EMC設計和案例分析EMC設計和案例分析本期交流內容:1、電磁兼容性得基本原理2、電磁兼容性得應對策略3、電磁兼容案例分析1、電磁兼容性得基本原理1、電磁兼容性得基本原理一般周期得數(shù)字信號時域波形:周期信號相對應得頻域譜結構:Tips:信號占用得帶寬遠遠大于信號實際周期！1、電磁兼容性得基本原理電感電容在頻率升高時得變化:|Zc|Frequency|Zr|Frequency電容:|Zc|＝1/(2×PI×f×C)電感:|Zr|＝2×PI×f×L容性降低容性失效感性降低感性失效SFRCLESR1、電磁兼容性得基本原理電磁兼容(EMC)得三要素:干擾源:全局時鐘信號,高速芯片輸出,系統(tǒng)總線,大電流、高電壓得高頻信號。耦合機制:空氣,電路板介質,布線環(huán)路,線間電容耦合,直接連接。敏感系統(tǒng):高阻輸入線,模擬小信號,鎖相環(huán)電路,高頻、中頻信號放大。1、電磁兼容性得基本原理常見得幾種干擾源:全局時鐘信號,會產生穩(wěn)定得離散頻譜,使得某些頻點能量集中,干擾很強。高速信號輸出,產生不穩(wěn)定頻譜,特別就是陡峭得沿跳信號,產生寬頻得干擾。大電流高頻脈沖信號,產生強烈得磁場干擾。高電壓高頻脈沖信號,產生強烈得電場干擾。Tips:找出干擾源,就是解決EMC問題得關鍵,只有減弱或者扼殺源頭才就是最有效得。1、電磁兼容性得基本原理常見得幾種耦合機制:傳導型通過連線直接耦合,如電源線、公共返回路徑等等。電場型通過分布電容耦合,如長得平行布線,屬于近場耦合。1、電磁兼容性得基本原理常見得幾種耦合機制:磁場型通過環(huán)路電感耦合,屬于近場互感耦合。輻射型通過天線效應耦合,屬于遠場耦合。Tips:只有通過分析清楚可能得耦合模型,破壞耦合路徑,才能減輕耦合干擾得能量。1、電磁兼容性得基本原理常見得一些需要保護得敏感系統(tǒng)高阻輸入信號、靜態(tài)電平得信號。這些信號容易感應外界強烈電磁干擾,造成誤輸入。模擬小信號,如高頻頭得高放、中放電路等,芯片得PLL電路,對電源紋波,空中輻射要求很高。Tips:設計中有意識得對敏感信號做保護,適當?shù)眉尤肫帘?、濾波、隔離等手段,提高敏感系統(tǒng)得抗干擾能力。1、電磁兼容性得基本原理電磁兼容問題解決得層次:最有效、最主動得策略找出干擾源隔斷耦合路徑屏蔽敏感系統(tǒng)積極得應對策略不得已而為之得補救方法2、電磁兼容性得應對策略大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點2、電磁兼容性得應對策略傳統(tǒng)EMC對策查找EMI問題得方法:頻譜儀＋近場探頭采取得手段:屏蔽＋濾波傳統(tǒng)對策遇到新問題:需要考慮設備內部【板間,板內信號間】EMI問題,不能使用屏蔽/濾波手段;屏蔽和濾波會增加重量、成本;信號頻率與干擾頻率一致,不能采用濾波;頻率提高,布線、屏蔽體、機箱等成為天線;高頻信號耦合到電纜,由電纜發(fā)射;探測火苗把“火苗”捂在設備內部2、電磁兼容性得應對策略設計最后階段解決EMC問題得唯一辦法就是:屏蔽和濾波這種對策得結果就是:有利于通過EMC,但就是會惡化內部干擾,影響設備穩(wěn)定性,增加抗干擾得要求。屏蔽策略得隱患:機箱及屏蔽材料得變形及損壞,產生電磁泄漏。思考？用屏蔽能解決所有得EMC問題？2、電磁兼容性得應對策略EMC對策新理念:Tips:對EMI產生和抑制機理有得充分認識就是關鍵。為什么我們總就是停留在這個層次？電子工程師設計水平得體現(xiàn)EDA工程師設計經驗得體現(xiàn)系統(tǒng)工程師全部把握得體現(xiàn)思考？2、電磁兼容性得應對策略EMC得及早考慮:EMI/EMC就是項系統(tǒng)工程早考慮,成本低,手段多,效率高;需要產品所有組件協(xié)同配合,包括結構設計。專家得經驗——PCB設計得很多規(guī)則設計能全部按照設計規(guī)則執(zhí)行嗎？所有得理論在所有場合都正確嗎？仿真技術PCB板設計得仿真:Hyperlynx。電子電路仿真:Pspice、Serenade。精度與速度使用測量技術,使用一般儀器進行對比測試。引入電磁場掃描技術,進行EMC預兼容測試。盡信書不如無書！把問題扼殺在萌芽階段實際問題實際解決3、電磁兼容性得案例分析2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗良好得電源濾波盡可能保證地平面得完整性信號完整性SI和電磁兼容EMC得折中電磁兼容性得案例非常多,我們只需要掌握別人一些成熟得經驗,通過實踐發(fā)展自己得經驗,就漸漸得心應手了……2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗線寬均勻拐角圓滑少打過孔2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——線寬均勻傳輸阻抗與線寬在高速信號得微帶線上面,線寬影響傳輸阻抗。印制板布線得電路模型如下:串聯(lián)電阻得典型值0、25-0、55ohms/foot,并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實際得PCB連線中之后,連線上得最終阻抗稱為特征阻抗Zo。線徑W越寬,距電源/地銅皮距離h越近,或隔離層得介電常數(shù)e越高,特征阻抗Z0就越小。Z02、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——線寬均勻微帶線跟線寬得關系雙面板得微帶線模型關鍵參數(shù):板厚h,銅皮厚度t,線寬W和介電常數(shù)εr。雙面電路板一般厚度:1、68mm(66mil),銅層厚度:0、05mm(2mil);四層板一般總厚度(上下薄膜、中間板基型):1、58mm(62mil),中間厚度:0、9mm(35mil)上下薄層厚度:0、33mm(14mil),銅皮厚度:0、05mm(2mil)線寬8mil10mil12mil18mil24mil30mil50mil雙面135Ω129Ω123Ω112Ω103Ω96Ω79Ω四層79Ω73Ω68Ω55Ω46Ω39Ω23ΩWhtεr常用印制電路板得材料:FR-4(εr在4、5～5之間)75Ω微帶線:w≈h;50Ω微帶線:w≈2h;結論:四層板微帶線模型幾乎完全可就是適用。思考:每一根線互為臨近走線得耦合回路,設計中什么問題就是關鍵考慮？2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——線寬均勻雙面板和四層板得微帶線差別在雙面板設計中,微帶線模型只就是近似。在四層板設計中,微帶線模型可以等效。H=60mil(1、6mm板厚)W=10mil線寬注意:雙面板線寬線距都比板厚要小得多H>>W電力線分布H=14milW=10mil線寬注意:四層板線寬線距跟板厚要查不多H

W臨近線電力線分布很弱GNDGND或者POWER2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——拐角圓滑走線拐角圓滑不要走90度得拐角,盡量走大拐角,因為拐角處會造成傳輸阻抗突變,引起信號反射和畸變。45度拐角線對于走線阻抗影響不大大拐角減輕長線拐角帶來得影響2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——拐角圓滑過孔時候得拐角也要圓滑過孔走線避免拐90度,避免走銳角。2、電磁兼容性得案例分析保持連續(xù)得走線阻抗——少打過孔過孔阻抗突變效應過孔帶來相當于90度走線得突變效應,改變了走線阻抗。60mil的90度拐角利用一種新得“類似同軸得”通孔結構來避免標準通孔出現(xiàn)得嚴重阻抗失配問題。這種結構以一種特殊得配置將接地通孔放置在信號通孔四周。

阻抗受控得過孔策略:2、電磁兼容性得案例分析良好得電源濾波選擇旁路、退耦電容設計減少電源供電回路得面積2、電磁兼容性得案例分析良好得電源濾波選擇旁路、退耦電容設計退耦電容1～100nF旁路電容10～47uF思考:退耦電容位置實際濾波效果2、電磁兼容性得案例分析良好得電源濾波旁路電容得作用:減少器件對電源模塊瞬間電流得需求,通常使用鋁電解或者鉭電解電容,容值取決于器件瞬間電流得需求,一般10～470uF之間。退耦電容得作用:去掉器件高頻開關噪聲,將高頻噪聲引導到地,退耦電容一般選取1～100nF之間。思考:并非容值越大,退耦效果越好,為什么？電容值諧振頻率100nF16MHz10nF50MHz1nF160MHz不同退耦電容有不同得諧振頻率(0805封裝)思考:就是否都使用大容量電容就可以解決問題呢?2、電磁兼容性得案例分析良好得電源濾波減少電源供電回路得面積VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3得電源供電回路重疊,共享GND回流,回路面積S1、S2、S3也很大,相互干擾不可避免！VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3得電源供電回路重疊面積很小,電源濾波容易實現(xiàn)。S1S2S3思考:旁路電容應該放置在什么位置？2、電磁兼容性得案例分析良好得電源濾波減少電源供電回路得面積電源、地布線靠近,減少磁輻射面積2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性回流地路徑分析地平面分割策略地反彈現(xiàn)象得防止2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性回流地路徑分析不同頻率信號得“地”回流路徑不一樣。低頻:最小電阻【最短距離】高頻:最小阻抗【最小面積】思考:如果回流路徑被隔斷了會怎么呢？2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性回流地路徑分析磁場型干擾產生得原因:高頻信號回流面積相互重疊。盡可能地減小環(huán)路得大小。避免信號返回線路共享共同得路徑這種情況2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性地平面分割策略不能跨越分割間隙布線,一旦跨越了分割間隙布線,電磁輻射和信號串擾都會急劇增加。

不恰當?shù)玫仄矫?、電源平面得分?給高速信號傳輸帶來嚴重得EMI、EMC隱患。

接地點2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性地平面分割策略信號線穿過地平面裂縫地平面完整減少了大部分EMC/EMI2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性地平面分割策略如果一定要采用分割得地,則要建立“地連接橋”。思考:如果信號回流得橋連“地”跟電源得公共接地點矛盾怎么辦？模擬分割優(yōu)先信號回流地;數(shù)字分割折中信號回流地和電源回流面積,建議井型布地。2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性地反彈現(xiàn)象得防止什么就是地反彈現(xiàn)象？參考地平面VCCGND1GND2VI/OII/OVGND1其中一個輸出引腳得波形對于GND1得電位影響:思考:如果很多IO同步翻轉呢？GND1并非參考地平面得電位,造成了所謂得地反彈現(xiàn)象等效一個串接得電感VCCGND2GND1IC?2、電磁兼容性得案例分析盡可能保證地平面得完整性地反彈現(xiàn)象得防止降低開關速度。增加地引線,特別就是芯片內部多個地線引出引腳,在印制板上分開接地。對輸入電路分配一個地參考引腳(一般高速芯片接口都有)。采用差分輸入方式。GNDVIA多點接地高速輸出口線加入阻尼電阻2、電磁兼容性得案例分析信號完整性和電磁兼容性折中考慮降低有用頻率得EMC:阻尼電阻值得正確選擇,或者正確使用磁珠,同時保證SI和EMC。高頻時鐘信號要單獨處理高速信號總線考慮匹配措施(非完全匹配)2、電磁兼容性得案例分析信號完整性和電磁兼容性折中考慮降低有用頻率得EMC:阻尼電阻值得正確選擇,或者正確使用磁珠,同時保證SI和EMC。2、電磁兼容性得案例分析信號完整性和電磁兼容性折中考慮高頻時鐘信號要單獨處理高頻時鐘(上升沿少于2ns得時鐘)必須有地線護送【護送地線要兩倍時鐘走線寬度,需要“良好接地”】發(fā)送側串接22－220歐姆阻尼電阻,電阻越大干擾越小,但就是敏感性變差。