EMCPCB設(shè)計(jì)技術(shù)

1、EMC PCB設(shè)計(jì)技術(shù)一、 基礎(chǔ)知識1. 差模電流和共模電流關(guān)于輻射的一個(gè)重要基本觀念是“電流導(dǎo)致輻射，而非電壓”。靜態(tài)電荷產(chǎn)生靜電場，恒定電流產(chǎn)生磁場，時(shí)變電流即產(chǎn)生電場又產(chǎn)生磁場。在任何電路中都存在共模電流和差模電流。一般來說，差分模式信號攜帶數(shù)據(jù)或有用信號（信息）。共模模式是差分模式的負(fù)面效果。2. 差模電流大小相等，方向（相位）相反。由于走線的分布電容、電感，信號走線阻抗不連續(xù)，以及信號回流路徑流過了意料之外的通路等，差模電流會轉(zhuǎn)換成共模電流。3. 共模電流大小不一定相等，方向（相位）相同。設(shè)備對外的干擾多以共模為主，差模干擾也存在，但是共模干擾強(qiáng)度常常比差模強(qiáng)度的大幾個(gè)數(shù)量級。外來的

2、干擾也多以共模干擾為主，共模干擾本身一般不會對設(shè)備產(chǎn)生危害，但是如果共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，干擾就嚴(yán)重了，因?yàn)橛杏眯盘柖际遣钅８蓴_。4. 共模電流和差模電流的磁場分布差模電流的磁場主要集中在差模電流構(gòu)成的回路面積之內(nèi)，而回路面積之外的磁力線會相互抵消；而共模電流的磁場，在回路面積之外，共模電流產(chǎn)生的磁場方向相同，磁場強(qiáng)度反而加強(qiáng)。這個(gè)概念非常重要，PCB的很多EMC設(shè)計(jì)都遵循這個(gè)規(guī)則。5. 差模輻射何共模輻射模型6. 差模輻射何共模輻射場強(qiáng)計(jì)算公式共模輻射場強(qiáng)： E =1.26× I × L × f / r其中： I為共模電流強(qiáng)度；L為共模電流路徑長度；f為共模電

3、流頻率；r為測試點(diǎn)距離共模路徑的距離。差模輻射場強(qiáng)： E = 6 .2 × I × A× f 2/ r其中： I為差模電流強(qiáng)度；A為差模電流環(huán)路面積；f為差模電流頻率；r為測試點(diǎn)距離差模環(huán)路的距離。7. 總結(jié)：在線路板上抑制干擾的途徑有：1、 減小差模信號回路面積；2、 減小高頻噪聲電流（濾波、隔離及匹配）；3、 減小共模電壓（接地設(shè)計(jì)）。在PCB的EMC設(shè)計(jì)范疇中，上述的1、3點(diǎn)是PCB EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目的。二、 PCB分層設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)原則】：時(shí)鐘頻率超過5MHz，或信號上升時(shí)間小于5ns時(shí)，一般需要使用多層板設(shè)計(jì)。【原理分析】：采用多層板設(shè)計(jì)時(shí)，信號回路面積能

4、夠得到很好的控制。【設(shè)計(jì)原則】：對于多層板，關(guān)鍵布線層（時(shí)鐘線、總線、接口信號線、射頻線、復(fù)位信號線、片選信號線以及各種控制信號線等所在層）應(yīng)與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間?！驹矸治觥浚宏P(guān)鍵信號線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號線，靠近地平面布線能夠使其信號回路面積減小，減小其輻射強(qiáng)度或提高抗干擾能力?！驹O(shè)計(jì)原則】：對于單層板，關(guān)鍵信號線兩側(cè)應(yīng)該布“Guide Ground Line”?！驹矸治觥浚宏P(guān)鍵信號線兩側(cè)地“保護(hù)地線”一方面可以減小信號回路面積，另外，還可以防止信號線與其他信號線之間地串?dāng)_?！驹O(shè)計(jì)原則】：對于雙層板來說，要求關(guān)鍵信號線地投影平面上有大面積鋪地，或者同單層板地處理辦

5、法，設(shè)計(jì)“GuideGround Line”。【原理分析】：原因同多層板中的“關(guān)鍵信號線靠近地平面布線”?！驹O(shè)計(jì)原則】：多層板中，電源平面應(yīng)相對于其相鄰地平面內(nèi)縮（建議值5H20H）。【原理分析】：電源平面相對于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制“邊緣輻射”問題?！驹O(shè)計(jì)原則】：布線層的投影平面應(yīng)該在其回流平面層區(qū)域內(nèi)。【原理分析】：布線層如果不在其回流平面層地投影區(qū)域內(nèi)，在布線時(shí)將會有信號線在投影區(qū)域外，導(dǎo)致“邊緣輻射”問題，并且還會導(dǎo)致信號回路面積地增大，導(dǎo)致差模輻射增大?！驹O(shè)計(jì)原則】：在多層板中，單板TOP、BOTTOM層是否無50MHz的信號線?！驹矸治觥浚鹤詈脤⒏哳l信號走在兩個(gè)平面層之間，

6、以抑制其對空間的輻射?！驹O(shè)計(jì)原則】：對于板級工作頻率50MHz的單板，若第二層與倒數(shù)第二層為布線層、則TOP、BOTTOM層應(yīng)鋪接地銅箔。【原理分析】：同上【設(shè)計(jì)原則】：多層板中，單板主工作電源平面（使用最廣泛的電源平面）應(yīng)與其地平面緊鄰?！驹矸治觥浚弘娫雌矫婧偷仄矫嫦噜彛梢杂行У販p小電源電流的回路面積?！驹O(shè)計(jì)原則】：在單層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。【原理分析】：減小電源電流回路面積。【設(shè)計(jì)原則】：在雙層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線?！驹矸治觥浚簻p小電源電流回路面積?！驹O(shè)計(jì)原則】：在分層設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免布線層相鄰的設(shè)置。如果無法避免布線層相鄰，應(yīng)該

7、適當(dāng)拉大兩布線層之間的層間距，縮小布線層與其信號回路之間的層間距?！驹矸治觥浚合噜彶季€層上的平行信號走線會導(dǎo)致信號串?dāng)_?！驹O(shè)計(jì)原則】：相鄰平面層應(yīng)避免其投影平面重疊?！驹矸治觥浚和队爸丿B時(shí)，層與層之間的耦合電容會導(dǎo)致各層之間的噪聲互相耦合。【推薦分層設(shè)計(jì)】：層數(shù) 1 2 3 4 5 6 74 S1 G1 P1 S26 S1 G1 S2 P1 G2 S36 S1 G1 S2 S3 P1 S48 S1 G1 S2 G2 P1 S3 G3 S48 S1 G1 S2 P1 G2 S3 P2 S410 S1 G1 S2 P1 S3 G2 P2 S4 G3 S510 S1 G1 S2 S3 G2 P1

8、 S4 S5 G3 S6三、PCB布局設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)原則】：PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分遵守沿信號流向直線放置的設(shè)計(jì)原則，盡量避免來回環(huán)繞?！驹矸治觥浚罕苊庑盘栔苯玉詈希绊懶盘栙|(zhì)量?！驹O(shè)計(jì)原則】：多種模塊電路在同一PCB上放置時(shí)，數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開布局?！驹矸治觥浚罕苊鈹?shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾?！驹O(shè)計(jì)原則】：當(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí)，應(yīng)該遵從下圖中的布局原則?！驹矸治觥浚罕苊飧哳l電路噪聲通過接口向外輻射。其他有噪聲電路【設(shè)計(jì)原則】：存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器）附近應(yīng)放置儲能和高頻濾波電容

9、?！驹矸治觥浚簝δ茈娙莸拇嬖诳梢詼p小大電流回路的回路面積?！驹O(shè)計(jì)原則】：線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置?！驹矸治觥浚罕苊庖呀?jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合?！驹O(shè)計(jì)原則】：在PCB板上，接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件應(yīng)該靠近接口放置?！驹矸治觥浚嚎梢杂行У膶?shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。【設(shè)計(jì)原則】：如果接口處既有濾波又有防護(hù)電路，應(yīng)該遵從先防護(hù)后濾波的原則?！驹矸治觥浚悍雷o(hù)電路用來進(jìn)行外來過壓和過流抑制，如果將防護(hù)電路放置在濾波電路之后，濾波電路會被過壓和過流損壞。【設(shè)計(jì)原則】：布局時(shí)要保證濾波電路（濾波器）、隔離以及防護(hù)電路的輸入輸出線不要相互耦合?！驹矸治觥浚荷鲜鲭娐返妮斎?/p>

10、輸出走線相互耦合時(shí)會削弱濾波、隔離或防護(hù)效果?！驹O(shè)計(jì)原則】：單板上如果設(shè)計(jì)了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應(yīng)放置在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。非平衡線【原理分析】：避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合，削弱效果。【設(shè)計(jì)原則】：“干凈地”上，除了濾波和防護(hù)器件之外，不能放置任何其他器件?！驹矸治觥浚骸案蓛舻亍痹O(shè)計(jì)的目的是保證接口輻射最小，并且“干凈地”極易被外來干擾耦合，所以“干凈地” 上不要有其他無關(guān)的電路和器件?！驹O(shè)計(jì)原則】：晶體、晶振、繼電器、開關(guān)電源等強(qiáng)輻射器件遠(yuǎn)離單板接口連接器至少1000mil。【原理分析】：將干擾會直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來向外輻射?！驹O(shè)計(jì)原則

11、】：敏感電路或器件（如復(fù)位電路、WATCHDOG電路等）遠(yuǎn)離單板各邊緣特別是單板接口側(cè)邊緣至少1000mil?！驹矸治觥浚侯愃朴趩伟褰涌诘鹊胤绞亲钊菀妆煌鈦砀蓴_（如靜電）耦合的地方，而象復(fù)位電路、看門狗電路等敏感電路極易引起系統(tǒng)的誤操作。【設(shè)計(jì)原則】：為IC濾波的各濾波電容應(yīng)盡可能靠近芯片的供電管腳放置?！驹矸治觥浚弘娙蓦x管腳越近，高頻回路面積越小，從而輻射越小?！驹O(shè)計(jì)原則】：對于始端串聯(lián)匹配電阻，應(yīng)靠近其信號輸出端放置?！驹矸治觥浚菏级舜?lián)匹配電阻的設(shè)計(jì)原理是ZS四、PCB布線設(shè)計(jì)【設(shè)計(jì)原則】：PCB走線不能有直角走線?！驹矸治觥浚褐苯亲呔€導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致信號發(fā)射，從而產(chǎn)生振鈴或

12、過沖，形成強(qiáng)烈的EMI輻射?！驹O(shè)計(jì)原則】：PCB走線特別是時(shí)鐘線與總線的粗細(xì)應(yīng)保持一致?！驹矸治觥浚捍旨?xì)不一致時(shí)，走線阻抗會發(fā)生突變，導(dǎo)致如同前頁中的問題?！驹O(shè)計(jì)原則】：盡可能避免相鄰布線層的層設(shè)置，無法避免時(shí)，盡量使兩布線層中的走線相互垂直或平行走線長度小于1000mil。【原理分析】：減小平行走線之間的串?dāng)_。【設(shè)計(jì)原則】：如果單板有內(nèi)部信號走線層，則時(shí)鐘等關(guān)鍵信號線布在內(nèi)層（優(yōu)先考慮優(yōu)選布線層）?！驹矸治觥浚簩㈥P(guān)鍵信號布在內(nèi)部走線層可以起到屏蔽作用?！驹O(shè)計(jì)原則】：時(shí)鐘線兩側(cè)建議包地線，包地線每隔3000mil接地?！驹矸治觥浚罕ＷC包地線上各點(diǎn)電位相等。【設(shè)計(jì)原則】：時(shí)鐘、總線、射頻線

13、等關(guān)鍵信號走線和其他同層平行走線應(yīng)滿足3W原則?！驹矸治觥浚罕苊庑盘栔g的串?dāng)_?！驹O(shè)計(jì)原則】：電流1A的電源所用的表貼保險(xiǎn)絲、磁珠、電感、鉭電容的焊盤應(yīng)不不少于兩個(gè)過孔接到平面層?！驹矸治觥浚簻p小過孔等效阻抗?！驹O(shè)計(jì)原則】：差分信號線應(yīng)同層、等長、并行走線，保持阻抗一致，差分線間無其它走線?！驹矸治觥浚罕ＷC差分線對的共模阻抗相等，提高其抗干擾能力?！驹O(shè)計(jì)原則】：關(guān)鍵信號走線一定不能跨分割區(qū)走線（包括過孔、焊盤導(dǎo)致的參考平面間隙）?！驹矸治觥浚嚎绶指顓^(qū)走線會導(dǎo)致信號回路面積的增大?！驹O(shè)計(jì)原則】：信號線跨其回流平面分割地情況不可避免時(shí)，建議在信號跨分割附近采用橋接電容方式處理，電容取值為1

14、nF?！驹矸治觥浚盒盘柨绶指顣r(shí)，常常會導(dǎo)致其回路面積增大，采用橋接地方式是人為的為其設(shè)置信號回路?！驹O(shè)計(jì)原則】：單板上的濾波器（濾波電路）下方不要有其他無關(guān)信號走線。【原理分析】：分布電容會削弱濾波器的濾波效果。【設(shè)計(jì)原則】：濾波器（濾波電路）的輸入、輸出信號線不能相互平行、交叉走線。【原理分析】：避免濾波前后的走線直接噪聲耦合。【設(shè)計(jì)原則】：關(guān)鍵信號線距參考平面邊沿3H（H為線距離參考平面的高度）?！驹矸治觥浚阂种七吘壿椛湫?yīng)。【設(shè)計(jì)原則】：對于金屬外殼接地元件，應(yīng)在其投影區(qū)的頂層上鋪接地銅皮。【原理分析】：通過金屬外殼和接地銅皮之間的分布電容來抑制其對外輻射和提高抗擾度?！驹O(shè)計(jì)原則】：

15、在單層板或雙層板中，布線時(shí)應(yīng)該注意“回路面積最小化”設(shè)計(jì)?！驹矸治觥浚夯芈访娣e越小、回路對外輻射越小，并且抗干擾能力越強(qiáng)?！驹O(shè)計(jì)原則】：信號線（特別是關(guān)鍵信號線）換層時(shí)，應(yīng)在其換層過孔附近設(shè)計(jì)地過孔。【原理分析】：如上圖所示，可以減小信號回路面積?！驹O(shè)計(jì)原則】：時(shí)鐘線、總線、射頻線等強(qiáng)輻射信號線遠(yuǎn)離接口外出信號線?！驹矸治觥浚罕苊鈴?qiáng)輻射信號線上的干擾耦合到外出信號線上，向外輻射?！驹O(shè)計(jì)原則】：敏感信號線如復(fù)位信號線、片選信號線、系統(tǒng)控制信號等遠(yuǎn)離接口外出信號線?！驹矸治觥浚航涌谕獬鲂盘柧€常常帶進(jìn)外來干擾，耦合到敏感信號線時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作?！驹O(shè)計(jì)原則】：在單面板和雙面板中，濾波電容的走線應(yīng)先經(jīng)濾波電容濾波，再到器件管腳?！驹矸治觥浚菏闺娫措妷合冉?jīng)過濾波再給IC供電，并且IC回饋給電源的噪聲也會被電容先濾掉。【設(shè)計(jì)原則】：在單面板或雙面板中，如果電源線走線很長，應(yīng)每隔3000mil對地加去耦合電容，電容取值為10uF1000pF?！驹矸治觥浚簽V除電源線上地高頻噪聲?！驹O(shè)計(jì)原則】：濾波電容的接地線和接電源線應(yīng)該盡可能粗、短。【原理分析】：等效串聯(lián)電感會降低電容的諧振頻率