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降低EMI的高速PCB設(shè)計注意事項

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計算設(shè)計 ? 作者:Divyesh Patel,Kinja ? 2022-11-25 15:13 ? 次閱讀

作者:Divyesh Patel,Kinjan Patel

本文檔是根據(jù)對高速信號電源開關(guān)的電磁干擾的實際觀察編寫的,電磁干擾可能導(dǎo)致認(rèn)證過程失敗。產(chǎn)品中使用的組件的布局和原理圖設(shè)計建議可能在數(shù)據(jù)表中提供,但實際觀察和解決方案可能會有所不同。

本文檔介紹高速信號,如 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI以太網(wǎng)。頻率范圍高于9 kHz的輻射應(yīng)在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定范圍內(nèi)。來自器件的輻射通常是PCB上高頻時鐘的多個諧波。與差分時鐘相比,單端時鐘輻射更多,因為單端信號的電壓電平和功率更高。強烈建議在任何高速單端時鐘的源端使用0歐姆串聯(lián)電阻器。

在認(rèn)證期間,增加串聯(lián)電阻值有助于控制時鐘中存在的過沖和下沖,這是輻射的主要原因。增加串聯(lián)電阻器的值有助于減少過沖和下沖。串聯(lián)端接電阻的最大值可以通過接收器的建立和保持時間違規(guī)來確定。還建議盡可能不要使用重復(fù)的頻率。

例如,如果將兩個開關(guān)穩(wěn)壓器部件用作電源穩(wěn)壓器,則請確保兩個開關(guān)頻率都不在相同的開關(guān)頻率下工作,因為輻射總和會超過禁止的輻射限值。時鐘信號的長度越長,輻射功率就越大。例如,較長的HDMI電纜將充當(dāng)天線,因此在這種情況下HDMI接口的輻射會更高。

布局在輻射中起著重要作用。確保時鐘信號的設(shè)計符合特性阻抗要求和圍繞時鐘走線提供的連續(xù)接地,以避免阻抗不匹配。非常準(zhǔn)確地遵循芯片制造商的布局指南,并確保制造商從輻射角度審查該特定部分的原理圖和布局。芯片制造商可能會根據(jù)他們在與芯片相關(guān)的認(rèn)證失敗方面的經(jīng)驗,對新設(shè)計提出一些建議。

1. HDMI(高清多媒體接口)

HDMI接口引起的EMI故障在嵌入式產(chǎn)品中最常見。HDMI輻射出現(xiàn)在基波上,通常高達(dá)148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz和891MHz的次諧波。

輻射源可能來自HDMI電纜,PCB設(shè)計或顯示器本身(如果未經(jīng)過認(rèn)證)。共模扼流圈和端接電阻/電容器應(yīng)有助于消除PCB上的輻射,但HDMI電纜選擇時會發(fā)生常見錯誤。來自不同制造商的不同電纜提供不同的發(fā)射水平,即使它們是屏蔽的。因此,從 Molex 或 TE 等值得信賴的供應(yīng)商處選擇電纜非常重要。當(dāng)然,所選電纜應(yīng)屏蔽并內(nèi)置鐵氧體磁芯。建議攜帶3-4根不同的電纜(來自不同的品牌)進(jìn)行預(yù)掃描,以驗證每根電纜的性能。

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以下技術(shù)可以幫助減少HDMI信號的輻射:

- 共模扼流圈應(yīng)選擇截止頻率比基頻高5-6倍的共模扼流圈。在148.5MHz的情況下,超過1GHz的截止頻率應(yīng)該是理想的。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號應(yīng)確保接地通孔與信號相鄰,以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下,接地通孔應(yīng)作為信號向下傳輸,以最短路徑回流到源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案,使用屏蔽連接器將電纜屏蔽層與外殼適當(dāng)端接,以減少干擾。

- 在具有不同電位(接地和電源)的參考平面的情況下,建議使用旁路電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則,如長度匹配(10mil 對內(nèi)和 100mil 對間)、阻抗匹配(100 歐姆)、固體參考平面、微帶布線、較少的過孔數(shù)量、45 度彎曲是遵循的最佳實踐。

2. MIPI DSI 和 CSI(移動行業(yè)處理器接口)

MIPI信號(CSI/DSI)專為移動行業(yè)設(shè)計,因此它們是非常低功率的差分信號,并且不太可能輻射。MIPI信號時鐘因分辨率參數(shù)而異。

在攜帶MIPI信號的FPC電纜上可能會輻射。在定制電纜的情況下,我們在兩側(cè)添加屏蔽或接地可以立即提供幫助,但它可能會影響電纜的靈活性。最佳方法是使用直接圖層上的陰影線地面作為參考地面。具有更高帶寬的離路共模扼流圈將有助于消除PCB的共模噪聲。MIPI信號的數(shù)據(jù)速率對于D-PHY為80Mbps-2.5Gbps,對于C-PHY的數(shù)據(jù)速率為183Mbps-5.7Gbps。因此,提供瓜爾環(huán)和至少 40 密耳與其他信號的隔離非常重要。

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以下技術(shù)可以幫助減少MIPI信號的輻射:

- 為D-PHY選擇截止頻率超過2GHz的共模扼流圈。C-PHY 可以使用特殊濾波器來傳遞三重信號。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號應(yīng)確保接地通孔與信號相鄰,以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下,接地通孔應(yīng)作為信號向下傳輸,以最短路徑回流到源。

- 如果FPC上有EMI薄膜,請確保薄膜的末端連接到FPC上的曝光信號接地。

- 在具有不同電位(接地和電源)的參考平面的情況下,建議使用旁路電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則,如長度匹配(25密耳對內(nèi)和55密耳對間),阻抗匹配(少數(shù)情況下為100歐姆/ 85歐姆),固體參考平面,微帶布線,較少的過孔數(shù)量,45度彎曲是遵循的最佳實踐。

3. 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)信號上的輻射與雙絞線電纜的長度成正比。電纜上的屏蔽 CAT5 電纜和鐵氧體磁芯將有助于減少干擾。

當(dāng)電纜上的共模噪聲通過機箱接地返回噪聲時,差分MDI信號會輻射。

來自單端MII和電源部分的噪聲可以通過機箱接地耦合到雙絞電纜,從而產(chǎn)生不必要的輻射。

以下技術(shù)可以幫助減少以太網(wǎng)信號的輻射:

- 以太網(wǎng)電纜上的鐵氧體磁芯可以降低EMI。在認(rèn)證過程中保留不同類型的 CAT5 電纜。

- MDI 信號應(yīng)與 MII 信號很好地隔離(至少相距 40 密耳)。

- 保持單端MII信號的最小長度。

- 在所有層中,應(yīng)保持磁性元件下方的空隙。

- 從一層傳遞到另一層的MDI和MII信號應(yīng)確保接地通孔位于信號附近,以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下,接地通孔應(yīng)作為信號向下傳輸,以最短路徑回流到源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案,電纜屏蔽層使用屏蔽 RJ 45 連接器與外殼適當(dāng)端接,以減少干擾。

- 在具有不同電位(接地和電源)的參考平面的情況下,建議使用旁路電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則,如長度匹配(10mil 對內(nèi)和 100mil 對間)、阻抗匹配(100 歐姆)、固體參考平面、微帶布線、較少的過孔數(shù)量、45 度彎曲是遵循的最佳實踐。

4. 直流-直流電源發(fā)電

對于高速PCB設(shè)計,嘈雜的電源是EMI-EMC輻射的主要貢獻(xiàn)者之一。穩(wěn)定且噪聲較小的電源肯定有助于降低EMI。

用于高速接口的處理器、內(nèi)存和橋接芯片在非常低的電壓下工作。在設(shè)計中選擇 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器以獲得高輸出電流和效率。但開關(guān)頻率、這些開關(guān)產(chǎn)生的紋波(過沖和下沖)噪聲也會造成輻射。地面中噪聲信號的耦合會增加輻射,因為地面將與電纜一起移動,電纜可以充當(dāng)高頻噪聲的天線。

如果系統(tǒng)實際功耗較高(》10W),并且產(chǎn)品中涉及較長的電纜,則建議在輸入直流電源上使用共模扼流圈和LC濾波。在線計算器可用于計算需要衰減輻射功率的特定頻率的L和C值。電感值越高,則首選空間內(nèi)沒有約束。

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一般來說,在開關(guān)頻率的過沖和下沖處觀察到的高頻(振鈴)更有可能輻射。

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緩沖器調(diào)諧將有助于減少這種過沖和下沖功率。使用較大的封裝或高額定功率電阻器,因為高頻噪聲將被旁路,較小的封裝可能會增加PCB的溫度。緩沖電路應(yīng)安裝在電感器的開關(guān)節(jié)點上。

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高速PCB設(shè)計要記住的要點

·表面貼裝部分應(yīng)優(yōu)先于通孔部分。電容器等通孔部件在80MHz以上會變得更感性,這可能會導(dǎo)致更高頻率的輻射/分選問題。

·保持高速信號走線盡可能小,并盡可能提供接地以減少環(huán)路電感。

·盡量避免堆疊相鄰的信號層,或使用正交布線來減少電容耦合。

·將去耦電容放置在非常靠近IC引腳的位置。這將有助于更快地在電源和接地之間切換。

·對信號使用星形路由,對電源使用單點路由。

·在電源輸出上使用鐵氧體磁珠。在鐵氧體磁珠周圍放置電容器將充當(dāng)高頻噪聲的低通濾波器。

·在每個時鐘輸出端保持 0E 系列端接電阻器,該輸出為 》1MHz。這將有助于在出現(xiàn)干擾問題時進(jìn)行調(diào)整。

·對于晶體,根據(jù)數(shù)據(jù)表選擇考慮負(fù)載和雜散電容的并聯(lián)電容器。它們是輻射的基本來源,因此請遵循IC建議進(jìn)行晶體布線。此外,盡量將晶體/振蕩器保持在PCB的中心,而不是邊緣。

·PCB邊緣的走線不應(yīng)以90度角布線。

·保留射頻部分的屏蔽配置。這是FCC(模塊化認(rèn)證)的強制性要求。

·高頻方波由多個高頻正弦波組成。因此,請確保這種類型的關(guān)鍵信號周圍應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕拥亍?/p>

·確保對于連續(xù)接地層,過孔不應(yīng)使島與非常薄的銅區(qū)域連接。這可以增加信號的接地返回路徑。

·FR4 材料最好具有 《5Gbps 時鐘速度和低成本。對于高于5Gbps,請使用其他材料,如Nelco,Megatron,Rogers

·保持高速信號中其他信號的》3W間距

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·與接地層相比,電源層應(yīng)位于PCB邊緣內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗法則,最好是 20H。(H=層間介電厚度)

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總結(jié)

本文檔基于對高速PCB設(shè)計中EMI降低的實際觀察。EMI預(yù)防措施對認(rèn)證非常有幫助。高速接口的輻射因設(shè)計而異,因此建議在設(shè)計中使用有助于在認(rèn)證過程中進(jìn)行調(diào)整的規(guī)定。

本文檔介紹了PCB上常用的高速信號的注意事項。 幾乎所有產(chǎn)品都觀察到HDMI接口引起的EMI問題。串聯(lián)、并聯(lián)端接、扼流圈對減少輻射沒有多大幫助。HDMI電纜和HDMI顯示器的變化會改變輻射功率。長電纜將充當(dāng)高速接口的天線,因此如果產(chǎn)品連接了多根長電纜(例如,汽車產(chǎn)品),則需要采取許多預(yù)防措施。

審核編輯:郭婷

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