EMC設(shè)計(jì)和案例分析.

1、技術(shù)講座系列EMC設(shè)計(jì)和案例分析Skyworth系列技術(shù)交流之二7/23/20221Skyworth技術(shù)交流講座EMC設(shè)計(jì)和案例分析本期交流內(nèi)容：1.電磁兼容性的基本原理2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略3.電磁兼容案例分析7/23/20222Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理7/23/20223Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理一般周期的數(shù)字信號(hào)時(shí)域波形：周期信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻域譜結(jié)構(gòu)：Tips：信號(hào)占用的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)實(shí)際周期！7/23/20224Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理電感電容在頻率升高時(shí)的變化：|Zc|Frequency|Zr|Fre

2、quency電容：|Zc|1/(2PIfC)電感：|Zr|2PIfL容性降低容性失效感性降低感性失效SFRCLESR7/23/20225Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理電磁兼容（EMC）的三要素：干擾源：全局時(shí)鐘信號(hào)，高速芯片輸出，系統(tǒng)總線，大電流、高電壓的高頻信號(hào)。耦合機(jī)制：空氣，電路板介質(zhì)，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(hào)，鎖相環(huán)電路，高頻、中頻信號(hào)放大。7/23/20226Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種干擾源：全局時(shí)鐘信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的離散頻譜，使得某些頻點(diǎn)能量集中，干擾很強(qiáng)。高速信號(hào)輸出，產(chǎn)生不穩(wěn)定頻

3、譜，特別是陡峭的沿跳信號(hào)，產(chǎn)生寬頻的干擾。大電流高頻脈沖信號(hào)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)干擾。高電壓高頻脈沖信號(hào)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場(chǎng)干擾。Tips：找出干擾源，是解決EMC問題的關(guān)鍵，只有減弱或者扼殺源頭才是最有效的。7/23/20227Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種耦合機(jī)制：傳導(dǎo)型通過連線直接耦合，如電源線、公共返回路徑等等。電場(chǎng)型通過分布電容耦合，如長(zhǎng)的平行布線，屬于近場(chǎng)耦合。7/23/20228Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種耦合機(jī)制：磁場(chǎng)型通過環(huán)路電感耦合，屬于近場(chǎng)互感耦合。輻射型通過天線效應(yīng)耦合，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)耦合。Tips：只有通過分析清楚可

4、能的耦合模型，破壞耦合路徑，才能減輕耦合干擾的能量。7/23/20229Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的一些需要保護(hù)的敏感系統(tǒng)高阻輸入信號(hào)、靜態(tài)電平的信號(hào)。這些信號(hào)容易感應(yīng)外界強(qiáng)烈電磁干擾，造成誤輸入。模擬小信號(hào)，如高頻頭的高放、中放電路等，芯片的PLL電路，對(duì)電源紋波，空中輻射要求很高。Tips：設(shè)計(jì)中有意識(shí)的對(duì)敏感信號(hào)做保護(hù)，適當(dāng)?shù)募尤肫帘?、濾波、隔離等手段，提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力。7/23/202210Skyworth技術(shù)交流講座1.電磁兼容性的基本原理電磁兼容問題解決的層次：最有效、最主動(dòng)的策略找出干擾源隔斷耦合路徑屏蔽敏感系統(tǒng)積極的應(yīng)對(duì)策略不得已而為之的補(bǔ)

5、救方法7/23/202211Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略7/23/202212Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略傳統(tǒng)EMC對(duì)策查找EMI問題的方法：頻譜儀近場(chǎng)探頭采取的手段：屏蔽濾波傳統(tǒng)對(duì)策遇到新問題：需要考慮設(shè)備內(nèi)部【板間，板內(nèi)信號(hào)間】EMI問題，不能使用屏蔽/濾波手段；屏蔽和濾波會(huì)增加重量、成本；信號(hào)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(jī)箱等成為天線；高頻信號(hào)耦合到電纜，由電纜發(fā)射；探測(cè)火苗把“火苗”捂在設(shè)備內(nèi)部7/23/202213Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略設(shè)計(jì)最后階段解決EMC問題的唯一辦法是：屏

6、蔽和濾波這種對(duì)策的結(jié)果是：有利于通過EMC，但是會(huì)惡化內(nèi)部干擾，影響設(shè)備穩(wěn)定性，增加抗干擾的要求。屏蔽策略的隱患：機(jī)箱及屏蔽材料的變形及損壞，產(chǎn)生電磁泄漏。思考？用屏蔽能解決所有的EMC問題？7/23/202214Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略EMC對(duì)策新理念：Tips：對(duì)EMI產(chǎn)生和抑制機(jī)理有的充分認(rèn)識(shí)是關(guān)鍵。為什么我們總是停留在這個(gè)層次？電子工程師設(shè)計(jì)水平的體現(xiàn)EDA工程師設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)系統(tǒng)工程師全部把握的體現(xiàn)思考？7/23/202215Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的應(yīng)對(duì)策略EMC的及早考慮：EMI/EMC是項(xiàng)系統(tǒng)工程早考慮 ，成本低，手段多，效率高；需

7、要產(chǎn)品所有組件協(xié)同配合，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。專家的經(jīng)驗(yàn)PCB設(shè)計(jì)的很多規(guī)則設(shè)計(jì)能全部按照設(shè)計(jì)規(guī)則執(zhí)行嗎？所有的理論在所有場(chǎng)合都正確嗎？仿真技術(shù)PCB板設(shè)計(jì)的仿真：Hyperlynx。電子電路仿真：Pspice、Serenade。精度與速度使用測(cè)量技術(shù)，使用一般儀器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。引入電磁場(chǎng)掃描技術(shù)，進(jìn)行EMC預(yù)兼容測(cè)試。盡信書不如無書！把問題扼殺在萌芽階段實(shí)際問題實(shí)際解決7/23/202216Skyworth技術(shù)交流講座3.電磁兼容性的案例分析7/23/202217Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗良好的電源濾波盡可能保證地平面的完整性信號(hào)完整性SI和電磁兼容EMC

8、的折中電磁兼容性的案例非常多，我們只需要掌握別人一些成熟的經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)踐發(fā)展自己的經(jīng)驗(yàn)，就漸漸得心應(yīng)手了7/23/202218Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗線寬均勻拐角圓滑少打過孔7/23/202219Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗線寬均勻傳輸阻抗與線寬在高速信號(hào)的微帶線上面，線寬影響傳輸阻抗。印制板布線的電路模型如下：串聯(lián)電阻的典型值0.25-0.55 ohms/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(shí)際的PCB連線中之后，連線上的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

9、，或隔離層的介電常數(shù)e越高，特征阻抗Z0就越小。Z07/23/202220Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗線寬均勻微帶線跟線寬的關(guān)系雙面板的微帶線模型關(guān)鍵參數(shù)：板厚h，銅皮厚度t，線寬W和介電常數(shù)r 。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1351291231

10、121039679四層79736855463923Whtr 常用印制電路板的材料： FR-4（r在4.55之間）75微帶線：wh；50微帶線：w2h；7/23/202221Skyworth技術(shù)交流講座結(jié)論：四層板微帶線模型幾乎完全可是適用。思考：每一根線互為臨近走線的耦合回路，設(shè)計(jì)中什么問題是關(guān)鍵考慮？2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗線寬均勻雙面板和四層板的微帶線差別在雙面板設(shè)計(jì)中，微帶線模型只是近似。在四層板設(shè)計(jì)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HW電力線分布H=14milW=10mil線寬注意：四層板線寬

11、線距跟板厚要查不多HW臨近線電力線分布很弱GNDGND 或者 POWER7/23/202222Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗拐角圓滑走線拐角圓滑不要走90度的拐角，盡量走大拐角，因?yàn)楣战翘帟?huì)造成傳輸阻抗突變，引起信號(hào)反射和畸變。45度拐角線對(duì)于走線阻抗影響不大大拐角減輕長(zhǎng)線拐角帶來的影響7/23/202223Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗拐角圓滑過孔時(shí)候的拐角也要圓滑過孔走線避免拐90度，避免走銳角。7/23/202224Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗少打過孔過孔阻抗突變效應(yīng)

12、過孔帶來相當(dāng)于90度走線的突變效應(yīng)，改變了走線阻抗。60mil的90度拐角利用一種新的“類似同軸的”通孔結(jié)構(gòu)來避免標(biāo)準(zhǔn)通孔出現(xiàn)的嚴(yán)重阻抗失配問題。這種結(jié)構(gòu)以一種特殊的配置將接地通孔放置在信號(hào)通孔四周。 阻抗受控的過孔策略：7/23/202225Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波選擇旁路、退耦電容設(shè)計(jì)減少電源供電回路的面積7/23/202226Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波選擇旁路、退耦電容設(shè)計(jì)退耦電容1100nF旁路電容1047uF思考：退耦電容位置實(shí)際濾波效果7/23/202227Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的

13、案例分析良好的電源濾波旁路電容的作用：減少器件對(duì)電源模塊瞬間電流的需求，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的需求，一般10470uF之間。退耦電容的作用：去掉器件高頻開關(guān)噪聲，將高頻噪聲引導(dǎo)到地，退耦電容一般選取1100nF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的諧振頻率（0805封裝）思考:是否都使用大容量電容就可以解決問題呢?7/23/202228Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波減少電源供電回路的面積VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC

14、2、IC3的電源供電回路重疊，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的電源供電回路重疊面積很小，電源濾波容易實(shí)現(xiàn)。S1S2S3思考：旁路電容應(yīng)該放置在什么位置？7/23/202229Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波減少電源供電回路的面積電源、地布線靠近，減少磁輻射面積7/23/202230Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證地平面的完整性回流地路徑分析地平面分割策略地反彈現(xiàn)象的防止7/23/202231Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡

15、可能保證地平面的完整性回流地路徑分析不同頻率信號(hào)的“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(huì)怎么呢？7/23/202232Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證地平面的完整性回流地路徑分析磁場(chǎng)型干擾產(chǎn)生的原因：高頻信號(hào)回流面積相互重疊。盡可能地減小環(huán)路的大小。避免信號(hào)返回線路共享共同的路徑這種情況7/23/202233Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證地平面的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(hào)串?dāng)_都會(huì)急劇增加。 不恰當(dāng)?shù)牡仄矫?、電源平面?/p>

16、分割，給高速信號(hào)傳輸帶來嚴(yán)重的EMI、EMC隱患。 接地點(diǎn)7/23/202234Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證地平面的完整性地平面分割策略信號(hào)線穿過地平面裂縫地平面完整減少了大部分EMC/EMI7/23/202235Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證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，則要建立“地連接橋”。思考：如果信號(hào)回流的橋連“地” 跟電源的公共接地點(diǎn)矛盾怎么辦？模擬分割優(yōu)先信號(hào)回流地；數(shù)字分割折中信號(hào)回流地和電源回流面積，建議井型布地。7/23/202236Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可

17、能保證地平面的完整性地反彈現(xiàn)象的防止什么是地反彈現(xiàn)象？參考地平面VCCGND1GND2VI/OII/OVGND1其中一個(gè)輸出引腳的波形對(duì)于GND1的電位影響：思考：如果很多IO同步翻轉(zhuǎn)呢？GND1并非參考地平面的電位，造成了所謂的地反彈現(xiàn)象等效一個(gè)串接的電感VCCGND2GND1IC?7/23/202237Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析盡可能保證地平面的完整性地反彈現(xiàn)象的防止降低開關(guān)速度。增加地引線，特別是芯片內(nèi)部多個(gè)地線引出引腳，在印制板上分開接地。對(duì)輸入電路分配一個(gè)地參考引腳（一般高速芯片接口都有）。采用差分輸入方式。GND VIA多點(diǎn)接地高速輸出口線加入阻尼電阻7/

18、23/202238Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析信號(hào)完整性和電磁兼容性折中考慮降低有用頻率的EMC：阻尼電阻值的正確選擇，或者正確使用磁珠，同時(shí)保證SI和EMC。高頻時(shí)鐘信號(hào)要單獨(dú)處理高速信號(hào)總線考慮匹配措施（非完全匹配）7/23/202239Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析信號(hào)完整性和電磁兼容性折中考慮降低有用頻率的EMC：阻尼電阻值的正確選擇，或者正確使用磁珠，同時(shí)保證SI和EMC。7/23/202240Skyworth技術(shù)交流講座2.電磁兼容性的案例分析信號(hào)完整性和電磁兼容性折中考慮高頻時(shí)鐘信號(hào)要單獨(dú)處理高頻時(shí)鐘（上升沿少于2ns的時(shí)鐘）必須有地線護(hù)送【護(hù)送地線要兩倍時(shí)鐘走線寬度，需要“良好接地”】發(fā)送側(cè)串接22220歐姆阻尼電阻，電阻越大干擾越小，但是敏感性變差。采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，不打過孔，走線平滑。思考：無法地線護(hù)送怎么辦