EMC设计经验分享之线路板EMC设计技术.ppt

EMC设计经验分享之线路板EMC设计技术 课程名称 目录 一 EMC概述二 线路板EMC设计技术三 关键电路EMC设计 EMC定义 EMC Electromagneticcompatibility 电磁兼容性EMC定义 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常工作 同时也不对其他设备产生影响工作的干扰 EMC三要素 缺少任何一个都构不成EMC问题 常见EMC测试项目 EMC 电磁兼容性 EMI 电磁干扰 EMS 电磁敏感 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 ESD Electrostaticdischarge ESD 静电放电 考察设备在接收外界静电源 如带电人体 带电设备等 所产生的直接放电或静电场干扰时的抵抗能力 测试标准 IEC61000 4 2 静电波形及参数Tr约为0 7至1ns 因上升时间非常短 根据傅利叶变换 其产生干扰的频率可以延伸至500MHz EMI AV产品 电源线端的传导骚扰 150KHZ 30MHZ吸收钳法测骚扰功率 30MHZ 300MHZ辐射发射 30MHZ HZ 产品EMC设计 系统设计 在产品进行系统设计时就应该开始考虑 设计 结构 设计 包括布局设计 屏蔽设计 接地设计 滤波设计等 设计原则 能屏蔽的尽量屏蔽 金属件一定要充分接地 在布局设计时要尽量减少减短互连电缆线 4 缝隙要尽量小 敏感电路离缝隙尽量远等 线路板 设计 接下来我们要重点讨论学习的 目录 一 EMC概述二 线路板EMC设计技术三 关键电路EMC设计 目录 一 EMC概述二 线路板EMC设计技术 基础知识 PCB设计原则 案例分享三 关键电路EMC设计 基础知识 差模电流和共模电流关于辐射的一个重要基本观念是 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 在任何电路中都存在共模电流和差模电流 一般来说 差分模式信号携带数据或有用信号 信息 共模模式是差分模式的负面效果 基础知识 差模电流大小相等 方向 相位 相反 由于走线的分布电容 电感 信号走线阻抗不连续 以及信号回流路径流过了意料之外的通路等 差模电流会转换成共模电流 基础知识 共模电流大小不一定相等 方向 相位 相同 设备对外的干扰多以共模为主 差模干扰也存在 但是共模干扰强度常常比差模强度的大几个数量级 外来的干扰也多以共模干扰为主 共模干扰本身一般不会对设备产生危害 但是如果共模干扰转变为差模干扰 干扰就严重了 因为有用信号都是差模干扰 基础知识 共模电流和差模电流的磁场分布差模电流的磁场主要集中在差模电流构成的回路面积之内 而回路面积之外的磁力线会相互抵消 而共模电流的磁场 在回路面积之外 共模电流产生的磁场方向相同 磁场强度反而加强 这个概念非常重要 PCB的很多EMC设计都遵循这个规则 基础知识 差模辐射和共模辐射模型 基础知识 差模辐射和共模辐射场强计算公式 基础知识 总结 在线路板上抑制干扰的途径有 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 在PCB的EMC设计中 上述的1 3点是PCBEMC设计的关键目的 基础知识 微带线和带状线微带线微带线是贴附在介质平面 并直接暴露于空气中 特性阻抗 传输延迟 对FR 4材料 r在4 5 5之间 w h 特性阻抗75 w 2h 特性阻抗50 传输延迟大约为142ps inch 基础知识 带状线带状线是在两个导电平面结构中被介质材料所包围的传输线 特性阻抗 传输延迟 对FR 4材料 r在4 5 5之间 w h 8 特性阻抗75 w h 3 特性阻抗50 传输延迟大约为190ps inch 基础知识 微带线和带状线的比较微带线的传输延时比带状线低 微带线位于表层 直接对外辐射 带状线位于内层 有参考平面屏蔽 微带线可见 便于调试 带状线不可见 调试不方便 对于带状线 由于其夹在两平面之间 其辐射途径得到较好的控制 其主要对外传播途径为传导 即我们需要重点考虑提其供电过程中的电源 地的纹波以及与相邻走线之间的串扰 对于微带线 除传导途径外 其自身对外的辐射对EMC指标至关重要 目录 一 EMC概述二 线路板EMC设计技术 基础知识 PCB设计原则 案例分享三 关键电路EMC设计 PCB设计原则 设计原则 时钟频率超过5MHz 或信号上升时间小于5ns时 一般需要使用多层板设计 原理分析 采用多层板设计时 信号回路面积能够得到很好的控制 PCB设计原则 设计原则 对于多层板 关键布线层 时钟线 总线 接口信号线 射频线 复位信号线 片选信号线以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 靠近地平面布线能够使其信号回路面积减小 减小其辐射强度或提高抗干扰能力 PCB设计原则 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地串扰 PCB设计原则 设计原则 对于双层板来说 要求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 PCB设计原则 设计原则 多层板中 电源平面应相对于其相邻地平面内缩 建议值5H 20H 原理分析 电源平面相对于其回流地平面内缩可以有效抑制 边缘辐射 问题 PCB设计原则 设计原则 布线层的投影平面应该在其回流平面层区域内 原理分析 布线层如果不在其回流平面层地投影区域内 在布线时将会有信号线在投影区域外 导致 边缘辐射 问题 并且还会导致信号回路面积地增大 导致差模辐射增大 PCB设计原则 设计原则 在多层板中 单板TOP BOTTOM层是否无 50MHz的信号线 原理分析 最好将高频信号走在两个平面层之间 以抑制其对空间的辐射 PCB设计原则 设计原则 对于板级工作频率 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 最好将高频信号走在两个平面层之间 以抑制其对空间的辐射 PCB设计原则 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 电源平面和地平面相邻 可以有效地减小电源电流的回路面积 同时电源平面和地平面会形成较大的电容 对滤除电源上的高频噪声很有好处 PCB设计原则 设计原则 在单层板中 电源走线附近必须有地线与其紧邻 平行走线 原理分析 减小电源电流回路面积 PCB设计原则 设计原则 在双层板中 电源走线附近必须有地线与其紧邻 平行走线 原理分析 减小电源电流回路面积 PCB设计原则 设计原则 在分层设计时 尽量避免布线层相邻的设置 如果无法避免布线层相邻 应该适当拉大两布线层之间的层间距 缩小布线层与其信号回路之间的层间距 并且两布线层成正交的方式走线 原理分析 相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰 PCB设计原则 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 层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合 PCB设计原则 推荐分层设计 PCB设计原则 设计原则 PCB布局设计时 应充分遵守沿信号流向直线放置的设计原则 尽量避免来回环绕 原理分析 避免信号直接耦合 影响信号质量 PCB设计原则 设计原则 多种模块电路在同一PCB上放置时 数字电路与模拟电路 高速与低速电路应分开布局 原理分析 避免数字电路 模拟电路 高速电路以及低速电路之间的互相干扰 PCB设计原则 设计原则 当线路板上同时存在高 中 低速电路时 应该遵从下图中的布局原则 原理分析 避免高频电路噪声通过接口向外辐射 PCB设计原则 设计原则 存在较大电流变化的单元电路或器件 如电源模块的输入输出端 风扇及继电器 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 PCB设计原则 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 PCB设计原则 设计原则 在PCB板上 接口电路的滤波 防护以及隔离器件应该靠近接口放置 原理分析 可以有效的实现防护 滤波和隔离的效果 PCB设计原则 设计原则 如果接口处既有滤波又有防护电路 应该遵从先防护后滤波的原则 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 PCB设计原则 设计原则 布局时要保证滤波电路 滤波器 隔离以及防护电路的输入输出线不要相互耦合 原理分析 上述电路的输入输出走线相互耦合时会削弱滤波 隔离或防护效果 PCB设计原则 设计原则 单板上如果设计了接口 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 PCB设计原则 设计原则 晶体 晶振 继电器 开关电源等强辐射器件远离单板接口连接器至少1000mil 原理分析 将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 PCB设计原则 设计原则 敏感电路或器件 如复位电路 WATCHDOG电路等 远离单板各边缘特别是单板接口侧边缘至少1000mil 原理分析 类似于单板接口等地方是最容易被外来干扰 如静电 耦合的地方 而象复位电路 看门狗电路等敏感电路极易引起系统的误操作 PCB设计原则 设计原则 为IC滤波的各滤波电容应尽可能靠近芯片的供电管脚放置 原理分析 电容离管脚越近 高频回路面积越小 从而辐射越小 Good Bad PCB设计原则 设计原则 对于始端串联匹配电阻 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远离其输出端 则ZS RS Z0 起不到匹配效果 PCB设计原则 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 PCB设计原则 设计原则 PCB走线特别是时钟线与总线的粗细应保持一致 原理分析 粗细不一致时 走线阻抗会发生突变 导致信号发射 从而产生振铃或过冲 形成强烈的EMI辐射 PCB设计原则 设计原则 尽可能避免相邻布线层的层设置 无法避免时 尽量使两布线层中的走线相互垂直或平行走线长度小于1000mil 原理分析 减小平行走线之间的串扰 PCB设计原则 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 PCB设计原则 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 PCB设计原则 例子 1 DVDPLAYER上SDRAM时钟信号SCLK 要包地处理 其映射地平面要完整 并且走线要短 2 PDVD上TFT LCD的时钟信号CPH 也要包地处理 其映射地平面要完整 并且走线要短 PCB设计原则 设计原则 时钟 总线 射频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 PCB设计原则 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 PCB设计原则 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 PCB设计原则 例子 1389USB2 0走线1 双面板 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 差分特征阻抗控制在 欧姆 四层以上多层板 最好走内层 应同层 等长 并行走线 保持阻抗一致 差分线间无其它走线 差分特征阻抗控制在 欧姆 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 PCB设计原则 设计原则 高速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 PCB设计原则例子 PDVDSDRAM走线 一排过孔不能使地面形成断槽 每两过孔间应连一地线 以减少高速信号的回流面积 PCB设计原则 设计原则 信号线跨其回流平面分割地情况不可避免时 建议在信号跨分割附近采用桥接电容方式处理 电容取值为1nF 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 PCB设计原则 设计原则 单板上的滤波器 滤波电路 下方不要有其他无关信号走线 原理分析 分布电容会削弱滤波器的滤波效果 PCB设计原则 设计原则 滤波器 滤波电路 的输入 输出信号线不能相互平行 交叉走线 原理分析 避免滤波前后的走线直接噪声耦合 PCB设计原则 设计原则 关键信号线距参考平面边沿 3H H为线距离参考平面的高度 原理分析 抑制边缘辐射效应 PCB设计原则 设计原则 对于金属外壳接地元件 应在其投影区的顶层上铺接地铜皮 原理分析 通过金属外壳和接地铜皮之间的分布电容来抑制其对外辐射和提高抗扰度 PCB设计原则 例子 时钟器件的金属外壳要接地 不能直接接地的 要在时钟器件下铺地铜铂 原理分析 金属外壳接地可以使其耦合到的干扰信号对地短路 PCB设计原则 设计原则 在单层板或双层板中 布线时应该注意 回路面积最小化 设计 原理分析 回路面积越小 回路对外辐射越小 并且抗干扰能力越强 PCB设计原则 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 如上图所示 可以减小信号回路面积 PCB设计原则 例子 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 PCB设计原则 设计原则 时钟线 总线 射频线等强辐射信号线远离接口外出信号线 原理分析 避免强辐射信号线上的干扰耦合到外出信号线上 向外辐射 PCB设计原则 设计原则 敏感信号线如复位信号线 片选信号线 系统控制信号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 PCB设计原则 设计原则 在单面板和双面板中 滤波电容的走线应先经滤波电容滤波 再到器件管脚 原理分析 使电源电压先经过滤波再给IC供电 并且IC回馈给电源的噪声也会被电容先滤掉 PCB设计原则 设计原则 被防护的敏感信号走线应先经防护过器件 再到器件管脚 原理分析 PCB走线会引入一等效电感 使防护效果变差 PCB走线会引入一等效电感 ESD防护器件 如压敏电阻 TVS等 PCB设计原则 设计原则 在单面板或双面板中 如果电源线走线很长 应每隔3000mil对地加去耦合电容 电容取值为10uF 1000pF 原理分析 滤除电源线上地高频噪声 PCB设计原则 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 PCB设计原则 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 最常见返回电流问题来自于参考平面的裂缝 变换参考平面层 以及流经连接器的信号 跨接电容器或是去耦合电容器可能可以解决一些问题 但是必需要考虑到电容器 过孔 焊盘以及布线的总体阻抗 在布线之前 先研究好回流路径的设计方案 就有最好的成功机会 可以达成降低EMI辐射的目标 因为在还没有动手实际布线之前 若是要变更布线层等等 都不必花费任何钱 这才是改善EMC这最便宜的做法 总结 目录 一 EMC概述二 线路板EMC设计技术 基础知识 PCB设计原则 案例分享三 关键电路EMC设计 案例分享 问题现象 骚扰功率测试情况 两耳机输出128MHZ超过限值3dB左右AV输出OK 128MHZ余量较少 1dB 案例一 案例分享 问题分析 分析单板 如图所示 干扰源确定 128MHZ为单板SDRAM的时钟信号SCLK频率定位问题 发现单板GND平面的连接可能有问题 连接方式为GND PGND GND AGND 并且选择的连接点又是靠近SDRAM区域 此处的GND很 不干净 通过信号回流会产生共阻抗耦合 将差模电流转变成共模电流 通过电缆对外发射 如图所示 案例一 案例分享 问题解决 将单板GND平面的GND与PGND AGND的连接位置进行更改 更改之后的GND平面如下 更改之后 耳机输出和AV输出的骚扰功率的余量均在3dB以上 问题得到解决 案例一 总结 案例分享 问题现象 辐