数字电路PCB的EMI控制技术

接线图 2023年07月21日 22:51 197 admin

　　在处理各种形式的EMI时，必须具体问题具体分析。在数字电路的PCB设计中，可以从下列几个方面进行EMI控制。

　　一、器件选型

　　在进行EMI设计时，首先要考虑选用器件的速率。任何电路，如果把上升时间为5ns的器件换成上升时间为2.5ns的器件，EMI会提高约4倍。EMI的辐射强度与频率的平方成正比，最高EMI频率（fknee）也称为EMI发射带宽，它是信号上升时间而不是信号频率的函数：fknee =0.35/Tr (其中Tr为器件的信号上升时间)

　　这种辐射型EMI的频率范围为30MHz到几个GHz，在这个频段上，波长很短，电路板上即使非常短的布线也可能成为发射天线。当EMI较高时,电路容易丧失正常的功能。因此,在器件选型上，在保证电路性能要求的前提下,应尽量使用低速芯片，采用合适的驱动/接收电路。另外，由于器件的引线管脚都具有寄生电感和寄生电容，因此在高速设计中，器件封装形式对信号的影响也是不可忽视的，因为它也是产生EMI辐射的重要因素。一般地,贴片器件的寄生参数小于插装器件，BGA封装的寄生参数小于QFP封装。

　　二、连接器的选择与信号端子定义

　　连接器是高速信号传输的关键环节,也是易产生EMI的薄弱环节。在连接器的端子设计上可多安排地针,减小信号与地的间距,减小连接器中产生辐射的有效信号环路面积,提供低阻抗回流通路。必要时,要考虑将一些关键信号用地针隔离。

　　三、叠层设计

　　在成本许可的前提下，增加地线层数量，将信号层紧邻地平面层可以减少EMI辐射。对于高速PCB，电源层和地线层紧邻耦合，可降低电源阻抗，从而降低EMI。

　　四、布局

　　根据信号电流流向，进行合理的布局，可减小信号间的干扰。合理布局是控制EMI的关键。布局的基本原则是：

　　●模拟信号易受数字信号的干扰,模拟电路应与数字电路隔开；

　　●时钟线是主要的干扰和辐射源,要远离敏感电路,并使时钟走线最短；

　　●大电流、大功耗电路尽量避免布置在板中心区域，同时应考虑散热和辐射的影响；

　　●连接器尽量安排在板的一边，并远离高频电路；

　　●输入/输出电路靠近相应连接器,去耦电容靠近相应电源管脚；

　　●充分考虑布局对电源分割的可行性，多电源器件要跨在电源分割区域边界布放，以有效降低平面分割对EMI的影响；

　　●回流平面（路径）不分割。

　　五、布线

　　●阻抗控制:高速信号线会呈现传输线的特性,需要进行阻抗控制，以避免信号的反射、过冲和振铃，降低EMI辐射。

　　●将信号进行分类，按照不同信号（模拟信号、时钟信号、I/O信号、总线、电源等）的EMI辐射强度及敏感程度，使干扰源与敏感系统尽可能分离，减小耦合。

　　●严格控制时钟信号(特别是高速时钟信号)的走线长度、过孔数、跨分割区、端接、布线层、回流路径等。

　　●信号环路，即信号流出至信号流入形成的回路，是PCB设计中EMI控制的关键，在布线时必须加以控制。要了解每一关键信号的流向，对于关键信号要靠近回流路径布线,确保其环路面积最小。

　　对低频信号,要使电流流经电阻最小的路径；对高频信号,要使高频电流流经电感最小的路径,而非电阻最小的路径(见图1)。对于差模辐射,EMI辐射强度(E)正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方。(其中I是电流、A是环路面积、f是频率、r是到环路中心的距离,k为常数。)

数字电路PCB的EMI控制技术第1张

　　因此当最小电感回流路径恰好在信号导线下面时,可以减小电流环路面积,从而减少EMI辐射能量。

　　●关键信号不得跨越分割区域。

　　●高速差分信号走线尽可能采用紧耦合方式。

　　●确保带状线、微带线及其参考平面符合要求。

　　●去耦电容的引出线应短而宽。

　　●所有信号走线应尽量远离板边缘。

　　●对于多点连接网络，选择合适的拓扑结构，以减小信号反射，降低EMI辐射。

　　六、电源平面的分割处理

　　●电源层的分割

　　在一个主电源平面上有一个或多个子电源时,要保证各电源区域的连贯性及足够的铜箔宽度。分割线不必太宽,一般为20～50mil线宽即可,以减少缝隙辐射。

　　●地线层的分割

　　地平面层应保持完整性,避免分割。若必须分割，要区分数字地、模拟地和噪声地,并在出口处通过一个公共接地点与外部地相连。

　　为了减小电源的边缘辐射,电源/地平面应遵循20H设计原则，即地平面尺寸比电源平面尺寸大20H（见图2），这样边缘场辐射强度可下降70% 。

数字电路PCB的EMI控制技术第2张

　　七、EMI的其它控制手段

　　1. 电源系统设计

　　●设计低阻抗电源系统，确保在低于fknee频率范围内的电源分配系统的阻抗低于目标阻抗。

　　●使用滤波器，控制传导干扰。

　　●电源去耦。在EMI设计中,提供合理的去耦电容，能使芯片可靠工作，并降低电源中的高频噪声，减少EMI。由于导线电感及其它寄生参数的影响，电源及其供电导线响应速度慢，从而会使高速电路中驱动器所需要的瞬时电流不足。（https://www.jiexiantu.com/版权所有）合理地设计旁路或去耦电容以及电源层的分布电容,能在电源响应之前，利用电容的储能作用迅速为器件提供电流。正确的电容去耦可以提供一个低阻抗电源路径，这是降低共模 EMI的关键。

　　2. 接地

　　接地设计是减少整板EMI的关键。

　　●确定采用单点接地、多点接地或者混合接地方式。

　　●数字地、模拟地、噪声地要分开,并确定一个合适的公共接地点。

　　●双面板设计若无地线层,则合理设计地线网格很重要,应保证地线宽度>电源线宽度>信号线宽度。也可采用大面积铺地的方式,但要注意在同一层上的大面积地的连贯性要好。

　　●对于多层板设计,应确保有地平面层,减小共地阻抗。

　　3. 串接阻尼电阻

　　在电路时序要求允许的前提下，抑制干扰源的基本技术是在关键信号输出端串入小阻值的电阻，通常采用22～33Ω的电阻。这些输出端串联小电阻能减慢上升/下降时间并能使过冲及下冲信号变得较平滑，从而减小输出波形的高频谐波幅度，达到有效地抑制EMI的目的。

　　4．屏蔽

　　●关键器件可以使用EMI屏蔽材料或屏蔽网。

　　●对关键信号的屏蔽，可以设计成带状线或在关键信号的两侧以地线相隔离。

　　5．扩频