EMC設計和案例分析

技術講座系列EMC設計和案例分析——Skyworth系列技術交流之二目前一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20231Skyworth技術交流講座EMC設計和案例分析本期交流內容：1.電磁兼容性的基本原理2.電磁兼容性的應對策略3.電磁兼容案例分析目前二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20232Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理目前三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20233Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理一般周期的數(shù)字信號時域波形：周期信號相對應的頻域譜結構：Tips：信號占用的帶寬遠遠大于信號實際周期！目前四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20234Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理電感電容在頻率升高時的變化：|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SFRCLESR目前五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20235Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理電磁兼容（EMC）的三要素：干擾源：全局時鐘信號，高速芯片輸出，系統(tǒng)總線，大電流、高電壓的高頻信號。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。目前六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20236Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種干擾源：全局時鐘信號，會產生穩(wěn)定的離散頻譜，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，特別是陡峭的沿跳信號，產生寬頻的干擾。大電流高頻脈沖信號，產生強烈的磁場干擾。高電壓高頻脈沖信號，產生強烈的電場干擾。Tips：找出干擾源，是解決EMC問題的關鍵，只有減弱或者扼殺源頭才是最有效的。目前七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20237Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種耦合機制：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，如長的平行布線，屬于近場耦合。目前八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20238Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的幾種耦合機制：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的耦合模型，破壞耦合路徑，才能減輕耦合干擾的能量。目前九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/20239Skyworth技術交流講座1.電磁兼容性的基本原理常見的一些需要保護的敏感系統(tǒng)高阻輸入信號、靜態(tài)電平的信號。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，如高頻頭的高放、中放電路等，芯片的PLL電路，對電源紋波，空中輻射要求很高。Tips：設計中有意識的對敏感信號做保護，適當?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。目前十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202310Skyworth技術交流講座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)積極的應對策略不得已而為之的補救方法目前十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202311Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的應對策略目前十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202312Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的應對策略傳統(tǒng)EMC對策查找EMI問題的方法：頻譜儀＋近場探頭采取的手段：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”捂在設備內部目前十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202313Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的應對策略設計最后階段解決EMC問題的唯一辦法是：屏蔽和濾波這種對策的結果是：有利于通過EMC，但是會惡化內部干擾，影響設備穩(wěn)定性，增加抗干擾的要求。屏蔽策略的隱患：機箱及屏蔽材料的變形及損壞，產生電磁泄漏。思考？用屏蔽能解決所有的EMC問題？目前十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202314Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的應對策略EMC對策新理念：Tips：對EMI產生和抑制機理有的充分認識是關鍵。為什么我們總是停留在這個層次？電子工程師設計水平的體現(xiàn)EDA工程師設計經驗的體現(xiàn)系統(tǒng)工程師全部把握的體現(xiàn)思考？目前十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202315Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的應對策略EMC的及早考慮：EMI/EMC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。專家的經驗——PCB設計的很多規(guī)則設計能全部按照設計規(guī)則執(zhí)行嗎？所有的理論在所有場合都正確嗎？仿真技術PCB板設計的仿真：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目前十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202316Skyworth技術交流講座3.電磁兼容性的案例分析目前十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202317Skyworth技術交流講座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完整性SI和電磁兼容EMC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驗，通過實踐發(fā)展自己的經驗，就漸漸得心應手了……目前十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202318Skyworth技術交流講座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目前十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202319Skyworth技術交流講座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0.25-0.55ohms/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，或隔離層的介電常數(shù)e越高，特征阻抗Z0就越小。Z0目前二十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202320Skyworth技術交流講座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系雙面板的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常用印制電路板的材料：

FR-4（εr在4.5～5之間）75Ω微帶線：w≈h；50Ω微帶線：w≈2h；目前二十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202321Skyworth技術交流講座結論：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，設計中什么問題是關鍵考慮？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計中，微帶線模型只是近似。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HW臨近線電力線分布很弱GNDGND或者POWER目前二十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202322Skyworth技術交流講座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的影響目前二十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202323Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的案例分析保持連續(xù)的走線阻抗——拐角圓滑過孔時候的拐角也要圓滑過孔走線避免拐90度，避免走銳角。目前二十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202324Skyworth技術交流講座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過孔帶來相當于90度走線的突變效應，改變了走線阻抗。60mil的90度拐角利用一種新的“類似同軸的”通孔結構來避免標準通孔出現(xiàn)的嚴重阻抗失配問題。這種結構以一種特殊的配置將接地通孔放置在信號通孔四周。阻抗受控的過孔策略：目前二十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202325Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波選擇旁路、退耦電容設計減少電源供電回路的面積目前二十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202326Skyworth技術交流講座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目前二十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202327Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的案例分析良好的電源濾波旁路電容的作用：減少器件對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10～470uF之間。退耦電容的作用：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?目前二十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202328Skyworth技術交流講座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、IC2、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，電源濾波容易實現(xiàn)。S1S2S3思考：旁路電容應該放置在什么位置？目前二十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202329Skyworth技術交流講座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，減少磁輻射面積目前三十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202330Skyworth技術交流講座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)象的防止目前三十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202331Skyworth技術交流講座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不同頻率信號的“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怎么呢？目前三十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202332Skyworth技術交流講座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型干擾產生的原因：高頻信號回流面積相互重疊。盡可能地減小環(huán)路的大小。避免信號返回線路共享共同的路徑這種情況目前三十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202333Skyworth技術交流講座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，電磁輻射和信號串擾都會急劇增加。

不恰當?shù)牡仄矫?、電源平面的分割，給高速信號傳輸帶來嚴重的EMI、EMC隱患。

接地點目前三十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202334Skyworth技術交流講座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線穿過地平面裂縫地平面完整減少了大部分EMC/EMI目前三十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202335Skyworth技術交流講座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：如果信號回流的橋連“地”跟電源的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。目前三十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202336Skyworth技術交流講座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)象的防止什么是地反彈現(xiàn)象？參考地平面VCCGND1GND2VI/OII/OVGND1其中一個輸出引腳的波形對于GND1的電位影響：思考：如果很多IO同步翻轉呢？GND1并非參考地平面的電位，造成了所謂的地反彈現(xiàn)象等效一個串接的電感VCCGND2GND1IC?目前三十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202337Skyworth技術交流講座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)象的防止降低開關速度。增加地引線，特別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目前三十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202338Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的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的EMC：阻尼電阻值的正確選擇，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）目前三十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202339Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的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的EMC：阻尼電阻值的正確選擇，或者正確使用磁珠，同時保證SI和EMC。目前四十頁\總數(shù)四十五頁\編于十二點5/17/202340Skyworth技術交流講座2.電磁兼容性的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的時鐘）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，但是敏感性變差。采用點對點連接，不打過孔，走線平滑。思考：無法地線護送怎么辦？思考：時鐘一定要過