PCB設(shè)計(jì)中的EMC/EMI控制技術(shù)

引言

隨著IC 器件集成度的提高、設(shè)備的逐步小型化和器件的速度愈來愈高，電子產(chǎn)品中的EMI問題也更加嚴(yán)重。從系統(tǒng)設(shè)備EMC /EMI設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，在設(shè)備的PCB設(shè)計(jì)階段處理好EMC/EMI問題，是使系統(tǒng)設(shè)備達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)最有效、成本最低的手段。本文介紹數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)中的EMI控制技術(shù)。

1 EMI的產(chǎn)生及抑制原理

EMI的產(chǎn)生是由于電磁干擾源通過耦合路徑將能量傳遞給敏感系統(tǒng)造成的。它包括經(jīng)由導(dǎo)線或公共地線的傳導(dǎo)、通過空間輻射或通過近場(chǎng)耦合三種基本形式。EMI的危害表現(xiàn)為降低傳輸信號(hào)質(zhì)量，對(duì)電路或設(shè)備造成干擾甚至破壞，使設(shè)備不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

為抑制EMI，數(shù)字電路的EMI設(shè)計(jì)應(yīng)按下列原則進(jìn)行：

●根據(jù)相關(guān)EMC/EMI技術(shù)規(guī)范，將指標(biāo)分解到單板電路，分級(jí)控制。

●從EMI的三要素即干擾源、能量耦合途徑和敏感系統(tǒng)這三個(gè)方面來控制，使電路有平坦的頻響，保證電路正常、穩(wěn)定工作。

●從設(shè)備前端設(shè)計(jì)入手，關(guān)注EMC/EMI設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。

2 數(shù)字電路PCB的 EMI控制技術(shù)

在處理各種形式的EMI時(shí)，必須具體問題具體分析。在數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)中，可以從下列幾個(gè)方面進(jìn)行EMI控制。

2.1 器件選型

在進(jìn)行EMI設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時(shí)間為5ns的器件換成上升時(shí)間為2.5ns的器件，EMI會(huì)提高約4倍。EMI的輻射強(qiáng)度與頻率的平方成正比，最高EMI頻率(fknee)也稱為EMI發(fā)射帶寬，它是信號(hào)上升時(shí)間而不是信號(hào)頻率的函數(shù)：fknee =0.35/Tr (其中Tr為器件的信號(hào)上升時(shí)間)

這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz，在這個(gè)頻段上，波長(zhǎng)很短，電路板上即使非常短的布線也可能成為發(fā)射天線。當(dāng)EMI較高時(shí)，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應(yīng)盡量使用低速芯片，采用合適的驅(qū)動(dòng)/接收電路。另外，由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設(shè)計(jì)中，器件封裝形式對(duì)信號(hào)的影響也是不可忽視的，因?yàn)樗彩钱a(chǎn)生EMI輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件，BGA 封裝的寄生參數(shù)小于QFP 封裝。

2.2 連接器的選擇與信號(hào)端子定義

連接器是高速信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是易產(chǎn)生EMI的薄弱環(huán)節(jié)。在連接器的端子設(shè)計(jì)上可多安排地針，減小信號(hào)與地的間距，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號(hào)環(huán)路面積，提供低阻抗 回流通路。必要時(shí)，要考慮將一些關(guān)鍵信號(hào)用地針隔離。

2.3 疊層設(shè)計(jì)

在成本許可的前提下，增加地線層數(shù)量，將信號(hào)層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射。對(duì)于高速PCB，電源層和地線層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。

2.4 布局

根據(jù)信號(hào)電流流向，進(jìn)行合理的布局，可減小信號(hào)間的干擾。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵。布局的基本原則是：

●模擬信號(hào)易受數(shù)字信號(hào)的干擾，模擬電路應(yīng)與數(shù)字電路隔開;

●時(shí)鐘線是主要的干擾和輻射源，要遠(yuǎn)離敏感電路，并使時(shí)鐘走線最短;

●大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區(qū)域，同時(shí)應(yīng)考慮散熱和輻射的影響;

●連接器盡量安排在板的一邊，并遠(yuǎn)離高頻電路;

●輸入/輸出電路靠近相應(yīng)連接器，去耦電容靠近相應(yīng)電源管腳;

●充分考慮布局對(duì)電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區(qū)域邊界布放，以有效降低平面分割對(duì)EMI的影響;

●回流平面(路徑)不分割。

2.5 布線

●阻抗控制：高速信號(hào)線會(huì)呈現(xiàn)傳輸線的特性，需要進(jìn)行阻抗控制，以避免信號(hào)的反射、過沖和振鈴，降低EMI輻射。

●將信號(hào)進(jìn)行分類，按照不同信號(hào)(模擬信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、I/O信號(hào)、總線、電源等)的EMI輻射強(qiáng)度及敏感程度，使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離，減小耦合。

●嚴(yán)格控制時(shí)鐘信號(hào)(特別是高速時(shí)鐘信號(hào))的走線長(zhǎng)度、過孔數(shù)、跨分割區(qū)、端接、布線層、回流路徑等。

●信號(hào)環(huán)路，即信號(hào)流出至信號(hào)流入形成的回路，是PCB設(shè)計(jì)中EMI控制的關(guān)鍵，在布線時(shí)必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號(hào)的流向，對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)要靠近回流路徑布線，確保其環(huán)路面積最小。

對(duì)低頻信號(hào)，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對(duì)高頻信號(hào)，要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑，而非電阻最小的路徑(見圖1)。對(duì)于差模輻射，EMI輻射強(qiáng)度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。(其中I是電流、A是環(huán)路面積、f是頻率、r是到環(huán)路中心的距離，k為常數(shù)。)