數(shù)字電路PCB設(shè)計中的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)計的觀點來看，在設(shè)備的PCB設(shè)計階段處理好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)計中的EMI控制技術(shù)。

1、EMI的產(chǎn)生及抑制原理

MI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耦合三種基本形式。EMI的危害表現(xiàn)為降低傳輸信號質(zhì)量，對電路或設(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)計入手，關(guān)注EMC/EMI設(shè)計，降低設(shè)計成本。

2、數(shù)字電路PCB的EMI控制技術(shù)

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

2.1、器件選型

在進(jìn)行EMI設(shè)計時，首先要考慮選用器件的速率。任何電路，如果把上升時間為5ns的器件換成上升時間為2.5ns的器件，EMI會提高約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，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數(shù)：fknee=0.35/Tr(其中Tr為器件的信號上升時間)這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個GHz，在這個頻段上，波長很短，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，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/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)計中，器件封裝形式對信號的影響也是不可忽視的，因為它也是產(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端子定義

連接器是高速信號傳輸?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)計上可多安排地針，減小信號與地的間距，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號環(huán)路面積，提供低阻抗回流通路。必要時，要考慮將一些關(guān)鍵信號用地針隔離。

2.3、疊層設(shè)計

在成本許可的前提下，增加地線層數(shù)量，將信號層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射。對于高速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)信號電流流向，進(jìn)行合理的布局，可減小信號間的干擾。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵。布局的基本原則是：

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

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

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

*將信號進(jìn)行分類，按照不同信號(模擬信號、時鐘信號、I/O信號、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)格控制時鐘信號(特別是高速時鐘信號)的走線長度、過孔數(shù)、跨分割區(qū)、端接、布線層、回流路徑等。

*信號環(huán)路，即信號流出至信號流入形成的回路，是PCB設(shè)計中EMI控制的關(guān)鍵，在布線時必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號的流向，對于關(guān)鍵信號要靠近回流路徑布線，確保其環(huán)路面積最小。

對低頻信號，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對高頻信號，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)。)

因此當(dāng)最小電感回流路徑恰好在信號導(dǎo)線下面時，可以減小電流環(huán)路面積，從而減少EMI輻射能量。

*關(guān)鍵信號不得跨越分割區(qū)域。

*高速差分信號走線盡可能采用緊耦合方式。

*確保帶狀線、微帶線及其參考平面符合要求。

*去耦電容的引出線應(yīng)短而寬。

*所有信號走線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離板邊緣。

*對于多點連接網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減小信號反射，降低EMI輻射。

2.6、電源平面的分割處理

*電源層的分割

在一個主電源平面上有一個或多個子電源時，要保證各電源區(qū)域的連貫性及足夠的銅箔寬度。分割線不必太寬，一般為20～50mil線寬即可，以減少縫隙輻射。

*地線層的分割

地平面層應(yīng)保持完整性，避免分割。若必須分割，要區(qū)分?jǐn)?shù)字地、模擬地和噪聲地，并在出口處通過一個公共接地點與外部地相連。為了減小電源的邊緣輻射，電源/地平面應(yīng)遵循20H設(shè)計原則，即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H(見圖2)，這樣邊緣場輻射強(qiáng)度可下降70%。

3、EMI的其它控制手段

3.1、電源系統(tǒng)設(shè)計

*設(shè)計低阻抗電源系統(tǒng)，確保在低于fknee頻率范圍內(nèi)的電源分配系統(tǒng)的阻抗低于目標(biāo)阻抗。

*使用濾波器，控制傳導(dǎo)干擾。

*電源去耦。在EMI設(shè)計中，提供合理的去耦電容，能使芯片可靠工作，并降低電源中的高頻噪聲，減少EMI。由于導(dǎo)線電感及其它寄生參數(shù)的影響，電源及其供電導(dǎo)線響應(yīng)速度慢，從而會使高速電路中驅(qū)動器所需要的瞬時電流不足。合理地設(shè)計旁路或去耦電容以及電源層的分布電容，能在電源響應(yīng)之前，利用電容的儲能作用迅速為器件提供電流。正確的電容去耦可以提供一個低阻抗電源路徑，這是降低共模EMI的關(guān)鍵。

3.2、接地

接地設(shè)計是減少整板EMI的關(guān)鍵。

*確定采用單點接地、多點接地或者混合接地方式。

*數(shù)字地、模擬地、噪聲地要分開，并確定一個合適的公共接地點。

*雙面板設(shè)計若無地線層，則合理設(shè)計地線網(wǎng)格很重要，應(yīng)保證地線寬度》電源線寬度》信號線寬度。也可采用大面積鋪地的方式，但要注意在同一層上的大面積地的連貫性要好。

*對于多層板設(shè)計，應(yīng)確保有地平面層，減小共地阻抗。

3.3、串接阻尼電阻

在電路時序要求允許的前提下，抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號輸出端串入小阻值的電阻，通常采用22～33Ω的電阻。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時間并能使過沖及下沖信號變得較平滑，從而減小輸出波形的高頻諧波幅度，達(dá)到有效地抑制EMI的目的。

3.4、屏蔽

*關(guān)鍵器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽網(wǎng)。

*對關(guān)鍵信號的屏蔽，可以設(shè)計成帶狀線或在關(guān)鍵信號的兩側(cè)以地線相隔離。

3.5、擴(kuò)頻

擴(kuò)展頻譜(擴(kuò)頻)的方法是一種新的降低EMI的有效方法。擴(kuò)展頻譜是將信號進(jìn)行調(diào)制，把信號能量擴(kuò)展到一個比較寬的頻率范圍上。實際上，該方法是對時鐘信號的一種受控的調(diào)制，這種方法不會明顯增加時鐘信號的抖動。實際應(yīng)用證明擴(kuò)展頻譜技術(shù)是有效的，可以將輻射降低7到20dB。

3.6、EMI分析與測試

*仿真分析

完成PCB布線后，可以利用EMI仿真軟件及專家系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，模擬EMC/EMI環(huán)境，以評估產(chǎn)品是否滿足相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。

*掃描測試

利用電磁輻射掃描儀，對裝聯(lián)并上電后的機(jī)盤掃描，得到PCB中電磁場分布圖(如圖3，圖中紅色、綠色、青白色區(qū)域表示電磁輻射能量由低到高)，根據(jù)測試結(jié)果改進(jìn)PCB設(shè)計。

4、小結(jié)

隨著新的高速芯片的不斷開發(fā)與應(yīng)用，信號頻率也越來越高，而承載它們的PCB板可能會越來越小。PCB設(shè)計將面臨更加嚴(yán)峻的EMI挑戰(zhàn)，唯有不斷探索、不斷創(chuàng)新，才能使PCB板的EMC/EMI設(shè)計取得成功。

審核編輯：湯梓紅