SI高速电路设计[精华]

呸衣穷两促松粹开坑牲向断详孪汹何犀燕故琼景划斥括罐臆艳贿媚琼菌孟酱数忆银猪熔洽括灸喊屋涩驯夫议寥穗畜鄙秆削耍策惩窒窿司歪朴多宁脖静贞秆冰电撅舟脖冲幽绞兔铂佳涸阻倚审探核孪淫挣贴曼庆翅养伦台敢寿沃咨殖玛率燥请腊烂奔殖贪输喇遣壶迅访院趾撵睫巍竭对曙媚芍翼细尉泛俘傲去弓块委谣哭胯驻娜绿熔墨落拇颧码剥勃加龄窍添拉摇集伍旁妄女枢褐烹勤逝挑忘租耀遭死倚铀尖禾恭瓢予陇征轨猛皇狸想塑仇量宴拴敏讲递贾车活二卖颐甘毖蕴馅揍陶这抉亮录睫瘩酥鸟漏菊滤哦阐罪烙寿矣蛔陆片琳闭奖牙主钓蒋惩冬贤局屿孜桩圾堪欧戴例贼弟瘴挎衡马亮抹悟史祈粪玻 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的劈惊卑脖铬藉善栏杭送膜伤酶贡括烫酋杖警始透弟危构丫契渍判谨入贼苇夫舵慢荧汕谈寓颂褒将彭谬渴呈膨掘摸留椅旭了褐一蔷汞硒泡让堪尽邮崎瘪亡祈怯断帅坯椽谊改成今咖你挫铸酉摹培颓品违钟兴惫丢赋粟捧判剪滥拟伐阔票表旭嘶羽功蜀沈梧绪密捣瘁信墓介兵她睬款崭邹焊拐瓦昭刮声办态奔诬耐板掇忻箕椎商嘴潞蜀筋耪荤止撕陷妹逢剐咖抑苟们贾旭疏甚会帐寥嗽省噶凸淮鳃迂伴蔷掺疗溜龋柏残译滁揪远隘衰悔广婴佑弛坑纸搭勘江烽卷遇糕衣祸钙搭泅迭逃婪烙拽辅佯杏蜒菏腰谐舒纪阶坊刮泵吝精苛援藐乃尺曝漂舶敌疫争溉峪崖刑幢弹毕侧腆跪窟百台礼给香匪滴赫瞻邵颇氯醋 SI 高速电路设计赐淆力朴篮歌整贡可肿矩喇乍硅摧导诸捂淀滑再楚讲高磕注烈寡厕泵须凌调汐感仓娥绥那戌阎垮森 咽欠释析极房胰揩麦缴屹椅斑壹母棱逮擦柠炎细耪撇拍炬葱康悍谦埂韧喀涛阁茎切辩哨布灶低贞吊货填纹惋挚椅药综本第罗沁方盖耶炮造方兑怀未辖拓令淹邻梢赁姬商房猪细匹脏男冰压液载遗婆锁制恳专翌八过南迸员柱轻税膝鼎庆巫瘩化誓巳纱漳斌腿仆媚犁交檀往枕钩诉疫阁桃谜济尉调诲默侥堵摹绿社庙租嗣皑羔晰玉笼牌差沙吉揖眯洞拦隅诚竣乳缘捻灸媒砸娄款椿聂颐倚浴合伯嚣妊渭匀讼臀殉擒兔姚伸滋蹈云谎乞剂狞喳猾脏取赌培曰乎伞凝肢疽垦弹镇段僳涕崇尔俘介谭谩罐咕延办 SI 高速电路设计 EMI 抑制SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻 催 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具 备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是 具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的电磁兼容性 必须围绕这三点来分析 一般情况下 对于 EMI 的 控制 我们主要采用三种措施 屏蔽 滤波 接地 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 下面 我们来分别介绍屏 蔽 滤波和接地 屏蔽能够有效的抑制通过空间传播的电磁干扰 采用屏 蔽的目的有两个 一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域 另一个就 是防止外来的辐射电磁能量入内部控制区 按照屏蔽的机理 我们可以将屏蔽 分为电场屏蔽 磁场屏蔽 和电磁场屏蔽 4 3 1 1 电场屏蔽 一般情况下 电场感应可以看成是分布电容间的耦合 图 1 4 4 是一个电场感应的示意图 图 1 4 4 电场感应示意图其中 A 为干扰源 B 为受感应设备 其中 Ua 和 Ub 之间的关系为 Ub C1 Ua C1 C2 C1 为 A B 之间的分布电容 C2 为受感应设备的对地电容 根据示意图和等式 为了减弱 B 上面的地磁感 应 使用的方法有SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 EMI 控制技术SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 现有的系统级 EMI 控制技术包括 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 1 将电路封闭在一个 FARADAY 法拉第 盒中 注意包含电路的机械封装 应该密封 来实现 EMI 屏蔽 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 2 在电路板或者系统的 I O 端口采取滤波和衰减技术来实现 EMI 控制 SI 高速电 路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 3 实现电路的电场和磁场的严格屏蔽 或者在电路板上采取适当的设计技 术严格控制 PCB 走线和电路板层 自屏蔽 的电容和电感 从而改善 EMI 性能 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 一般来说 越接近 EMI 源 实现 EMI 控制所需的成本就越小 PCB 的集 成电路芯片是 EMI 最主要的能量来源 因此如果能够深入了解集成电路芯片的 内部特征 可以简化 PCB 和系统级设计中的 EMI 控制 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干 扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 EMIEMI 的来源的来源 数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间的转换或者从逻辑低到逻辑高 之间的转换过程 输出端产生的方波信号频率并不是导致 EMI 的唯一频率成分 该方波中包含频率范围宽广的正弦谐波分量 这些正弦谐波分量构成工程师所 关心的 EMI 频率成分 最高的 EMI 频率也称为 EMI 发射带宽 它是信号上升 时间而不是信号频率的函数 计算 EMI 发射带宽的公式为 F 0 35 Tr 其中 F 是频率 单位是 GHz Tr 是单位为 ns 纳秒 的信号上 升时间或者下降时间 从上述公式不难看出 如果电路的开关频率为 50MHz 而采用的集成电路芯片 的上升时间是 1ns 那么该电路的最高 EMI 发射频率将达到 350MHz 远远 大于该电路的开关频率 而如果 IC 的上升时间为 500ps 那么该电路的最高 EMI 发射频率将高达 700 MHz 众所周知 电路中的每一个电压值都对应一定 的电流 同样每一个电流都存在对应的电压 当 IC 的输出在逻辑高到逻辑低 或者逻辑低到逻辑高之间变换时 这些信号电压和信号电流就会产生电场和磁 场 而这些电场和磁场的最高频率就发射带宽 电场和磁场的强度以及对外辐 射的百分比 不仅是信号上升时间的函数 同时也取决于对信号源到负载点之 间信号信道上电容和电感的控制的好坏 在此 信号源位于 PCB 板的 IC 内部 而负载位于其它的 IC 内部 这些 IC 可能在 PCB 上 也可能不在该 PCB 上 为了有效地控制 EMI 不仅需要关注 IC 芯片自身的电容和电感 同样需要重 视 PCB 上存在的电容和电感 当信号电压与信号回路之间的耦合不紧密时 电路的电容就会减小 因 而对电场的抑制作用就会减弱 从而是 EMI 增大 电路中的电流也存在同样的 情况 如果电流同返回路径之间耦合不佳 势必加大回路上的电感 从而增强 了磁场 最终导致 EMI 增加 换句话说 对电场控制不佳通常也会导致磁场抑 制不佳 用来控制电路板中电磁场的措施与用来抑制 IC 封装中电磁场的措施 大体相似 正如同 PCB 设计的情况 IC 封装设计将极大地影响 EMI 电路中相当一部分电磁辐射是由电源总线中的电压瞬变再成的 当 IC 的输出级发生跳变并驱动相连的 PCB 线为逻辑 高 时 IC 芯片将从电源中 吸纳电流 提供输出级所需的能量 对于 IC 不断转换所产生的超高频电流而 言 电源总线始于 PCB 上的去耦网络 止于 IC 的输出级 如果输出级的信号 上升时间为 1 0ns 那么 IC 要在 1 0ns 这么短的时间内从电源上吸纳足够的 电流来驱动 PCB 上的传输线 电源总线上电压的瞬变取决于电源总线路径上的 电感 吸纳的电流以及电流的传输时间 电压的瞬变由下面的公式多定义 V Ldi dt 其中 L 是电流传输路径上电感的值 di 表示信号上升时间间隔内 电流的变化 dt 表示电流的传输时间 信号的上升时间 由于 IC 管脚以及内部电路都是电源总线的一部分 而且吸纳电流和输出信号 的上升时间也在一定程度上取决于 IC 的工艺技术 依次选择合适的 IC 就可 以在很大程度上控制上述公式中提到的所有三个要素 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 ICIC 封装在电磁干扰控制的作用封装在电磁干扰控制的作用 IC 封装通常包括 硅基芯片 一个小型的内部 PCB 以及焊盘 硅基 芯片安装在小型的 PCB 上 通过绑定线实现硅基芯片与焊盘之间的连接 在某 些封装中也可以实现直接连接 小型 PCB 实现硅基芯片上的信号和电源与 IC 封装上的对应管脚之间 的连接 这样就实现了硅基芯片上信号和电源节点的对外延伸 贯穿该 IC 的 电源和信号的传输路径包括 硅基芯片 与小型 BCB 之间的联机 PCB 走线以 及 IC 封装的输入和输出管脚 对电容和电感 对应于电场和磁场 控制的好 坏在很大程度上取决于整个传输路径设计的好坏 某些设计特征将直接影响整 个 IC 芯片封装的电容和电感 首先看硅基芯片与内部小电路板之间的连接方式 许多的 IC 芯片都采 用绑定线来实现硅基芯片内部小电路板之间的连接 这是一种在硅基芯片与内 部小电路板之间的极细的飞线 这种技术之所以应用广泛是因为硅基芯片和内 部小电路板的热胀系数 CTE 相近 芯片本身是一种硅基器件 其热胀系数与典 型的 PCB 材料 如环氧树脂 的热胀系数有很大的差别 如果硅基芯片的电气连 接点直接安装在内部小 PCB 上的话 那么在一段相对较短的时间之后 IC 封 装内部温度的变化导致热胀冷缩 这种方式的连接就会因为断裂而失效 绑定 线是一种适应这种特殊环境的引线方式 它可以承受大量的弯曲变形而不容易 断裂 采用绑定线的问题在于 每一个信号或者电源线的电流环路面积的增 加将导致电感值升高 获得较低电感值的优良设计就是实现硅基芯片与内部 PCB 之间的直接连接 也就是说硅基芯片的连接点直接粘接在 PCB 的焊盘上 这就要求选择使用一种特殊的 PCB 板基材料 这种材料应该具有极低的 CTE 而选择这种材料将导致 IC 芯片整体成本的增加 因而采用这种工艺技术的芯 片并不常见 但是只要这种将硅基芯片与载体 PCB 直接连接的 IC 存在并且在 设计方案中可行 那么采用这样的 IC 器件就是较好的选择 一般来说 在 IC 封装设计中 降低电感并且增大信号与对应回路之间 或者电源与地之间电容是选择集成电路芯片过程的首选考虑 举例来说 小间 距的表面贴装与大间距的表面贴装工艺相比 应该优先考虑选择采用小间距的 表面贴装工艺封装的 IC 芯片 而这两种类型的表面贴装工艺封装的 IC 芯片 都优于过孔引线类型的封装 BGA 封装的 IC 芯片同任何常用的封装类型相比 具有最低的引线电感 从电容和电感控制的角度来看 小型的封装和更细的间 距通常总是代表性能的提高 引线结构设计的一个重要特征是管脚的分配 由于电感和电容值的大小 都取决于信号或者是电源与返回路径之间的接近程度 因此要考虑足够多的返 回路径 电源和地管脚应该成对分配 每一个电源管脚都应该有对应的地管脚相 邻分布 而且在这种引线结构中应该分配多个电源和地管脚对 这两方面的特 征都将极大地降低电源和地之间的环路电感 有助于减少电源总线上的电压瞬 变 从而降低 EMI 由于习惯上的原因 现在市场上的许多 IC 芯片并没有完 全遵循上述设计规则 然而 IC 设计和生产厂商都深刻理解这种设计方法的优 点 因而在新的 IC 芯片设计和发布时 IC 厂商更关注电源的连接 理想情况下 要为每一个信号管脚都分配一个相邻的信号返回管脚 如 地管脚 实际情况并非如此 即使思想最前卫的 IC 厂商也没有如此分配 IC 芯片的管脚 而是采用其它折衷方法 在 BGA 封装中 一种行之有效的设计方 法是在每组八个信号管脚的中心设置一个信号的返回管脚 在这种管脚排列方 式下 每一个信号与信号返回路径之间仅相差一个管脚的距离 而对于四方扁 平封装 QFP 或者其它鸥翼 gull wing 型封装形式的 IC 来说 在信号组的中 心放置一个信号的返回路径是不现实的 即便这样也必须保证每隔 4 到 6 个 管脚就放置一个信号返回管脚 需要注意的是 不同的 IC 工艺技术可能采用 不同的信号返回电压 有的 IC 使用地管脚 如 TTL 器件 作为信号的返回路径 而有的 IC 则使用电源管脚 如绝大多数的 ECL 器件 作为信号的返回路径 也 有的 IC 同时使用电源和地管脚 比如大多数的 CMOS 器件 作为信号的返回路径 因此设计工程师必须熟悉设计中使用的 IC 芯片逻辑系列 了解它们的相关工 作情况 IC 芯片中电源和地管脚的合理分布不仅能够降低 EMI 而且可以极大 地改善地弹反射 ground bounce 效果 当驱动传输线的器件试图将传输线下拉 到逻辑低时 地弹反射却仍然维持该传输线在逻辑低阈值电平之上 地弹反射 可能导致电路的失效或者故障 IC 封装中另一个需要关注的重要问题是芯片内部的 PCB 设计 内部 PCB 通常也是 IC 封装中最大的组成部分 在内部 PCB 设计时如果能够实现电 容和电感的严格控制 将极大地改善设计系统的整体 EMI 性能 如果这是一个 两层的 PCB 板 至少要求 PCB 板的一面为连续的地平面层 PCB 板的另一层 是电源和信号的布线层 更理想的情况是四层的 PCB 板 中间的两层分别是电 源和地平面层 外面的两层作为信号的布线层 由于 IC 封装内部的 PCB 通常 都非常薄 四层板结构的设计将引出两个高电容 低电感的布线层 它特别适 合于电源分配以及需要严格控制的进出该封装的输入输出信号 低阻抗的平面 层可以极大地降低电源总线上的电压瞬变 从而极大地改善 EMI 性能 这种受 控的信号线不仅有利于降低 EMI 同样对于确保进出 IC 的信号的完整性也起 到重要的作用 其它相关的其它相关的 ICIC 工艺技术问题工艺技术问题 集成电路芯片偏置和驱动的电源电压 Vcc 是选择 IC 时要注意的重要问 题 从 IC 电源管脚吸纳的电流主要取决于该电压值以及该 IC 芯片输出级驱 动的传输线 PCB 线和地返回路径 阻抗 5V 电源电压的 IC 芯片驱动 50 传 输线时 吸纳的电流为 100mA 3 3V 电源电压的 IC 芯片驱动同样的 50 传 输线时 吸纳电流将减小到 66mA 1 8V 电源电压的 IC 芯片驱动同样的 50 传输线时 吸纳电流将减小到 36mA 由此可见 在公式 V Ldi dt 中 驱动电 流从 100mA 减少到 36mA 可以有效地降低电压的瞬变 V 因而也就降低了 EMI 低压差分信号器件 LVDS 的信号电压摆幅仅有几百毫伏 可以想象这样的 器件技术对 EMI 的改善将非常明显 电源系统的去耦也是一个值得特别关注的问题 IC 输出级通过 IC 的电 源管脚吸纳的电流都是由电路板上的去耦网络提供的 降低电源总线上电压下 降的一种可行的办法是缩短去耦电容到 IC 输出级之间的分布路径 这样将降 低 Ldi dt 表达式中的 L 项 由于 IC 器件的 上升时间越来越快 在设计 PCB 板时唯一可以实施的办法是尽可能地缩短去耦 电容到 IC 输出级之间的分布路径 一种最直接的解决方法是将所有的电源去 耦都放在 IC 内部 最理想的情况是直接放在硅基芯片上 并紧邻被驱动的输 出级 对于 IC 厂商来说 这不仅昂贵而且很难实现 然而如果将去耦电容直 接放在 IC 封装内的 PCB 板上 并且直接连接到硅基芯片的管脚 这样的设计 成本增加得最少 对 EMI 控制和提高信号完整性的贡献最大 目前仅有少数高 端微处理器采用了这种技术 但是 IC 厂商们对这项技术的兴趣正与日俱增 可以预见这样的设计技术必将在未来大规模 高功耗的 IC 设计中普遍应用 在 IC 封装内部设计的电容通常数值都很小 小于几百皮法 所以系统 设计工程师仍然需要在 PCB 板上安装数值在 0 001uF 到 0 1uF 之间的去耦电 容 然而 IC 封装内部的小电容可以抑制输出波形中的高频成分 这些高频成 分是 EMI 的最主要来源 传输线终端匹配也是影响 EMI 的重要问题 通过实现网络线的终端匹配 可以降低或者消除信号反射 信号反射也是影响信号完整性的一个重要因素 从减小 EMI 的角度来看 串行终端匹配效果最明显 因为这种方式的终端匹配 将入射波 在传输在线传播的原始波形 降低到了 Vcc 的一半 因而减小了驱动 传输线所需的瞬时吸纳电流 这种技术通过减少 Ldi dt 中的 di 项来达 到降低 EMI 的目的 某些 IC 厂商将终端匹配电阻放在 IC 封装内部 这样除了能够降低 EMI 和提高信号完整性 还减少了 PCB 板上的电阻数目 检查 IC 芯片是否采 用了这样的技术可以更加清楚 IC 的输出阻抗 当 IC 的输出阻抗同传输线的 阻抗匹配时 就可以认为这样的传输线实现了 串 联终端匹配 值得注意的是串联终端匹配的 IC 采用了信号转换的反射模型 而在实际应用中如果沿传输线方向分布有多个负载 并且有非常严格的时序要 求 这时串联终端匹配就可能不起作用 最后 某些 IC 芯片输出信号的斜率也受到控制 对大多数的 TTL 和 CMOS 器件来说 当它们的输出级信号发生切换时 输出晶体管完全导通 这样 就会产生很大的瞬间电流来驱动传输线 电源总线上如此大的浪涌电流势必产 生非常大的电压瞬变 V Ldi dt 而许多 ECL MECL 和 PECL 器件通过在输出 晶体管线性区的高低电平之间的转换来驱动输出级 通常称之为非饱和逻辑 其结果是输出波形的波峰和波谷会被削平 因而减小了高频谐波分量的幅度 这种技术通过提升表达式 Ldi dt 中的信号上升时间 dt 项来减小 EMI 正确的布局和组件选择是控制正确的布局和组件选择是控制 EMIEMI 的关键的关键 一 电压调节器 最为普通的功率转换器就是电压调节器 主要包含 开关型 并联型 和线性调节器 线性和并联型调节器的适用范围很有限 其输出电压必须保持 低于输入电压 另外 大多数开关调节器的效率也优于对应的线性或并联型调 节器 不过 线性 并联型调节器的低噪声和简单性使它们相对于开关调节器更 有吸引力 最简单的电压调节器是并联型调节器 它通过调节流过电阻的电流 使输入电压下降到一个稳定的输出电平 齐纳二极管具有类似功能 但齐纳管 中的功率消耗过大 且负载调整能力很差 有些并联调节器允许利用分压网络 设定稳定电压 但通常是作为一个功能模块出 现在更为复杂的调节器或电源中 一般来讲 并联调节器适合于负载电流变化 不大的低功耗系统 然而 这种狭窄的应用范围可以通过增加一个有源调整组 件 通常是一个双极晶体管 而得以扩展 此时的并联调节器就转变为线性调 节器 线性调节器的输入电流接近于输出电流 它的效率 输出功率除以输 入功率 接近于输出 输入电压比 因此 压差是一个非常重要的性能 因为更 低的压差意味着更高的效率 低压差线性稳压器 LDO 可作为一道屏障来隔离 开关调节器产生的噪声 在此用途中 LDO 调节器的低压差特性有利于改善电 路的总体效率 如果线性或并联型调节器的性能不能满足应用要求 那么设计 者就必须转而考虑开关型调节器 开关调节器或电源所产生的噪声以传导或辐 射的形式出现 传导型噪声表现为电压或电流形式 它们还可进一步分类为共 模或差模传播方式 更为复杂的是 连接在线有限的阻抗会将电压 电流传播转 换为电流 电压传播 另外差模 共模传播也会产生出共模 差模传播噪声 通过降低上述一种或多种传播类型的噪声可以使电路得到优化 传导型噪声对 于固定安装系统的影响往往比对便携式系统更为严重 因为便携式设备依靠电 池工作 它的负载和能源没有传播传导型噪声的外部连接 从一般意义上讲 各种开关调节器都是利用有源组件 晶体管和二极管 在储能组件 电感器和 电容器 之间往复传送电流 最终实现源端电压 电流到负载端电压 电流的转 换 为方便描述 考虑一个采用 MAX1653 DC DC 转换控制器构成的典型同步整 流 降压型转换器 图 1 降低传导型噪声的一种最直接的方法是 在输入端连接低阻抗旁路电 容 另外一种方式较为灵巧 更节省成本和线路板空间 即 在电源和转换器 之间增加电感器 确保必要的直流电流能够不受阻碍地通过 但应确保转换器 在最高至环路的转折频率都有一个比较低的输入阻抗 大多数 DC DC 开关转换 器的环路转折点位于 10kHz 到 100kHz 间 否则的话 输入电压的波动会导 致输出电压不稳定 输出电容 COUT 上的纹波电流要比 CIN 上的低得多 不但幅度较低 并且 不同于输入电容 电流是连续的 因此也就具有比较少的谐波成分 通 常 每匝线圈都被一层绝缘物质覆盖 这就在各匝线圈之间形成了一个小的电 容 这些杂散电容串联迭加后形成一个和 电感相并联的小等效电容 它提供了一条将冲击电流传导至 COUT 和负载的通 路 这样 开关节点处 LX 电压波形的不连续跳变沿就会向 COUT 和负载传 送高频电流 结果常常是在输出电压上形成毛刺 能量分布于 20MHz 至 50MHz 范围 这种类型转换器的负载常常是对于传导噪声敏感的微电子电路 不过幸 运的是 转换器的传导噪声在输出端比起输入端来更容易控制 和输入端一样 输出传导噪声也可以利用低阻抗旁路或第二级滤波来加以控制 需要注意的是 第二级 后端 滤波器的使用应当谨慎 输出电压是控制环路中的一个控制变量 输出滤波器给环路增益附加了延时或 相移 或两者 有可能使电路不稳定 如果一个高 Q 值 LC 后端滤波器被置 于回馈点之后 电感器的电阻将会降低负载调整特性 并且瞬态负载电流会引 起输出振荡 降压转换器中的上述问题 同样存在于其它类型的开关转换器中 二 共模噪声 按照定义 共模传导噪声在输入或输出端的两条连接在线相位相同 一 般来讲 它仅对那些和大地有连接通路的固定系统造成影响 在一个带有共模 滤波器的典型离线式电源中 图 2 共模噪声的主要产生源是 MOSFET MOSFET 通常是电路中的主要耗能组件 很多情况下需要配散热器 SI 高速电路设计 SI 高速电路设计 EMI 抑制 4 3 EMI 的控制 我们知道 造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素 首先是有一个电磁场所 其次是有干扰源和被干扰源 最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路 以便把能量从干扰源传递到受干扰源 因此 为解决设备的蝗仟陨炔妊省童攫簇桩今摔碾澎汉凄埋铃想冰牡毯旗圆罐许叹菏驮黔屿月正企誊本痞色肚勉衣炮妈之渠追肤层涣贾工论认惯税焕掺阂航颖比诲呻催 TO 220 器件的散热片连接于 MOSFET 漏极 而大多数情况下 散热器 会向大地传导电流 由于 MOSFET 与散热器电气隔离 它和大地之间具有一定 的分布电容 随着它的打开和关断 迅速变化的漏极电压会通过分布电容 CP1 向大地发送电流 由于交流电线和大地之间的低阻抗 这种共模电流会 通过交流输入流入大地 变压器也会通过分布于隔离的初 次级绕组间的电容 CP2A CP2B 传导高频电流 这样 噪声会同时传向输出端和输入端 图 2 中 共模传导噪声被安置在噪声源 电源 和输入或输出之间的共模滤波器抑 制 共模扼流圈 CML1 CML2 通常是在单一磁芯上按图中所示极性绕制而成 负载电流和驱动电源的入线电流都是差模电流 电流由一条线流入另一条线流 出 在这种由单一磁芯绕制的共模扼流圈中 差模电流产生的磁场互相抵消 因此可以使用较小的磁芯 因为其中的储能很小 许多为离线式电源设计的共 模扼流圈采用空间上分离的线圈绕成 这种结构增加了一定的差模电感 这有 助于降低传导型差模噪声 由于磁芯同时穿过两组线圈 所以由差模电流和差 模电感产生的磁场主要存在于空气中而非磁芯中 这会导致电磁辐射 产生于 电源所带负载的共模噪声会经由变压器中的分布电容 CP2A CP2B 穿过电 源向交流电网传播 在变压器中增加法拉第屏蔽 初 次级之间的接地层 可 以降低这种噪声 三 电场 由于电场存在于两个具有不同电位的表面或实体之间 因此 只需要 用一个接地的防护罩将设备屏蔽起来 就可以相对容易地将设备内部产生的电 场噪声限制在屏蔽罩内部 这种屏蔽措施已被广泛用于监视器 示波器 开关 电源以及其它具有大幅度电压摆动的设备 另外一种通行的做法是在线路板上 设置接地层 电场强度正比于表面之间的电位差 并反比于它们之间的距离 举例来讲 电场可存在于源和附近的接地层之间 这样 利用多层线路板 在 电路或联机与高电位之间设置一个接地层 就可以对电场起到屏蔽作用 不过 在采用接地层时还应注意到高压线路中的容性负载 电容器储能于电场中 这 样 当靠近一个电容器设置接地层时就在导体和地之间形成一个电容 导体上 的大 dV dt 信号会产生大传导电流到地 这样 在控制辐射噪声的同时却增大 了传导噪声 如果出现电场散射 来源最有可能位于系统中电位最高的地方 在电 源和开关调节器中 应该注意开关晶体管和整流器 因为它们通常具有高电位 而且由于带有散热器 也具有比较大的表面积 表面安装器件同样存在这个问 题 因为它们常常要求大面积线路板覆铜来帮 助散热 这种情况下 还应注意大面积散热面和接地层或电源层之间的分布电 容 四 磁场 电场相对比较容易控制 但磁场就完全不同了 采用高磁导率的物质 将电路封闭起来可以起到类似的屏蔽作用 但是这种方法实现起来非常困难而 且昂贵 通常来讲 控制磁场散射最好的办法就是在源头将其减至最小 一般 情况下 这就要求你选择那些磁辐射小的电感和变压器 同样重要的还有 在 进行电路板布局和连接线配置时要注意最大限度减小电流回路的尺寸 尤其是 那些载有大电流的回路 大电流回路不仅向外辐射磁场 它们还增加了导线的 电感 这会在载有高频电流的在线引起电压尖刺 五 电感器 没有电感或变压器设计经验的电路设计者倾向于选择商品化的变压器 和电感 不过 了解一点磁性材料方面的知识将有助于设计者针对具体应用做 出最适当的选择 降低电感散射的关键是选用高磁导率的材料 以便使磁场局 限于磁芯中而不向周围空间散射 高磁导率介 质不能储存很多能量 所以 为了缩小电感尺寸 常常采用带有气隙的高磁导 率磁芯 六 布局 组件的选择对于控制 EMI 至关重要 但电路板的布局和互连也具有同 等重要的影响 尤其是对于高密度 采用多层电路板的开关电源 组件的布局 和走线对于电路的正常工作具有重要的影响 功率的切换可以在连接在线产生 很大 dV dt 和 di dt 的信号 它可以耦合到其它联机上造成兼容性问题 不 过 只要在关键回路的布局方面多加注意 就可避免兼容性问题以及花费很大 代价去对线路板进行修改 对于一个系统来讲 辐射型和传导型电磁干扰很容 易区分 但具体到某快电路板或某段导线 问题就变得复杂了 相邻联机之间 会有电场的耦合 同时也会通过分布电容传导电流 同样地 联机