PCBlayout EMI设计(检查)规则

Page1PCBlayoutEMI设计（检查）规则Page2目录1.概述2.EMI噪音的模型-----差模与共模3.PCBlayoutEMI设计方法----滤波接地屏蔽4.13条经典EMI设计（检查）规则5.每条规则详细说明Page3经验告诉我们，通过修改PCBlayout而成功解决EMI的案例很多，PCB已成为EMI设计的关键。我们总结多年的经验，得出13条经典的设计规则。希望通过理解和运用13条经典EMI规则，并在PCBlayout过程中进行控制，减少PCB多次修改，缩短layout的时间。本规则针对高速数字信号PCB设计，适用于2层和多层板，但2层板更难实现部分的要求。一、概述Page4二、EMI噪声的模型-----差模与共模：磁力线向外：磁力线向内：电流方向图一：信号回路的磁场耦合分析差模共模Page5二、EMI噪音的模型-----差模共模哪个是差模，哪个是共模？I表示电流强度；f表示共模电流的频率；L表示电缆/PCB走线长度；d表示测量天线到电缆的距离共模计算公式：E=1.26*10-6df*I*L共模辐射与PCB哪些因素有关？信号IC1IC2源负载差模计算公式：E=1.316X10-14df2*I*AI表示电流强度；f表示差模电流的频率；A表示差模电流环路面积；d表示测量天线到电缆的距离差模辐射与PCB哪些因素有关？Page6二、EMI噪音的模型-----差模与共模差模干扰发生原因和解决方法：信号流出至信号流入形成信号环路,每个环路都相当于一个天线，这是差模干扰发生原因，也是PCB设计中EMI控制的关键。设计时要了解每一关键信号的流向，关键信号要靠近回流路径布线，确保其环路面积最小。减小差模辐射常用的方法：（1）降低电路的工作频率；（2）减小信号电流的环路面积A；（3）减小信号的电流强度。共模辐射是EMI最主要的干扰，通常是由于电路板地的“不平整”导致的，或者连接cable线两端地电位的高低差而导致连接线变成辐射天线。电路板则是由于地阻抗而引起电位高低不平，从而能量由高到底有了辐射的条件。所以PCB排版时要特别的注意PCB地阻抗的问题，从而减小其产生的干扰。减小共模辐射常用的方法：（1）降低地阻抗以减小地电位差；（2）使用去耦电容；（3）使用铁氧体磁环；（4）使用共模滤波器（电源/信号）共模干扰发生原因和解决方法：Page7三、PCBlayoutEMI设计方法—滤波接地屏蔽对于EMI控制，主要采用三种措施：滤波、接地、屏蔽。这三种方法虽然有着独立的作用，但是相互之间是有关联的，良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求，而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些。屏蔽：按照屏蔽的机理，分电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。滤波：通常采用去耦电容、EMI滤波器、磁性元件来实现。接地：尽量保持地平面完整，所有器件的接地脚尽快接到地平面。Page8四、13条经典EMI设计（检查）规则12.电源退耦电容的位置检查;13.供电连线和地线回路的检查；电源检查1.跨电源和地层的信号线检查;2.不连续的信号回路检查；3.信号线包地的检查;4.包地线上相邻2个地孔的距离;5.信号层板边缘的地孔检查;6.PCB布线长度检查;7.过孔数量检查;8.走线离板边的距离检查;9.连接到连接器上Filter检查;10.差分信号的检查;11.串扰检查;信号（电流）回路检查布线检查Page9五、每条规则详细说明1.跨电源和地层的信号线检查：对信号回流不能认为必须在走线正下方的参考平面。回流的途径是多方面：参考地平面，电源平面，相邻的地线，介质，甚至空气。我们知道，交流信号会自动选阻抗最小路径返回驱动端。但究竟哪个占主，要看它和信号走线的耦合程度，耦合最强的将为信号提供最主要回流途径。如在多层PCB，参考平面很近，耦合了绝大部分的电磁场，99％以上信号能量将集中在最近的参考平面回流。信号回流路径：地或电源做交流信号回路理想信号回流示意图信号实际情况的信号回流信号地/电源回路电容电容Page10五、每条规则详细说明1.跨电源和地层的信号线检查：换层电容：连接电源和地层。位置安装在顶层或底层。EMI设计规则一：如是四层板，在跨电源和地层的信号线附近放置换层电容，形成信号回路。高速信号应尽量避免换层。Page11五、每条规则详细说明1.跨电源和地层的信号线检查:规则细则：(1).高速数字信号（10MHz以上）如通过Via跨电源和地层，必须增加换层电容；(2).换层电容距离信号Via不得超过200mil（5mm);(3).一个换层电容可以作为多个信号的回路,根据离信号的距离决定放置多少个电容。Page12五、每条规则详细说明1.跨电源和地层的信号线附近放置换层电容案例:剪裁于40-LCNP90-MAD4XG放大换层电容Page13五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查:EMI设计规则二：对高速信号走线区域最大限制地保持地层和电源层的完整，使地层或电源层成为其最好信号回路，并保证回流路径最佳。地层作为信号回流路径TOP层走线BOTTOM层走线电源层作为信号回流路径信号回路Page14五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查检查:高速信号线换层造成回流路径变换，下图无换层电容，信号回流路径不理想。Page15五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查检查:图解：在BOTTOM层的CLK+和CLK-因电源层的分割，使电源层无法成为其回路。高速信号线出现跨岛，回流路径不理想Page16五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查:规则细则：(1).如高速信号通过Via跨越了电源和地层，放置换层电容且离信号Via不超过200mil，从而实现连续信号回路;（同规则一）(2).采用包地来实现信号回路时，信号线离地网络不超过10mil；信号通过Via换层时，回流路径改变，放置过层电容，实现连续回路。线间距应小于10milPage17五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查的案例一:换层电容通过放置换层电容，实现信号连续回路。（同规则一）剪裁于40-LCNP90-MAD4XGPage18五、每条规则详细说明2.不连续的信号回路检查的案例二:走线过孔太集中，镜像层形成槽孔，造成参考平面不连续信号回路Page19五、每条规则详细说明3.信号线包地检查:空间受限包地无法再深入EMI设计规则三：为高速（敏感）信号提供良好的信号回路，减少回路面积，同时，起到隔离和屏蔽的作用。（2层板特别常用）Page20五、每条规则详细说明3.信号线包地检查:规则细则：(1).高速信号（CLKI2SDDRHDMI）和音视频敏感信号需要包地。(2).信号线离地网络最大距离为10mil;(3).包地线离信号的Pad距离为200mil视为有效包地；(4).包地线要有足够的宽度而且要通过VIA接到地层；200mil线间距应小于10milPage21五、每条规则详细说明3.信号线包地检查的案例:信号线包地Page22五、每条规则详细说明3.信号线包地检查的案例:案例:黄色走线即I2S信号线PHILIPS机型MT22机芯I2S信号走线很长,而且走线靠近高频头,49M内部频率的4倍频,对self-pollution产生影响,采用包地处理和接地后已解决.Page23五、每条规则详细说明4.包地线上相邻2个地孔的距离：EMI设计规则四:对高速信号包地线相邻过孔距离不超过400mil。400milPage24五、每条规则详细说明4.包地线上相邻2个地孔的距离检查的案例一：DDR芯片高速信号线相邻过孔距离不超过400mil剪裁于：40-00MS68-MAA2XG双面板DDRPage25五、每条规则详细说明4.包地线上相邻2个地孔的距离检查案例二：相邻过孔距离不超过400milPage26五、每条规则详细说明5.信号层板边缘的地孔检查：规则细则：(1).接地孔尽量接近地平面边缘，接地孔距离地边缘最大不超过200mil;(2).地线上的相邻2个地孔的距离最大为400mil（同规则4)；(3).尽量保证高速PCB板TOPorBOTTOM四周是地环,通过VIA接到地层。200milTOPorBOTTOM的地环EMI设计规则五：TOP和BOTTOM层四周保留一定宽度的地环，通过VIA连接起来。Page27五、每条规则详细说明5.地平面边缘的地孔检查的案例：TOPorBOTTOM的地环Page28五、每条规则详细说明6.PCB布线长度检查：L1L2L=L1+L2规则细则：(1).频率越高，L要求越短;(2).PCB长度要短于某一特定频率的1/4波长。EMI设计规则六：高速信号的走线越短越好。Page29五、每条规则详细说明大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长（λ）。因此在EMC的规范中，要求导线或走线的长度少于λ/20，否则它突然地变成一根高效能的天线。例如：假设有一根10cm的走线在频率超过150MHz时，将形成一根有效率的辐射天线。因为在150MHz时，其波长λ=2m，所以λ/20=10cm等于走线的长度；若频率大于150MHz，其波长λ将变小，其1/4λ或1/2λ值将接近于走线的长度10cm，随着频率的提高，逐渐形成一根完美的天线。6.PCB布线长度检查：我们知道波长和频率之间的物理关系：λ=300f*=PCB介电常数4.5-4.8Page30五、每条规则详细说明6.PCB布线长度检查：这里指的频率包括两方面信号：一、信号频率足够高；二、信号边沿足够小；我们知道，高速开关信号的EMI发射带宽的计算公式：f=1/πTr，f为开关电路产生的最高EMI频率，单位为GHzTr为信号的上升时间或者下降时间，单位为ns。如上升时间为1ns，它所产生的最高EMI频率为350MHz，而降为为500ps，那么最高EMI频率为700MHz。因此，我们在layout时重点关注频率高和上升或者下降时间快的信号。如CLOCKI2SDDRLVDS等高速数字信号。Page31五、每条规则详细说明6.PCB布线长度检查的案例：DDR部分Page32五、每条规则详细说明7.过孔数量检查：规则细则：随着频率升高，过孔的数量要减少，对于高速信号，尽量不做过孔。一般信号的过孔数量最多不能超过5个。EMI设计规则七：高速信号走线的过孔越少越好。Page33五、每条规则详细说明7.过孔数量检查的案例：DDR部分Page34五、每条规则详细说明8.走线离板边的距离检查：规则细则：1.PCB的信号网络(除GND），其走线离板边的距离大于40mil。2.地平面边缘要比电源平面边缘宽80mil。40mil电源层地层80milEMI设计规则八：高速信号的走线离板边缘保留一定距离。Page35五、每条规则详细说明8.走线离板边的距离检查的案例一：走线太靠边，不理想Page36五、每条规则详细说明8.走线离板边的距离检查的案例二：最外加地线保护，0.5mm线宽并加小接地孔.Page37五、每条规则详细说明9.连接到连接器上的Filter（RLCF）安装位置检查：规则细则：在插座上每个控制信号（I/O）网络放置Filter(LCRF),Filter距离连接器的距离不得大于1400mil。EMI设计规则九：在插座每个I/O信号脚增加Filter,使干扰信号不能通过连接线辐射出去。1400mil（备注：对于从IC出来的干扰，Filter应接近IC放置）Page38五、每条规则详细说明9.连接到连接器上的Filter（RLCF）安装位置检查的案例：在插座的根部放置电容器C.在LVDS插座的根部放置电容器C.Page39五、每条规则详细说明10.差分信号的检查：规则细则：(1).差分组内的长度差建议不能超过80mil；(3).2组平行线间的距离大于3倍组内距离；(4).组内不平行部分的长度的最大值为80mil；(5).增加Filter滤波。共模电感靠近IC输出，电容靠近插座输出引脚；EMI设计规则十：差分信号layout注意：1.阻抗配合（HDMI阻抗要求100欧）2.组内和组间等长；3.组内紧密耦合，组间远离防止串扰；4.高速信号不走过孔（TOP布线）