單板EMC設計的知識及經驗分享

本規(guī)范簡紹EMC的主要原則與結論，為硬件工程師們在開發(fā)設計中拋磚引玉。電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器。EMC就圍繞這些問題進行研究。

最基本的干擾抑制技術是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來切斷干擾的傳輸途徑。廣義的電磁兼容控制技術包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，但已延伸到其他學科領域。

本規(guī)范重點在單板的EMC設計上，附帶一些必須的EMC知識及法則。在印制電路板設計階段對電磁兼容考慮將減少電路在樣機中發(fā)生電磁干擾。問題的種類包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線產生的輻射和通過由互連布線和印制線形成的回路拾取噪聲等。

在高速邏輯電路里，這類問題特別脆弱，原因很多：

1、電源與地線的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁;

2、信號頻率較高，通過寄生電容耦合到步線較有效，串擾發(fā)生更容易;

3、信號回路尺寸與時鐘頻率及其諧波的波長相比擬，輻射更加顯著。

4、引起信號線路反射的阻抗不匹配問題。

一、總體概念及考慮

1、五一五規(guī)則，即時鐘頻率到5MHz或脈沖上升時間小于5ns，則PCB板須采用多層板。

2、不同電源平面不能重疊。

3、公共阻抗耦合問題。

模型：

由于地平面電流可能由多個源產生，感應噪聲可能高過模電的靈敏度或數(shù)電的抗擾度。

解決辦法：

①模擬與數(shù)字電路應有各自的回路，最后單點接地;

②電源線與回線越寬越好;

③縮短印制線長度;

④電源分配系統(tǒng)去耦。

4、減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5、一個重要思想是：PCB上的EMC主要取決于直流電源線的Z

二、布局

下面是電路板布局準則：

1、 晶振盡可能靠近處理器

2、 模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域

3、 高頻放在PCB板的邊緣，并逐層排列

4、 用地填充空著的區(qū)域

三、布線

1、電源線與回線盡可能靠近，最好的方法各走一面。

2、為模擬電路提供一條零伏回線，信號線與回程線小與5：1。

3、針對長平行走線的串擾，增加其間距或在走線之間加一根零伏線。

4、手工時鐘布線，遠離I/O電路，可考慮加專用信號回程線。

5、關鍵線路如復位線等接近地回線。

6、為使串擾減至最小，采用雙面#字型布線。

7、高速線避免走直角。

8、強弱信號線分開。

四、屏蔽

1、屏蔽 》 模型：

屏蔽效能SE(dB)=反射損耗R(dB)+吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關鍵是反射，吸收是低頻磁場屏蔽的關鍵機理。

2、工作頻率低于1MHz時，噪聲一般由電場或磁場引起，(磁場引起時干擾，一般在幾百赫茲以內)，1MHz以上，考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機架的屏蔽。

3、 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的，只要求高電導率材料和接地兩點。電磁屏蔽不要求接地，但要求感應電流在上有通路，故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導率的材料做 封閉的屏蔽體，為了讓渦流產生的磁通和干擾產生的磁通相消達到吸收的目的，對材料有厚度的要求。高頻情況下，三者可以統(tǒng)一，即用高電導率材料(如銅)封閉并接地。

4、對低頻，高電導率的材料吸收衰減少，對磁場屏蔽效果不好，需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵)。

5、磁場屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的最大線性尺寸。

6、磁耦合感應的噪聲電壓UN=jwB.A.coso=jwM.I1，(A為電路2閉合環(huán)路時面積;B為磁通密度;M為互感;I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓，有兩個途徑，對接收電路而言，B、A和COS0必須減小;對干擾源而言，M和I1必須減小。雙絞線是個很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積，并同時在絞合的另一根芯線上產生相反的電動勢。

7、防止電磁泄露的經驗公式：縫隙尺寸《λmin/20。好的電纜屏蔽層覆視率應為70%以上。

五、接地

1、300KHz以下一般單點接地，以上多點接地，混合接地頻率范圍50KHz～10MHz。另一種分法是：《 0.05λ單點接地;《 0.05λ多點接地。

2、好的接地方式：樹形接地

3、信號電路屏蔽罩的接地。

接地點選在放大器等輸出端的地線上。

4、對電纜屏蔽層，L《 0.15λ時，一般均在輸出端單點接地。L《0.15λ時，則采用多點接地，一般屏蔽層按0.05λ或0.1λ間隔接地。混合接地時，一端屏蔽層接地，一端通過電容接地。

5、對于射頻電路接地，要求接地線盡量要短或者根本不用接線而實現(xiàn)接地。最好的接地線是扁平銅編織帶。當?shù)鼐€長度是λ/4波長的奇數(shù)倍時，阻抗會很高，同時相當λ/4天線，向外輻射干擾信號。

6、單板內數(shù)字地、模擬地有多個，只允許提供一個共地點。

7、接地還包括當用導線作電源回線、搭接等內容。

六、濾波

1、選擇EMI信號濾波器濾除導線上工作不需要的高頻干擾成份，解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分，有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過渡性能最好，最能保證工作信號質量。

一個典型信號的頻譜：

2、選擇交直流電源濾波器抑制內外電源線上的傳導和輻射干擾，既防止EMI進入電網，危害其它電路，又保護設備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 《 1mhz時占主導地位。cm在》 1MHz時，占主導地位。

3、使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線上，用作高頻電路的去耦，濾波以及寄生振蕩的抑制。

4、盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF)，對進入板極的直流電源及穩(wěn)壓器和DC/DC轉換器的輸出進行濾波(uF)。

注意減小電容引線電感，提高諧振頻率，高頻應用時甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問題，也是單板EMC控制的手段。

七、其它

單板的干擾抑制涉及的面很廣，從傳輸線的阻抗匹配到元器件的EMC控制，從生產工藝到扎線方法，從編碼技術到軟件抗干擾等。一個機器的孕育及誕生實際上是EMC工程。最主要需要工程師們設計中注入EMC意識。