤波的线路被再次耦合 设计原则 PCB板接口电路的滤波 防护及隔离器件应靠近接口放置 原理分析 防护 滤波和隔离效果好 设计原则 接口处有滤波和防护电路 应先防护 后滤波 原理分析 防护电路用来进行外来过压和过流抑制 如果将防护电路放置在滤波电路之后 滤波电路会被过压和过流损坏 设计原则 滤波电路 滤波器 隔离以及防护电路的in out不耦合 原理分析 in out会削弱滤波 隔离或防护效果 设计原则 单板上如果有接口 干净地 则滤波 隔离器件应放置在 干净地 和工作地之间的隔离带上 原理分析 避免滤波或隔离器件通过平面层互相耦合 削弱效果 滤波器件 设计原则 干净地 上 只放滤波和防护器件 原理分析 干净地 目的是保证接口辐射最小 干净地 易被外来干扰耦合 不要无关电路器件 设计原则 晶振 继电器 开关电源等强辐射器件离PCB接口连接器 1000mil 原理分析 干扰会直接向外辐射或在外出电缆上耦合出电流来向外辐射 设计原则 敏感电路或器件 如复位电路 WATCHDOG电路等 远离单板各边缘 esp 单板接口侧边缘 1000mil 原理分析 单板接口等容易外来干扰 如静电 耦合 敏感电路又易引起系统误操作 设计原则 IC滤波电容应靠近芯片供电管脚 原理分析 电容离管脚越近 高频回路面积越小 辐射越小 设计原则 对始端串联匹配电阻 应靠近其信号输出端放置 原理分析 始端串联匹配电阻的设计原理是ZS RS Z0 如果Rs远离输出端 则ZS RS Z0 起不到匹配效果 6 4PCB布线设计 设计原则 PCB走线不能有直角走线 原理分析 直角走线导致阻抗不连续 导致信号发射 从而产生振铃或过冲 形成强烈的EMI辐射 设计原则 PCB走线 esp 时钟线 与总线的粗细应一致 原理分析 粗细不一致时 走线阻抗突变 导致信号发射 从而产生振铃或过冲 形成强烈的EMI辐射 设计原则 避免布线层相邻 无法避免时 使两布线层中的走线相互垂直 或平行走线长度 1000mil 原理分析 减小平行走线之间的串扰 设计原则 如果单板有内部信号走线层 则时钟等关键信号线布在内层 优先考虑优选布线层 原理分析 将关键信号布在内部走线层可以起到屏蔽作用 设计原则 时钟线两侧建议包地线 包地线每隔3000mil接地 原理分析 保证包地线上各点电位相等 设计原则 CLK BUS RF线等关键信号走线和其他同层平行走线应满足3W原则 原理分析 避免信号之间的串扰 设计原则 电流 1A的电源所用的表贴保险丝 磁珠 电感 钽电容的焊盘应不不少于两个过孔接到平面层 原理分析 减小过孔等效阻抗 设计原则 差分信号线应同层 等长 并行走线 保持阻抗一致 差分线间无其它走线 原理分析 保证差分线对的共模阻抗相等 提高其抗干扰能力 设计原则 关键信号走线一定不能跨分割区走线 包括过孔 焊盘导致的参考平面间隙 原理分析 跨分割区走线会导致信号回路面积的增大 设计原则 信号线跨回流平面分割地不可避免时 在信号跨分割附近桥接1nF电容处理 原理分析 信号跨分割时 常常会导致其回路面积增大 采用桥接地方式是人为的为其设置信号回路 设计原则 单板上滤波器 滤波电路 下方没有无关信号走线 原理分析 分布电容会削弱滤波器的滤波效果 设计原则 滤波器 滤波电路 的in out信号线不相互平行 交叉走线 原理分析 避免滤波前后的走线直接噪声耦合 设计原则 关键信号线距参考平面边沿 3H 原理分析 抑制边缘辐射效应 设计原则 金属外壳接地元件 在其投影区顶层上铺接地铜皮 原理分析 金属外壳和接地铜皮之间的分布电容抑制对外辐射和提高抗扰度 设计原则 在单层板或双层板中 布线时 回路面积最小化 原理分析 回路面积小 回路对外辐射小 抗干扰能力强 设计原则 信号线 特别是关键信号线 换层时 应在其换层过孔附近设计地过孔 原理分析 减小信号回路面积 设计原则 CLK BUS RF线等强辐射信号线远离接口外出信号线 原理分析 避免强辐射信号线干扰耦合到外出信号线上 向外辐射 设计原则 敏感信号线如Reset CS Ctrl等远离接口外出信号线 原理分析 接口外出信号线常常带进外来干扰 耦合到敏感信号线时会导致系统误操作 设计原则 在单面板和双面板中 电源走线先经滤波电容滤波 再到器件管脚 原理分析 电源电压先经滤波再给IC供电 降低IC电源干扰IC回馈给电源的噪声也会被电容先滤掉 设计原则 单面板或双面板 电源线走线很长 每隔3000mil对地加去耦电容 10uF 1000pF 原理分析 滤除电源线上地高频噪声 设计原则 滤波电容的接地线和接电源线应该尽可能粗 短 原理分析 等效串联电感会降低电容的谐振频率 削弱其高频滤波效果 总结 PCBEMC设计的关键是 尽可能减小回流面积 让回流路径按照设计的方向流动 最常见问题来自参考平面的裂缝 变换参考平面层 以及流经连接器的信号 跨接电容器 去耦合电容器可解决些问题 但需考虑电容器 过孔 焊盘及布线总体阻抗 布线前 先研究好回流路径的设计方案 易降低EMI辐射 是最便宜的做法 接地技术的发展接地定义及常见接地符号工作接地方式分类接地设计 第七部分 接地设计技术 7 1接地技术的发展 防雷需要 人员安全防护需要 设备间互扰防护需要建立基准 地 提升高频信号质量需要设备的信号回流 地 7 2接地定义及常见符号 地 定义 电流返回其源的低阻抗通道 对线路工程师 地是线路电压的参考点 对系统设计师 地是机柜或机架 对电气工程师 地是绿色安全地线 大地 地 符号 PE PGND FG 保护地或机壳BGND或DC RETURN 直流 48V 24V 电源回流GND 单板及背板工作地DGND 单板数字地AGND 单板模拟地LGND 防雷保护地 7 3工作接地方式分类 单点接地 串联单点接地优点 简单缺点 公共阻抗耦合适用于 低频 f 1MHz 同类电路 并联单点接地优点 无公共阻抗耦合缺点 接地线过多适用于 低频 f 1MHz 不同类电路 7 4接地设计 总体思路 按电路类型 电路功能模块划分 确定功能模块间地的互连方式 确定功能模块地和大地之间的连接方式 板级地网络的设计 走线阻抗带来的坏处 走线阻抗 梳状接地方式 网格接地方式 地层平面方式 接口电路的地设计 功能模块划分 功能模块间地连接 如图示 如单板上各模块间无互连信号线 则各模块地通过大地相连 如有信号互连 则在信号线跨模块电路处单点相连 地 各功能模块的接地方式 低频噪声电路和模拟电路采用单点接地 数字电路采用多点接地 地线阻抗带来的坏处 地线阻抗越小 电路对外辐射或传导就越小 所以减小地线阻抗是关键 地线阻抗 减小走线阻抗方法 缩短走线长度 增大走线宽度 回路面积 回路面积A大 辐射强度大 所以要减小电源回路和信号回路面积 如何控制地线阻抗和回路面积 网格接地 接地平面方式是网格接地的特殊形式 可减小地线阻抗 且利于电源回路和信号回路的回路面积控制 网格接地线应短粗 以减小地线阻抗 不建议梳状接地方式 梳状接地方式 梳状接地致地线走线过长 地阻抗过大 地阻抗上的共模电压会驱动共模电流向外传导或辐射 梳状接地 信号和电源回路面积难以控制 如右图大环路 网格接地方式 网格接地相当于多个电感和电阻接地并联 减小系统接地阻抗 信号线或电源线布线时 其附近设地线 可减小电源和信号回流面积 地层平面 地层平面是网格地的极限方式 接口电路的地设计 为接口电路设置一 干净地 进行接口电路滤波和接口连接器外壳接地 单板地设计方法 接口处接地 接口处接地的设计要点 单板接口地接设备金属结构件 使其成为 干净地 用来进行滤波电路和防护电路的接地 电源滤波器的地接单板接口地 电源模块输出的电源地单点接数字地 数字接口电路建议采用光耦 隔离变压器等隔离器件进行隔离 避免数字地上的噪声耦合到单板接口地 各接口的滤波电路靠近单板接口地放置 滤波电容接单板接口地 D A器件跨接在数字地和模拟地之间 数字地和模拟地在D A附近单点相连 模拟地单点接单板接口地 尽量避免数字地直接接单板接口地 以避免构成如前页图中红色箭头所示的地电流回路 使得数字地 污染 单板接口地 接口电缆的屏蔽层接单板接口地 单板地设计方法 直接接地 直接接地设计要点 与接口处接地相比 直接接地改变了接地的位置 即不通过接口地接地 而是直接连接到设备的金属外壳 采用此接地方法后注意 在接口处 接口地和数字地 模拟地 电源地在接口处不能有连接 以免形成上图所示的地环路 直接接地示意图 背板接地设计要点 背板上不分PGND和DGND 即背板上只有一个地GND GND通过金属化螺钉以及螺钉所在位置的阻焊亮铜带和结构件良好搭接 对应的结构件部分应作喷漆保护 阻焊亮铜带的宽度不小于10mm 螺钉间距不大于30mm 背板上的BGND和背板地不作任何连接 BGND和其电源trace紧邻走线 背板上的GND平面尽可能完整 背板表层 底层不要为走线层 要求为完整地平面 屏蔽电缆的屏蔽层接地设计 同轴电缆 屏蔽层接单板地 单板地上噪声电压会驱动Icm沿屏蔽层向外干扰 屏蔽层接在单板接口地 接口地是 干净地 所以不会有干扰电流沿屏蔽层流动形成干扰 屏蔽电缆的屏蔽层接地设计 平衡电缆 屏蔽层接单板地 单板地噪声电压会驱动ICM 沿屏蔽层向外传导和辐射 接在 干净 的接口地上 无ICM 屏蔽双绞线 屏蔽设计的关键要素屏蔽体完整性设计缝隙屏蔽设计通风孔屏蔽设计显示窗屏蔽设计电缆进出屏蔽体设计塑胶件结构屏蔽设计 第八部分 结构和电缆屏蔽设计 8 1屏蔽设计的关键要素 通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 电源线 缝隙 导电连续性对屏蔽设计的影响 但如果存在结构缝隙 开孔 感应电流路径发生变化 即所谓的不连续 此时 变化后的感应电流已不能全部抵消源电磁场 而使部分电磁场进入屏蔽体内 电磁波在屏蔽体表面感应出电流 此电流可抵消源电磁场 电缆进出屏蔽体对屏蔽的影响 电缆进出屏蔽体带来两个问题 1 结构开孔泄漏 2 电缆为屏蔽体内外提供感应耦合 降低屏效 缝隙屏蔽设计 其他 缝隙数量 材料表面特性 屏蔽材料导电性能及屏蔽性能 如果有的话 影响缝隙SE的主要因素 缝隙深度D 缝隙最大尺寸L 8 2屏蔽体完整性设计 缝隙的屏蔽设计 缝隙屏蔽设计两种方式 紧固点压紧连接 屏蔽材料连接 紧固点的连接设计 紧固点连接方式常用紧固方式 铆钉 螺钉 点焊 视具体结构方案选定 对SE影响不大 利用弹性凸包 保证缝隙间接触 紧固点的连接设计 屏蔽材料 屏蔽材料的选择 缝隙屏蔽选用导电布或者簧片材料 螺旋管 导电橡胶等 导电布价格低 不易坏 应用方便 首选材料 用在SE 30dB 1GHZ的场合 簧片材料主要应用在活动缝隙场合 如门 拉手条等 屏蔽材料两个关注指标 压缩量 压缩后均有压缩力 导致安装面的变形 影响屏蔽材料的可靠压缩 须保证均匀压缩量 最高接触点 结构设计时需保证最高接触点和结构件良好搭接 通风孔屏蔽设计 覆盖金属丝网 不推荐 用于屏蔽要求不高 通风量大 同时有防尘要求的场合 不适合于SE 10dB 1GHz的场合 穿孔金属板 推荐 结构简单 价格低廉 SE稳定 SE40dB 1GHZ的场合 或者SE与散热的矛盾不可调和的场合 穿孔金属板的特性 金属板上面开阵列通风孔 一是直接在屏蔽体上打孔 二是单独制成穿孔金属板 对泄露影响最大的是 孔的最大尺寸和孔的深度其他因素 场源的特性 孔离场源的距离 f S 孔的形状 深度D 孔间距d 孔数量n 穿孔金属板的屏蔽效能表 截止波导通风板特性 截止波导管是高通滤波器 小于截止频率的电磁波在波导通风板中有很大衰减 对甚高频的SE仍较高 铝合金波导通风板是粘接而成的 因此需要导电处理 导电氧化 镀锡 镀镍等 后才能使用 SE可达60 70dB 钢制波导通风板用钎焊制成 使用时做防腐处理即可 SE可达90 100dB 显示窗屏蔽设计 屏蔽玻璃 显示电路和其他电路隔离 屏蔽玻璃 显示玻璃表面金属丝网或涂覆导电漆 显示电路和其他电路隔离 屏蔽舱 磁环方式 8 3电缆进出屏蔽体设计 无金属线缆的缆线可自由进出屏蔽体 如光纤只需考虑开孔对屏蔽的影响 电源线进出屏蔽体设计 屏蔽层与滤波地3600搭接 信号线进出屏蔽体设计 非屏蔽线 非屏蔽线进出屏蔽体必须经滤波 以免干扰通过电缆向外传导或者二次辐射 信号线进出屏蔽体设计 屏蔽线 屏蔽电缆进出屏蔽体必须屏蔽层与屏蔽体360 可靠环接 搭接阻抗足够低 屏蔽电缆进出屏蔽体有两种方式 A 屏蔽连接器转接 B 夹线方式 案例 与屏蔽机箱相连的电缆屏蔽层 屏蔽连接器的转接 塑胶件屏蔽设计 不锈钢片边缘处的弹片与盒盖内表面导电漆压接形成整屏蔽体 推荐 但要开模加工 导电漆喷涂工艺差 可用点胶来保证盒体与盖的导电连续性 内表面 接缝咬合处喷涂导电漆 SE 10dB 1GHZ时推荐使用 导电喷涂特性及电阻要求 导电漆是将电金属颗粒 金属镍 抗氧化钢粒子 表面包上银钢粒子 银粒子 混合到粘结料中 银粒子的导电性最好 但是价格高 推荐含金属镍或者抗氧化铜粒子的导电漆 导电漆喷涂干固后的导电性 干固后1mil 0 025mm 厚度时每平方英寸表面电阻小于0 2 塑胶件屏蔽设计的难点 难点 盒体与盒盖之间的接缝处理常规作法是咬合处喷导电漆 导电漆连接成完整屏蔽体 点胶处理 在盒体边缘浇注一层流体导电橡胶 在室温下冷却后固定成型 这种流体导电橡胶中掺有金属颗粒 铜 银 镍 实现导电功能 在铝合金压铸件和塑胶件上可以有较好的粘结能力 点胶技术适用形状复杂的零件 但是生产效率不高 辐射发射 RE 整改静电问题整改 第九部分 EMC整改 9 1辐射发射 RE 问题整改方法 工具 频谱仪 近场探头 低噪声场放 RE超标的整机定位详细流程 测量超标 临界 点 作参考值 有信号电缆 无电缆 如电池供电设备 合格 不合格 只有电源电缆 无效果 不合格 拔掉所有电缆 合格 在电源线上增加磁环 检查机箱屏蔽 完成 有效果 合格 不合格 电缆有问题 解决电缆共模电流 设备联上所有电缆 处理滤波器 电路 消除共模电流 电源电缆导致辐射超标定位子流程 灵活应用铁氧体磁环 不合格 检查滤波器安装 滤波电路走线 100MHz以上 定制宽带滤波器 无效果 有效果 重新安滤波器或设计滤波电路地线和in out走线 不合格 选择高频性能较好的滤波器 30 100MHz 不合格 换滤波器或调换参数 信号电缆导致辐射超标定位子流程 连上某根电缆 辐射增强 辐射无增强 100MHz以上 套上铁氧体磁环 100MHz 绕1 3匝 馈通型 无明显改善 不可滤波 可滤波 有改善仍不合格 增加一个磁环 100MHz以下 100MHz PCB安装型 使用或改善屏蔽电缆 滤波或屏蔽电缆 不合格 屏蔽体泄漏定位子流程 缝隙 孔洞 检查衬垫 衬垫安装 设法密封缝隙 衬垫质量 内部结构 有衬垫 无衬垫 仍有泄漏 无泄漏 完成 辐射源是否在孔洞附近 重新设计结构 使两者远离 缩小孔洞尺寸或用截止波导 磁场 电场 宽带噪声抑制方法 30 300MHz频段内出现宽带噪声超标 定位 一般由电源或地噪声辐射引起 整改 通过在电源线上增加去耦磁环 可开合 进行验证 如果有改善则说明和电源线有关系 采用以下几页整改方法 滤波器是否良好接地 定位 如有一体化滤波器 检查滤波器接地是否良好 接地线是否短 建议 金属外壳滤波器接地 外壳和地大面积搭接 滤波器或滤波电路的输入输出是否隔离 检查滤波器的输入 输出线是否互相靠近 滤波器 输入 输出 模块 PCB 适当调整滤波器件参数 调整L和C的值 注意 Y电容会引起安全漏电流问题 改变参数只会改善局部频段辐射 其他部分却可能变差 需找到最好组合 适当增大触发极上的电阻值 设备上使用的开关电源 增大触发极上的电阻值 PWM电路 R 增加两个电容减小共模开关噪声 减小开关电源内的回路面积 开关电源板在PCB布线时控制好各回路回流面积 减小差模辐射 单层板或双层板中电源走线的处理 电源线 地线 L 增加电源去耦电容 多层板中电源平面层的处理 要求电源平面和地平面紧邻 地层 电源层 电源连接器插针定义是否符合要求 检查设备的板间电源连接器的插针定义 非屏蔽设备内电源线的处理 在电源线上套磁环进行比对验证 投产后可在单板用共模电感替代 或在电缆上注塑磁环 非屏蔽机箱 磁环 结构屏蔽设备的电源线处理 图中的L长度有要求 结构屏蔽设备的孔缝泄漏 屏蔽设备内部 孔缝附近是否有干扰源 结构件搭接处是否喷有绝缘漆 用砂布将绝缘漆擦掉 比对试验 系统接地线同样可能引起宽带噪声 检查接地螺钉是否喷有绝缘漆 系统接地线 X 屏蔽体内部 接地线充当屏蔽体内外辐射传播的载体 独立窄带尖蜂噪声抑制方法 问题 全频段内出现间隔均匀的窄带尖蜂群噪声 如图 或单立尖蜂噪声 定位 对均匀窄带尖蜂群噪声 计算其间隔频率差 结果 辐射源的基频 对单立尖蜂噪声 则查尖蜂噪声和单板fclk是否有倍频关系 整改 处理确定的目标时钟源 时钟源外壳是否接地 在PCB板上 晶体外壳接地处理 晶振的接地脚接地 时钟输出匹配设计 时钟的输出根据信号质量的要求使用始端匹配 适当变缓时钟沿 减小发射 注意 使用时钟驱动器时 时钟驱动的时钟输出同样需要匹配 时钟源的电源滤波设计 用磁珠 大电容 高频电容对时钟源滤波 GND 晶振 R BEAD GND 时钟源是否远离任何连接器 插座 时钟源应尽可能远离外出接口以及结构开孔附近 PCB板上时钟走线远离连接器 插座 对于结构屏蔽设备 单板上时钟走线应远离单板上的外出接口和结构孔缝 单层板或双层板上时钟线的处理 在时钟线的两侧包地线 若不允许 也应使clk线和Gnd线紧邻走线 以减小时钟线的回流面积 减小差模辐射 PCB 包地线 包地线 时钟源 多层板上时钟线的处理 时钟线走内层 是否存在信号线跨其回流平面分割带 跨分割会使得信号回路面积增大 如图 时钟源是否尽可能靠近其负载 时钟源靠近负载的目的是使时钟走线即可能短 时钟走线的粗细是否存在跳变 时钟线的粗细跳变会导致时钟信号出现阻抗失配问题 使时钟波形畸变 引起EMI 时钟线换层的处理 在多层板和双层板中 时钟线换层过孔附近须有地层过孔 原因 时钟线在换层后其回流平面也换层了 在时钟换层过孔附近设置地过孔可减小信号回流面积 时钟源或时钟走线是否靠近屏蔽结构孔缝 检查是否有时钟源或者时钟走线靠近结构开孔 缝 可以采用在孔缝上使用屏蔽材料 如导电布 的方法作比对测试 结构屏蔽设备的孔缝泄漏确定 孔缝处理不当会导致大辐射泄漏 甚至破坏结构SE 定位结构泄漏方法 频谱仪 近场探头沿结构孔缝处进行扫描 确定泄漏点 暗室内转动转台和改变天线极化方式 寻找辐射最大时的转台角度以及天线的极化状态 并保持住 再进行处理 找到影响最大的泄漏缝 孔 后 采用簧片或导电布等屏蔽材料进行处理 或者检查此处结构搭接是否有喷漆等不良因素 接口辐射之接口电路设计 插拔电缆 在电缆上加可开合磁环 比对测试 确定是否接口辐射超标 对于无隔离器件的接口 如串口 其外出信号线处设置接地桥 以保证其信号回流 接口辐射之屏蔽电缆处理 屏蔽电缆的屏蔽效果取决于以下几个环节 电缆屏蔽层和电缆lead的360度搭接 电缆屏蔽层的类型 编织屏蔽比锡箔屏蔽要好 时钟等关键信号插针定义处理 无论是设备外出时钟信号还是产品内部的板间时钟信号 其连接器插针定义一定要为 GND CLK GND的模式 能用同轴线走时钟最好 且要保证同轴头外壳的良好接地 高密集型尖蜂群噪声的抑制方法 问题 在某频段内出现无规律高密集型尖蜂群噪声 如图 定位 对于这些噪声 单板上没有任何时钟频率和其有关系 且非常密集 一般属总线噪声 整改 有针对性的处理总线源 总线是否有匹配 总线输出用始端输出匹配电阻 可减小总线辐射 匹配电阻靠近驱动源放置 总线驱动和接收芯片的电源必须有滤波 总线驱动和接收芯片电源须有良好滤波 芯片包括 CPUFlashSDRAM VCC 电容 Bead 内存条插座电源针必须有滤波电路 插针会导致阻抗失配 引起电源母线上的高频阻抗存在 所以内存条插座的电源管脚附近需要有电容滤波 T型滤波可抑制内存条高频噪声 并满足其快速电流供电要求 内存 电源母线电感 插针电感 等效电路 总线过孔处的地过孔设置是否合理 信号过孔附近无地过孔 回路面积变大 增加了地过孔 回路面积变小 辐射得到抑制 地过孔示意图 信号回流面积下图小 上图大 因此辐射大大减小 各种PCB上总线的处理 单层板上 总线簇两侧加包地线 双层板上 总线簇两侧加包地线或者另外一层 非总线所在层 的总线投影区域内铺接地铜皮 多层板上 总线簇应靠近完整地平面走线 最好走内层 信号走线是否存在宽度变化 同时钟走线的道理走线粗细的跳变会导致信号出现阻抗失配问题 信号波形畸变 引起EMI 9 2静电问题整改方法 设备分类 不同类型不同处理方式 一类设备 金属结构设备 金属外壳接大地 包括两种情况 通过系统接地