EMC设计和案例分析

技术讲座系列EMC设计和案例分析——Skyworth系列技术交流之二当前1页，总共45页。3/26/20231Skyworth技术交流讲座EMC设计和案例分析本期交流内容：1.电磁兼容性的基本原理2.电磁兼容性的应对策略3.电磁兼容案例分析当前2页，总共45页。3/26/20232Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理当前3页，总共45页。3/26/20233Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理一般周期的数字信号时域波形：周期信号相对应的频域谱结构：Tips：信号占用的带宽远远大于信号实际周期！当前4页，总共45页。3/26/20234Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理电感电容在频率升高时的变化：|Zc|Frequency|Zr|Frequency电容：|Zc|＝1/(2×PI×f×C)电感：|Zr|＝2×PI×f×L容性降低容性失效感性降低感性失效SFRCLESR当前5页，总共45页。3/26/20235Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理电磁兼容（EMC）的三要素：干扰源：全局时钟信号，高速芯片输出，系统总线，大电流、高电压的高频信号。耦合机制：空气，电路板介质，布线环路，线间电容耦合，直接连接。敏感系统：高阻输入线，模拟小信号，锁相环电路，高频、中频信号放大。当前6页，总共45页。3/26/20236Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理常见的几种干扰源：全局时钟信号，会产生稳定的离散频谱，使得某些频点能量集中，干扰很强。高速信号输出，产生不稳定频谱，特别是陡峭的沿跳信号，产生宽频的干扰。大电流高频脉冲信号，产生强烈的磁场干扰。高电压高频脉冲信号，产生强烈的电场干扰。Tips：找出干扰源，是解决EMC问题的关键，只有减弱或者扼杀源头才是最有效的。当前7页，总共45页。3/26/20237Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理常见的几种耦合机制：传导型通过连线直接耦合，如电源线、公共返回路径等等。电场型通过分布电容耦合，如长的平行布线，属于近场耦合。当前8页，总共45页。3/26/20238Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理常见的几种耦合机制：磁场型通过环路电感耦合，属于近场互感耦合。辐射型通过天线效应耦合，属于远场耦合。Tips：只有通过分析清楚可能的耦合模型，破坏耦合路径，才能减轻耦合干扰的能量。当前9页，总共45页。3/26/20239Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理常见的一些需要保护的敏感系统高阻输入信号、静态电平的信号。这些信号容易感应外界强烈电磁干扰，造成误输入。模拟小信号，如高频头的高放、中放电路等，芯片的PLL电路，对电源纹波，空中辐射要求很高。Tips：设计中有意识的对敏感信号做保护，适当的加入屏蔽、滤波、隔离等手段，提高敏感系统的抗干扰能力。当前10页，总共45页。3/26/202310Skyworth技术交流讲座1.电磁兼容性的基本原理电磁兼容问题解决的层次：最有效、最主动的策略找出干扰源隔断耦合路径屏蔽敏感系统积极的应对策略不得已而为之的补救方法当前11页，总共45页。3/26/202311Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的应对策略当前12页，总共45页。3/26/202312Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的应对策略传统EMC对策查找EMI问题的方法：频谱仪＋近场探头采取的手段：屏蔽＋滤波传统对策遇到新问题：需要考虑设备内部【板间，板内信号间】EMI问题，不能使用屏蔽/滤波手段；屏蔽和滤波会增加重量、成本；信号频率与干扰频率一致，不能采用滤波；频率提高，布线、屏蔽体、机箱等成为天线；高频信号耦合到电缆，由电缆发射；探测火苗把“火苗”捂在设备内部当前13页，总共45页。3/26/202313Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的应对策略设计最后阶段解决EMC问题的唯一办法是：屏蔽和滤波这种对策的结果是：有利于通过EMC，但是会恶化内部干扰，影响设备稳定性，增加抗干扰的要求。屏蔽策略的隐患：机箱及屏蔽材料的变形及损坏，产生电磁泄漏。思考？用屏蔽能解决所有的EMC问题？当前14页，总共45页。3/26/202314Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的应对策略EMC对策新理念：Tips：对EMI产生和抑制机理有的充分认识是关键。为什么我们总是停留在这个层次？电子工程师设计水平的体现EDA工程师设计经验的体现系统工程师全部把握的体现思考？当前15页，总共45页。3/26/202315Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的应对策略EMC的及早考虑：EMI/EMC是项系统工程早考虑，成本低，手段多，效率高；需要产品所有组件协同配合，包括结构设计。专家的经验——PCB设计的很多规则设计能全部按照设计规则执行吗？所有的理论在所有场合都正确吗？仿真技术PCB板设计的仿真：Hyperlynx。电子电路仿真：Pspice、Serenade。精度与速度使用测量技术，使用一般仪器进行对比测试。引入电磁场扫描技术，进行EMC预兼容测试。尽信书不如无书！把问题扼杀在萌芽阶段实际问题实际解决当前16页，总共45页。3/26/202316Skyworth技术交流讲座3.电磁兼容性的案例分析当前17页，总共45页。3/26/202317Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗良好的电源滤波尽可能保证地平面的完整性信号完整性SI和电磁兼容EMC的折中电磁兼容性的案例非常多，我们只需要掌握别人一些成熟的经验，通过实践发展自己的经验，就渐渐得心应手了……当前18页，总共45页。3/26/202318Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗线宽均匀拐角圆滑少打过孔当前19页，总共45页。3/26/202319Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——线宽均匀传输阻抗与线宽在高速信号的微带线上面，线宽影响传输阻抗。印制板布线的电路模型如下：串联电阻的典型值0.25-0.55ohms/foot，并联电阻阻值通常很高。将寄生电阻、电容和电感加到实际的PCB连线中之后，连线上的最终阻抗称为特征阻抗Zo。线径W越宽，距电源/地铜皮距离h越近，或隔离层的介电常数e越高，特征阻抗Z0就越小。Z0当前20页，总共45页。3/26/202320Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——线宽均匀微带线跟线宽的关系双面板的微带线模型关键参数：板厚h，铜皮厚度t，线宽W和介电常数εr。双面电路板一般厚度：1.68mm（66mil），铜层厚度：0.05mm（2mil）；四层板一般总厚度（上下薄膜、中间板基型）：1.58mm（62mil），中间厚度：0.9mm（35mil）上下薄层厚度：0.33mm（14mil），铜皮厚度：0.05mm（2mil）线宽8mil10mil12mil18mil24mil30mil50mil双面135Ω129Ω123Ω112Ω103Ω96Ω79Ω四层79Ω73Ω68Ω55Ω46Ω39Ω23ΩWhtεr常用印制电路板的材料：

FR-4（εr在4.5～5之间）75Ω微带线：w≈h；50Ω微带线：w≈2h；当前21页，总共45页。3/26/202321Skyworth技术交流讲座结论：四层板微带线模型几乎完全可是适用。思考：每一根线互为临近走线的耦合回路，设计中什么问题是关键考虑？2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——线宽均匀双面板和四层板的微带线差别在双面板设计中，微带线模型只是近似。在四层板设计中，微带线模型可以等效。H=60mil(1.6mm板厚)W=10mil线宽注意：双面板线宽线距都比板厚要小得多H>>W电力线分布H=14milW=10mil线宽注意：四层板线宽线距跟板厚要查不多HW临近线电力线分布很弱GNDGND或者POWER当前22页，总共45页。3/26/202322Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——拐角圆滑走线拐角圆滑不要走90度的拐角，尽量走大拐角，因为拐角处会造成传输阻抗突变，引起信号反射和畸变。45度拐角线对于走线阻抗影响不大大拐角减轻长线拐角带来的影响当前23页，总共45页。3/26/202323Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——拐角圆滑过孔时候的拐角也要圆滑过孔走线避免拐90度，避免走锐角。当前24页，总共45页。3/26/202324Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析保持连续的走线阻抗——少打过孔过孔阻抗突变效应过孔带来相当于90度走线的突变效应，改变了走线阻抗。60mil的90度拐角利用一种新的“类似同轴的”通孔结构来避免标准通孔出现的严重阻抗失配问题。这种结构以一种特殊的配置将接地通孔放置在信号通孔四周。

阻抗受控的过孔策略：当前25页，总共45页。3/26/202325Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析良好的电源滤波选择旁路、退耦电容设计减少电源供电回路的面积当前26页，总共45页。3/26/202326Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析良好的电源滤波选择旁路、退耦电容设计退耦电容1～100nF旁路电容10～47uF思考：退耦电容位置实际滤波效果当前27页，总共45页。3/26/202327Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析良好的电源滤波旁路电容的作用：减少器件对电源模块瞬间电流的需求，通常使用铝电解或者钽电解电容，容值取决于器件瞬间电流的需求，一般10～470uF之间。退耦电容的作用：去掉器件高频开关噪声，将高频噪声引导到地，退耦电容一般选取1～100nF之间。思考：并非容值越大，退耦效果越好，为什么？电容值谐振频率100nF16MHz10nF50MHz1nF160MHz不同退耦电容有不同的谐振频率（0805封装）思考:是否都使用大容量电容就可以解决问题呢?当前28页，总共45页。3/26/202328Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析良好的电源滤波减少电源供电回路的面积VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3的电源供电回路重叠，共享GND回流，回路面积S1、S2、S3也很大，相互干扰不可避免！VCCGNDIC1IC2IC3IC1、IC2、IC3的电源供电回路重叠面积很小，电源滤波容易实现。S1S2S3思考：旁路电容应该放置在什么位置？当前29页，总共45页。3/26/202329Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析良好的电源滤波减少电源供电回路的面积电源、地布线靠近，减少磁辐射面积当前30页，总共45页。3/26/202330Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性回流地路径分析地平面分割策略地反弹现象的防止当前31页，总共45页。3/26/202331Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性回流地路径分析不同频率信号的“地”回流路径不一样。低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】思考：如果回流路径被隔断了会怎么呢？当前32页，总共45页。3/26/202332Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性回流地路径分析磁场型干扰产生的原因：高频信号回流面积相互重叠。尽可能地减小环路的大小。避免信号返回线路共享共同的路径这种情况当前33页，总共45页。3/26/202333Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性地平面分割策略不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。

不恰当的地平面、电源平面的分割，给高速信号传输带来严重的EMI、EMC隐患。

接地点当前34页，总共45页。3/26/202334Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性地平面分割策略信号线穿过地平面裂缝地平面完整减少了大部分EMC/EMI当前35页，总共45页。3/26/202335Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证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，则要建立“地连接桥”。思考：如果信号回流的桥连“地”跟电源的公共接地点矛盾怎么办？模拟分割优先信号回流地；数字分割折中信号回流地和电源回流面积，建议井型布地。当前36页，总共45页。3/26/202336Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性地反弹现象的防止什么是地反弹现象？参考地平面VCCGND1GND2VI/OII/OVGND1其中一个输出引脚的波形对于GND1的电位影响：思考：如果很多IO同步翻转呢？GND1并非参考地平面的电位，造成了所谓的地反弹现象等效一个串接的电感VCCGND2GND1IC?当前37页，总共45页。3/26/202337Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析尽可能保证地平面的完整性地反弹现象的防止降低开关速度。增加地引线，特别是芯片内部多个地线引出引脚，在印制板上分开接地。对输入电路分配一个地参考引脚（一般高速芯片接口都有）。采用差分输入方式。GNDVIA多点接地高速输出口线加入阻尼电阻当前38页，总共45页。3/26/202338Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑降低有用频率的EMC：阻尼电阻值的正确选择，或者正确使用磁珠，同时保证SI和EMC。高频时钟信号要单独处理高速信号总线考虑匹配措施（非完全匹配）当前39页，总共45页。3/26/202339Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑降低有用频率的EMC：阻尼电阻值的正确选择，或者正确使用磁珠，同时保证SI和EMC。当前40页，总共45页。3/26/202340Skyworth技术交流讲座2.电磁兼容性的案例分析信号完整性和电磁兼容性折中考虑高频时钟信号要单独处理高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）必须有地线护送【护送地线要两倍时钟走线宽度，需要“良好接地”】发送侧串接22－220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。思考：无法地线护送怎么办？思考：