PCB部落格 - PCB板設計中的電磁相容/電磁干擾控制科技

本文介紹了數位電路中的電磁干擾控制科技 PCB電路板 設計. 隨著集成電路器件集成度的提高, 設備的逐漸小型化和設備的增長速度, 電子產品中的電磁干擾問題也更加嚴重. 從系統設備EMC的角度來看/電磁干擾設計, 與EMC打交道/電磁干擾問題 PCB板 設備的設計階段是使系統設備滿足電磁相容性標準的有效且經濟的手段.

1 Principles of EM我 generation and suppression
EMI arises from sources of electromagnetic interference that transfer energy to sensitive systems through coupling paths. 它包括3種基本形式：導線傳導或公共接地, 空間輻射, 或通過近場耦合. 電磁干擾的危害在於降低傳輸訊號的質量, 對電路或設備造成干擾甚至損壞, 使設備不能滿足電磁相容標準中規定的技術指標要求. 為了抑制電磁干擾, 數位電路的電磁干擾設計應根據以下原則進行：根據相關的電磁相容性/電磁干擾技術規範, 名額分解為單板電路並分階段控制. 從電磁干擾的3個要素, 那就是, 干擾源, 能量耦合路徑和敏感系統, 對其進行控制，使電路具有平坦的頻率回應，並確保電路的正常穩定運行. 從設備的前端設計開始, 關注EMC/電磁干擾設計, 降低設計成本.

2. 數位電路的電磁干擾控制科技 PCB板
在處理各種形式的電磁干擾時, 必須分析具體問題. 在 PCB板 數位電路設計, 電磁干擾控制可以從以下方面進行.

2.1 Device Selection
在EMI設計中, 首先要考慮的是所選設備的速度. 任何將上升時間為5ns的設備替換為上升時間為2 ns的設備的電路.5ns上升時間將使EMI新增約4倍. 電磁干擾的輻射强度與頻率的平方成正比, 和 EMI frequency (fknee) is also called the EMI emission bandwidth, 這是訊號上升時間而不是訊號頻率的函數：fknee=0.35/Tr (where Tr is the signal rise time of the device) . 這種輻射EMI的頻率範圍為30MHz至數GHz, 在這個頻段, 波長很短，即使電路板上很短的接線也可以成為發射天線. EMI高時, 電路往往會失去正常功能. 因此, 在設備選擇方面, 在保證電路效能要求的前提下, 應盡可能使用低速晶片, 以及適當的駕駛/應使用接收電路. 此外, 由於器件的引線引脚具有寄生電感和寄生電容, 在高速設計中, 器件封裝形式對訊號的影響不容忽視, 因為它也是電磁干擾輻射的一個重要因素. 通常地, SMD器件的寄生參數比插入式器件的寄生參數小, BGA封裝的寄生參數比QFP封裝的寄生參數小.

2.2 Connector selection and signal terminal definition
Connector is the key link of high-speed signal transmission, 這也是容易產生電磁干擾的薄弱環節. 在連接器的端子設計中, 可以佈置更多接地引脚，以减少訊號與地面之間的距離, 减少連接器中產生輻射的有效訊號回路面積, 並提供低阻抗返回路徑. 如有必要, 考慮用接地引脚隔離一些關鍵訊號.

2.3 Laminate Design
Under the premise of cost permitting, 新增接地層的數量並將訊號層放置在接地層旁邊可以减少EMI輻射. 用於高速 PCB板s, 電源和接地層緊密耦合，以降低電源阻抗, 從而减少電磁干擾.

2.4 Layout
According to the signal current flow, 合理的佈局可以减少訊號之間的干擾. 正確的佈局是控制電磁干擾的關鍵. 佈局的基本原則是：類比信號容易受到數位信號的干擾, 類比電路應與數位電路分開； 時鐘線是干擾和輻射的主要來源, 囙此，應遠離敏感電路，並保持時鐘軌跡短； 應盡可能避免在電路板的中心區域使用功耗電路, 同時考慮散熱和輻射的影響； 連接器應盡可能佈置在電路板的一側, 遠離高頻電路； 輸入/輸出電路靠近相應的接頭, 去耦電容器靠近相應的電源引脚； 充分考慮分區佈置的可行性, multi-power devices should be placed across the boundary of 權力 division area to effectively reduce the impact of plane division on EMI; the return plane (path) is not divided.

2.5 Wiring
Impedance control: High-speed signal lines exhibit the characteristics of transmission lines, 需要進行阻抗控制以避免訊號反射, 過沖和振鈴, 减少電磁干擾輻射.
對訊號進行分類, and separate the interference source from the sensitive system as much as possible according to the EMI radiation intensity and sensitivity of different signals (analog signal, 時鐘訊號, I/O訊號, 公共汽車, 電源, 等.) to reduce coupling. 嚴格控制軌跡長度, 過孔數量, 交叉分區, 終止, 佈線層, 返回路徑, 等. of clock signals (especially high-speed clock signals).
訊號回路, 那就是, 由訊號流出到訊號流入形成的環路, 是電磁干擾控制的關鍵 PCB板 必須在接線過程中進行控制. 瞭解每個關鍵訊號的流向, 將關鍵訊號佈置在靠近返回路徑的地方，以確保其環路區域. 對於低頻訊號, 使電流流過電阻器的路徑； 對於高頻訊號, 使高頻電流流過電感器的路徑, 不是電阻器. 差模輻射, the EMI radiation intensity (E) is proportional to the current, 電流回路的面積, 頻率的平方. (where I is the current, A是環路區域, f是頻率, r是到回路中心的距離, k是一個常數.) Therefore, 當電感器回路剛好位於訊號線下方時, 電流回路面積可以减小, 從而减少EMI輻射能量. 關鍵訊號不得穿過分段區域. 高速差分訊號軌跡應盡可能緊密耦合. 確保帶狀線, 微帶線, 其基準面滿足要求. 去耦電容器的引線應短而寬. 所有訊號跡線應盡可能遠離電路板邊緣. 對於多點連接網絡, 選擇適當的拓撲以减少訊號反射和EMI發射.

2.6 Split Processing of Power Plane
For the division of the power supply layer, 當主電源平面上有一個或多個子電源時, 應確保每個電源區域的連續性和足够的銅箔寬度. 分界線不需要太寬, 通常為20至50密耳的線寬，以减少間隙輻射. 用於劃分地面層, 應保持地平面層的完整性，以避免分裂. 如果必須分開, 區分數位地面, 類比接地和雜訊接地, 並通過出口處的公共接地點將其連接到外部接地. 為了减少電源的邊緣輻射, the power/地平面應遵循20H設計原則, 那就是, 地平面的尺寸比電源平面的尺寸大20H, 使邊緣場輻射强度降低70%.

3. Other control methods for EMI
3.1 Power System Design
Design a low impedance power system to ensure that the impedance of the power distribution system in the sub-fknee frequency range is lower than the target impedance. 使用濾波器控制傳導干擾. 電源去耦. In EMI design, 提供合理的去耦電容可以使晶片可靠工作, 降低電源中的高頻雜訊, 减少電磁干擾. 由於導線電感和其他寄生參數的影響, 電源及其電源線響應緩慢, 這會導致高速電路中驅動器所需的暫態電流不足. 合理設計電源層的旁路或去耦電容器和分佈式電容器，可以在電源響應之前利用電容器的儲能效應快速向設備提供電流. 適當的電容去耦提供了低阻抗功率路徑, 這是降低共模電磁干擾的關鍵.

3.2 Grounding
Grounding design is the key to reducing the EMI of the whole board. 確保使用單點接地, 多點接地或混合接地. 數位地面, 類比接地, 和雜訊地面應分開, 應確定合適的公共接地點. 如果雙面設計中沒有地線層, 合理地設計接地網是非常重要的, and the width of the ground wire > the width of the power wire > the width of the signal wire should be ensured. 也可以使用大面積攤鋪方法, 但應注意的是，同一層上大面積地面的連續性更好. 用於多層板設計, 確保有一個接地層來降低公共接地阻抗.

3.3 Damping resistor in series
Under the premise that the circuit timing requirements allow, 抑制干擾源的基本科技是在關鍵訊號輸出端串聯插入一個小電阻值, 通常為22-33Î. 在輸出端串聯小電阻可以減緩上升速度/下降時間並平滑過沖和欠沖訊號, 從而降低輸出波形的高頻諧波幅度，有效抑制EMI.

3.4 Shield
Critical components can use EMI shielding 材料 or shielding mesh. 關鍵訊號的遮罩可以設計為帶狀線或通過關鍵訊號兩側的地線隔離.

3.5 Spread Spectrum
Spread spectrum (spread spectrum) method is a new effective method to reduce EMI. 擴頻是對訊號進行調製，將訊號能量擴展到相對較寬的頻率範圍. 有效, 該方法是時鐘訊號的受控調製, 這不會顯著增加時鐘訊號的抖動. 實際應用證明，擴頻科技是有效的, 將排放量减少7至20 dB.

3.6 EMI Analysis and Testing
Simulation analysis: After the PCB板 接線完成, 電磁干擾模擬軟件和系統可用於模擬分析，以類比電磁相容/電磁干擾環境，以評估產品是否符合相關電磁相容性標準的要求. 掃描測試, 組裝並通電後，使用電磁輻射掃描儀掃描機器磁片, 並獲得 PCB板,並改進 PCB板 根據測試結果進行設計.

4. Summary
With the continuous development and application of new high-speed chips, 訊號頻率越來越高, and the PCB板攜帶它們的s可能會變得越來越小. PCB板 設計將面臨更嚴峻的電磁干擾挑戰. 只有不斷探索和創新，EMC才能/電磁干擾設計 PCB板 取得成功.