EMC设计和案例分析.ppt

1、2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,1,技术讲座系列,EMC设计和案例分析 Skyworth系列技术交流之二,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,2,EMC设计和案例分析,本期交流内容： 1.电磁兼容性的基本原理 2.电磁兼容性的应对策略 3.电磁兼容案例分析,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,3,1.电磁兼容性的基本原理,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,4,1.电磁兼容性的基本原理,一般周期的数字信号时域波形：,周期信号相对应的频域谱结构：,Tips：信号占用的带宽远远大于信号实际周期！,2020/9/10,Skyworth技术交

2、流讲座,5,1.电磁兼容性的基本原理,电感电容在频率升高时的变化：,|Zc|,Frequency,|Zr|,Frequency,电容：|Zc|1/(2PIfC),电感：|Zr|2PIfL,容性降低,容性失效,感性降低,感性失效,SFR,C,L,ESR,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,6,1.电磁兼容性的基本原理,电磁兼容（EMC）的三要素： 干扰源： 全局时钟信号，高速芯片输出，系统总线，大电流、高电压的高频信号。 耦合机制： 空气，电路板介质，布线环路，线间电容耦合，直接连接。 敏感系统： 高阻输入线，模拟小信号，锁相环电路，高频、中频信号放大。,2020/9/10,Sky

3、worth技术交流讲座,7,1.电磁兼容性的基本原理,常见的几种干扰源： 全局时钟信号，会产生稳定的离散频谱，使得某些频点能量集中，干扰很强。 高速信号输出，产生不稳定频谱，特别是陡峭的沿跳信号，产生宽频的干扰。 大电流高频脉冲信号，产生强烈的磁场干扰。 高电压高频脉冲信号，产生强烈的电场干扰。 Tips：找出干扰源，是解决EMC问题的关键，只有减弱或者扼杀源头才是最有效的。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,8,1.电磁兼容性的基本原理,常见的几种耦合机制： 传导型 通过连线直接耦合，如电源线、公共返回路径等等。 电场型 通过分布电容耦合，如长的平行布线，属于近场耦合。,20

4、20/9/10,Skyworth技术交流讲座,9,1.电磁兼容性的基本原理,常见的几种耦合机制： 磁场型 通过环路电感耦合，属于近场互感耦合。 辐射型 通过天线效应耦合，属于远场耦合。 Tips：只有通过分析清楚可能的耦合模型，破坏耦合路径，才能减轻耦合干扰的能量。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,10,1.电磁兼容性的基本原理,常见的一些需要保护的敏感系统 高阻输入信号、静态电平的信号。这些信号容易感应外界强烈电磁干扰，造成误输入。 模拟小信号，如高频头的高放、中放电路等，芯片的PLL电路，对电源纹波，空中辐射要求很高。 Tips：设计中有意识的对敏感信号做保护，适当的加入

5、屏蔽、滤波、隔离等手段，提高敏感系统的抗干扰能力。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,11,1.电磁兼容性的基本原理,电磁兼容问题解决的层次：,最有效、最主动的策略,找出干扰源,隔断耦合路径,屏蔽敏感系统,积极的应对策略,不得已而为之的补救方法,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,12,2.电磁兼容性的应对策略,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,13,2.电磁兼容性的应对策略,传统EMC对策 查找EMI问题的方法：频谱仪近场探头 采取的手段：屏蔽滤波 传统对策遇到新问题： 需要考虑设备内部【板间，板内信号间】EMI问题，不能使用屏蔽/滤波手段； 屏

6、蔽和滤波会增加重量、成本； 信号频率与干扰频率一致，不能采用滤波； 频率提高，布线、屏蔽体、机箱等成为天线； 高频信号耦合到电缆，由电缆发射；,探测火苗,把“火苗”捂在设备内部,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,14,2.电磁兼容性的应对策略,设计最后阶段解决EMC问题的唯一办法是： 屏蔽和滤波 这种对策的结果是： 有利于通过EMC，但是会恶化内部干扰，影响设备稳定性，增加抗干扰的要求。 屏蔽策略的隐患： 机箱及屏蔽材料的变形及损坏，产生电磁泄漏。,思考？,用屏蔽能解决所有的EMC问题？,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,15,2.电磁兼容性的应对策略,EMC对

7、策新理念：,Tips：对EMI产生和抑制机理有的充分认识是关键。,为什么我们总是停留在这个层次？,电子工程师设计水平的体现,EDA工程师设计经验的体现,系统工程师全部把握的体现,思考？,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,16,2.电磁兼容性的应对策略,EMC的及早考虑： EMI/EMC是项系统工程 早考虑 ，成本低，手段多，效率高； 需要产品所有组件协同配合，包括结构设计。 专家的经验PCB设计的很多规则 设计能全部按照设计规则执行吗？ 所有的理论在所有场合都正确吗？ 仿真技术 PCB板设计的仿真：Hyperlynx。 电子电路仿真：Pspice、Serenade。 精度与速度

8、 使用测量技术，使用一般仪器进行对比测试。 引入电磁场扫描技术，进行EMC预兼容测试。,尽信书不如无书！,把问题扼杀在萌芽阶段,实际问题实际解决,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,17,3.电磁兼容性的案例分析,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,18,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗 良好的电源滤波 尽可能保证地平面的完整性 信号完整性SI和电磁兼容EMC的折中,电磁兼容性的案例非常多，我们只需要掌握别人一些成熟的经验，通过实践发展自己的经验，就渐渐得心应手了,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,19,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续

9、的走线阻抗 线宽均匀 拐角圆滑 少打过孔,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,20,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗线宽均匀 传输阻抗与线宽 在高速信号的微带线上面，线宽影响传输阻抗。 印制板布线的电路模型如下： 串联电阻的典型值0.25-0.55 ohms/foot，并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的PCB连线中之后，连线上的最终阻抗称为特征阻抗Zo。 线径W越宽，距电源/地铜皮距离h越近，或隔离层的介电常数e越高，特征阻抗Z0就越小。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,21,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗线宽均匀

10、微带线跟线宽的关系 双面板的微带线模型关键参数：板厚h，铜皮厚度t，线宽W和介电常数r 。 双面电路板一般厚度：1.68mm（66mil），铜层厚度：0.05mm（2mil）； 四层板一般总厚度（上下薄膜、中间板基型）：1.58mm（62mil），中间厚度：0.9mm（35mil） 上下薄层厚度：0.33mm（14mil），铜皮厚度：0.05mm（2mil）,W,h,t,r,常用印制电路板的材料： FR-4（r在4.55之间） 75微带线：wh；50微带线：w2h；,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,22,结论：四层板微带线模型几乎完全可是适用。,思考：每一根线互为临近走线的耦

11、合回路，设计中什么问题是关键考虑？,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗线宽均匀 双面板和四层板的微带线差别 在双面板设计中，微带线模型只是近似。 在四层板设计中，微带线模型可以等效。,H=60mil (1.6mm板厚),W=10mil线宽,注意：双面板线宽线距都比板厚要小得多 HW,电力线分布,H=14mil,W=10mil线宽,注意：四层板线宽线距跟板厚要查不多 HW,临近线电力线分布很弱,GND,GND 或者 POWER,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,23,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗拐角圆滑 走线拐角圆滑 不要走90度的拐角，尽量走大拐角，因

12、为拐角处会造成传输阻抗突变，引起信号反射和畸变。,45度拐角线对于走线阻抗影响不大,大拐角减轻长线拐角带来的影响,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,24,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗拐角圆滑 过孔时候的拐角也要圆滑 过孔走线避免拐90度，避免走锐角。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,25,2.电磁兼容性的案例分析,保持连续的走线阻抗少打过孔 过孔阻抗突变效应 过孔带来相当于90度走线的突变效应，改变了走线阻抗。,利用一种新的“类似同轴的”通孔结构来避免标准通孔出现的严重阻抗失配问题。这种结构以一种特殊的配置将接地通孔放置在信号通孔四周。,阻抗受

13、控的过孔策略：,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,26,2.电磁兼容性的案例分析,良好的电源滤波 选择旁路、退耦电容设计 减少电源供电回路的面积,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,27,2.电磁兼容性的案例分析,良好的电源滤波 选择旁路、退耦电容设计,退耦电容 1100nF,旁路电容 1047uF,思考：退耦电容位置,实际滤波效果,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,28,2.电磁兼容性的案例分析,良好的电源滤波 旁路电容的作用： 减少器件对电源模块瞬间电流的需求，通常使用铝电解或者钽电解电容，容值取决于器件瞬间电流的需求，一般10470uF之间。

14、 退耦电容的作用： 去掉器件高频开关噪声，将高频 噪声引导到地，退耦电容一般选取1100nF之间。,思考：并非容值越大，退耦效果越好，为什么？,不同退耦电容有不同的谐振频率（0805封装）,思考:是否都使用大容量电容就可以解决问题呢?,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,29,2.电磁兼容性的案例分析,良好的电源滤波 减少电源供电回路的面积,VCC,GND,IC1,IC2,IC3,IC1、IC2、IC3的电源供电回路重叠，共享GND回流，回路面积S1、S2、S3也很大，相互干扰不可避免！,VCC,GND,IC1,IC2,IC3,IC1、IC2、IC3的电源供电回路重叠面积很小，电

15、源滤波容易实现。,S1,S2,S3,思考：旁路电容应该放置在什么位置？,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,30,2.电磁兼容性的案例分析,良好的电源滤波 减少电源供电回路的面积 电源、地布线靠近，减少磁辐射面积,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,31,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 回流地路径分析 地平面分割策略 地反弹现象的防止,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,32,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 回流地路径分析 不同频率信号的“地”回流路径不一样。,低频：最小电阻【最短距离】 高频：最小阻抗【最小面积

16、】,思考：如果回流路径被隔断了会怎么呢？,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,33,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 回流地路径分析 磁场型干扰产生的原因：高频信号回流面积相互重叠。,尽可能地减小环路的大小。 避免信号返回线路共享共同的路径这种情况,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,34,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 地平面分割策略,不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。,不恰当的地平面、电源平面的分割，给高速信号传输带来严重的EMI、EMC隐患。,接地点,2020/9/10,Skyw

17、orth技术交流讲座,35,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 地平面分割策略,信号线穿过地平面裂缝,地平面完整减少了大部分EMC/EMI,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,36,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 地平面分割策略,如果一定要采用分割的地，则要建立“地连接桥”。,思考：如果信号回流的桥连“地” 跟电源的公共接地点矛盾怎么办？,模拟分割优先信号回流地； 数字分割折中信号回流地和电源回流面积，建议井型布地。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,37,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 地反弹现象的防止 什

18、么是地反弹现象？,参考地平面,VCC,GND1,GND2,VI/O,II/O,VGND1,其中一个输出引脚的波形对于GND1的电位影响：,思考：如果很多IO同步翻转呢？,GND1并非参考地平面的电位，造成了所谓的地反弹现象,等效一个串接的电感,VCC,GND2,GND1,IC?,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,38,2.电磁兼容性的案例分析,尽可能保证地平面的完整性 地反弹现象的防止 降低开关速度。 增加地引线，特别是芯片内部多个地线引出引脚，在印制板上分开接地。 对输入电路分配一个地参考引脚（一般高速芯片接口都有）。 采用差分输入方式。,GND VIA,多点接地,高速输出口

19、线加入阻尼电阻,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,39,2.电磁兼容性的案例分析,信号完整性和电磁兼容性折中考虑 降低有用频率的EMC：阻尼电阻值的正确选择，或者正确使用磁珠，同时保证SI和EMC。 高频时钟信号要单独处理 高速信号总线考虑匹配措施（非完全匹配）,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,40,2.电磁兼容性的案例分析,信号完整性和电磁兼容性折中考虑 降低有用频率的EMC：阻尼电阻值的正确选择，或者正确使用磁珠，同时保证SI和EMC。,2020/9/10,Skyworth技术交流讲座,41,2.电磁兼容性的案例分析,信号完整性和电磁兼容性折中考虑 高频时钟信号要单独处理 高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）必须有地线护送【护送地线要两倍时钟走线宽度，需要“良好接地”】 发送侧串接22220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。 采用点对点连接，不打过