当前位置:首页 >> 技术中心 >> EMI/EMC >> 工程师经验谈:如何做好PCB的EMC设计?
    

工程师经验谈:如何做好PCB的EMC设计?

【导读】在“EMC设计工作坊”上,程工(化二为一)对EMC设计的见解独到,经验之丰富令人印象深刻。为此电子元件技术网特邀请到程工为我们分享其在EMC、PCB设计方面所积累的多年经验,相信对大家解决PCB的EMC问题一定会有所帮助。
第一章:PCB的EMC设计

1、PCB 设计的EMC 思想

根据笔者从事硬件、EMC、PCB设计的多来积累的经验来看,要设计出一块EMC、SI性能优越的PCB板,难度不大,但是PCB工程师必须在PCB设计深深地融入如下思想与意识,或者说要敬畏如下规则:

(1)“回流路径”要控制

信号从本质上说,就是环路,即从源到目标(信号线),然后返回到源(返回路径),否则就形成不了信号或电磁干扰(基尔霍夫定理)。

信号或电流从最低阻抗的路径返回到源,由于回流路径(电源平面)存在ESL、ESR,导致低频信号、高频的返回路径迥然不同:

A)如果返回路径的阻抗大于377欧,信号就会通过空间返回(形成对外的电磁干扰);
B)如果信号线与其返回路径形成的“环路”面积过大,就容易向外辐射电磁干扰,或接收到外部的电磁场(法拉第电磁感应原理),也就是说,该信号的抗干扰(如静电ESD、辐射抗扰度RS)性能差,对外的电磁骚扰过大(RE);
C)多条信号的返回路径相同,会形成串扰(相互干扰);
D)信号环路的增大,其ESL相应增加,导致信号产生振荡、过冲等信号完整性问题。

(2) “特征阻抗”不能突变

作为PCB或硬件工程师,一定要有如下思想:“特征阻抗”是什么?哪些因素影响“特征阻抗”?“特征阻抗”变化会给EMC与SI带来什么危害?

(3)识别与控制PCB板上的电磁干扰

A)PCB板上的电磁干扰源有哪些?(电流或电压急剧变化部件,如晶振、总线驱动器、开关电源,以及外部线缆的连接端口、电源输入);
B)PCB板上的敏感器件或走线有哪此?(低压CPU、晶振、复位信号、开关控制信号、AD芯片);
C)控制电磁干扰的流向。让电磁干扰尽可能的低阻抗返回到源:如将外部线缆耦合到的电磁干扰,低阻抗的返回到大地,避免其流向敏感电路或器件;规避晶振的高速谐波通过空间或其他信号线返回到源;通过高频滤波电容,控制逻辑器件开关切换时产生的同步开关噪声,防止其干扰共用电源系统的其他器件工作。

PCB板中的电磁干扰的流向控制技术,主要有滤波(电容、磁珠、瞬态抑制)、地线隔离等。

本文为程工多年经验所得,未经同意严禁转载!
1
2345下一页>
  • 第一页:PCB设计的EMC思想
  • 第二页:PCB中EMC设计的重要性
  • 第三页:PCB设计的EMC原则
  • 第四页:PCB设计的EMC案例
  • 第五页:PCB设计的EMC案例(二)

2、PCB 中EMC 设计的重要性

PCB是EMC技术中最值得探讨的部分。它不仅是设备工作频率最高的部分,同时,也是电平最低、对电磁骚扰最为敏感的部分。PCB的EMC设计中,实际上已经包含了接地设计、去耦/旁路设计、串扰屏蔽等EMC设计知识。EMC设计良好的PCB,不但可以降低流过干扰共模电流时产生的压降,同时也是减小环路的重要手段,因此,一个有着良好去耦与旁路设计PCB的设备相当于有一个健壮的“体格”。

PCB板是电子产品最基本的部件,也是绝大部分电子元器件的载体。当一个产品的PCB板设计完成后,可以说其核心电路的骚扰和抗扰特性就基本已经确定下来了,要想再提高其电磁兼容特性,就只能通过接口电路的滤波和外壳的屏蔽来“围追堵截”了,这样不但大大增加了产品的后续成本,也增加了产品的复杂程度,降低了产品的可靠性。可以说一个好的PCB板可以解决大部分的电磁骚扰问题,只要在接口电路排板时适当增加瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分抗扰度和骚扰问题。

在PCB布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。如果,在PCB板设计中,产品设计师往往只注重提高密度,减小占用空间,制作简单,或追求美观,布局均匀,忽视了线路布局对电磁兼容性的影响,使大量的信号辐射到空间形成骚扰。那么这个产品将导致大量的EMC问题。

在很多例子中,就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题。到最后,不得不对整个板子重新布线。因此,在开始时养成良好的PCB布线习惯是最省钱的办法。

3、PCB 设计的EMC 基础知识

部分电磁兼容的基础知识,是优秀的PCB工程师需要了解或掌握的,主要如下:电磁兼容、电磁场与电磁波、高速电路设计、信号完整性、电源完整性、数字电路、模拟电路、高频电路原理、开关电源等。

第二章 PCB 设计的EMC 原则

1、整体布局

(1)高速、中速、低速电路要分开;
(2)强电流、高电压、强辐射元器件远离弱电流、低电压、敏感元器件;
(3)模拟、数字、电源、保护电路要分开;
(4)多层板设计,有单独的电源和地平面;
(5)对热敏感的元件(含液态介质电容、晶振)尽量远离大功率的元器件、散热器等热源。

备注:严禁遵循“干扰的流向控制”原则,即防止板内相互干扰,阻止板内电磁干扰耦合到I/O端口;将耦合到电路板的外部电磁干扰,低阻抗的、就靠泄放到大地(或机壳PG)。

2、叠层

(1)至少有一个连续完整的地平面控制关键信号的阻抗和信号质量;
(2)电源和地平面尽可能地靠近放置,提高电源噪声的高频滤波效果;
(3)叠层尽量避免两个信号层相邻,如果相邻加大两个信号层的间距;
(4)避免两个电源平面相邻,特别是由于信号层铺电源而导致的电源平面相邻;
(5)好的叠层能做到对阻抗的有效控制;
(6)外层建议铺地。

备注:增加PCB的电源或地平面,非常有利于信号环路或特性阻抗的控制,因此,该措施一直以来,被经验丰富的工程师视为解决EMC和SI、PI的杀手锏。

3、整体布线

(1)关键信号线走线(返回路径)避免跨分割(参考平面);
(2)关键信号线走线“换层,不换参考平面”;
(3)关键信号线走线不要人为的绕长;
(4)关键信号线是远离边沿和接口;
(5)相同功能的总线要并行走、中间不要夹叉其它信号;
(6)晶振、开关电源等高频干扰源下面不允许走线;
(9)接收和发送信号要分开走,不能互相夹叉;
(10)非关键信号线换层或其返回路径跨分割(不可规避)时,必须使用过孔或10nF的滤波电容,控制其高频返回路径;
(11)高速信号线走线的宽度不能突变。

备注:关键信号一般为高速信号、周期性信号或晶振、复位信号、开关控制信号等。PCB工程师必须熟悉。

4、电容和滤波器件

(1)高频滤波电容务必要靠近电源管脚放置,而且容值越小的电容要越靠近电源管脚;
(2)EMI滤波器要靠近芯片电源的输入口;
(3)原则上每个电源管脚一个0.1uf以下的高频滤波电容、一个集成电路一个或多个10uf大电容(储能或旁路电容),可以根据具体情况进行增减;
(4)电源系统的储能或旁路电容,有利于提高电源系统的抗干扰性能或电源完整性,如条件允许,可在PCB板上均匀的布置一些。

备注:PCB工程师必须了解各种电容的高频特性与滤波原理,掌握高频滤波电容布置与走线技巧(降低ESL)。

5、隔离和防护


(1)浪涌抑制器件(TVS管、压敏电阻)对应的信号走线要短、粗(一般15 mil以上);
(2)不同接口之间的走线要清晰,不要互相交叉;
(3)接口线到所连接的保护和滤波器件要尽量短;
(4)接口线必须要经过保护或滤波器件再到信号接收芯片;
(5)金属连接器的固定孔接到保护地(机壳地PG);
(6)变压器、光耦等前后的地分开;
(7)连接到机壳上的定位孔、扳手等没有直接接到信号地上。

6、其他原则

(1)电源平面比地平面内缩“20H”(H为电源和地平面的距离);
(2)电源平面比地平面内缩40mil以上,并间隔150mil打地过孔;
(3)布线是尽量避免的STUB线;
(4)保护地(机壳地PG)和信号地之间的间距大于80mil;
(5)DC48V的爬电间距是否为80mil以上;
(6)AC220V的爬电间距最少为300mil;
(7)差分布线可以抑制共模干扰;
(8)跨分割的线是否进行了合适的处理;
(9)敏感的信号线是否采用包地处理。

备注:产品的“安规”性能、电源完整性,基本上控制在PCB工程师的手中。

第三章 PCB设计的EMC案例

1、接口与保护

(1)走线通流量

有雷击浪涌测试(带有防雷型TVS管、陶瓷气体放电管)要求的I/O端口,信号线的通流量要足够,走线原则上要求:﹥15mil/1盎司。

(2)走线的顺序

走线遵循“防护+滤波+接口芯片”,即信号线先“走到”防护器件(如TVS管、保险丝),然后通过电容、电阻等滤波,最后才连接到需要防护的器件。
严禁外部干扰未经防护或滤波器件的瞬态抑制或滤波,到达接口芯片。

防护或滤波器件的泄放引脚,必须低阻抗的连接到机壳地(PG)或数字地(GND)。

(3)器件的摆放

消除“侧击”(空间放电):易受ESD干扰的器件,如NMOS、CMOS器件等,尽量远离易受ESD干扰的区域100mil以上(如单板的边缘区域、金属连接器外壳),防止外部电磁干扰,通过上述部位侧击到敏感器件。

防止内部干扰外泄:晶振等高频干扰源,必须远离板边或金属连接器1 inch以上;须防止外部电磁干扰“绕开”防护或滤波器件(含信号线上的电阻),侧击到敏感或接口芯片。

备注:接口是EMC设计的重中之重,解决了接口(信号端口、电源端口)问题,也等于解决了产品绝大多数EMC问题。

2、时钟与晶振


(1)晶体、晶振和时钟分配器与相关的IC器件要尽量靠近;
(2)时钟电路的滤波器(尽量采用“π”型滤波)要靠近时钟电路的电源输入管脚;
(3)有源晶振输出串接电阻和并联电容;
(4)时钟分配器没用的输出管脚通过电阻接地;
(5)晶体、晶振和时钟分配器的布局要注意远离大功率的元器件、散热器等发热的器件;
(6)晶振、周期性信号远离板边和接口器件1 inch以上;
(7)有金属外壳的晶体,其外壳须与表层的局部地相连;
(8)时钟电路的电源加宽,并有滤波电路;
(9)超过1 inch的时钟线走内层;
(10)走内层的时钟线在表层的走线<50mil;
(11)严禁时钟走线换层时更换“参考平面”,以及返回路径跨分割;
(12)时钟线是否采用立体包地;
(13)时钟相关芯片(如晶振、晶体)在表层有局部的地平面包绕,该地平面通过多个过孔与地层相连;
(14)时钟线与其它信号线的间距达到5W(W为线宽);晶振、晶体下放原则上不允许走其他信号线,尤其是I/O线。

3、开关电源

(1)开关电源(含开关电源芯片,下同)远离ADDA转换器、模拟器件、敏感器件、时钟器件;
(2)开关电源布局要紧凑,输入输出要分开,防止输入输出之间的串扰;
(3)严格按照原理图的要求进行布局,不要将开关电源的高频滤波(0.1uf以下)电容随意放置。

相关阅读:

搞定EMC的两大关键:元器件选型和PCB设计

韬略康总:高效时代如何快速解决EMC问题?

窍门分享:如何降低PCB设计中的噪声与电磁干扰

工程师分享:PCB设计接地技巧汇总

分享到:

用户评论

发评论送积分,参与就有奖励!

发表评论

评论内容:发表评论不能请不要超过250字;发表评论请自觉遵守互联网相关政策法规。

用户名: