数字及控制类的PCBEMC设计

数字及控制类的PCBEMC设计EMC研究室原晓霞程刚2007.04前言EMC设计流程已经启动；针对EMC设计流程大家共同讨论制定了五个CHECKLIST：《数字控制类产品EMC设计checklist》，《功率系统EMC设计checklist》，《功率模块的EMC设计查检表》，《PCB的EMC设计checklist》，《结构EMC设计checklist》，在以后产品设计中，将会依据这些CHECKLIST进行评审；本培训胶片针对《PCB的EMC设计CHECKLIST》完成的《数字及控制类PCBEMC设计》，对PCBEMC设计提供一些指导。主要内容一、层设置二、布局三、布线四、双面板回顾两个内容差模辐射共模辐射回顾两个内容差模辐射共模辐射•其中,E=有效辐射场（V/m)•A=环面积（cm2)•f=频率（MHz)•Is=源电流（mA）•l=走线或线缆的长度（m)•r=辐射部件到接受天线的距离（m)dici差模辐射共模辐射)/)(1)(**(10*263216mVrIAfES)/)(1)(**(10*47mVrIlfES层设置层数设置是否合理–控制板层数多少是否考虑器件密度、层间结构、最密器件及5-5原则–电源和地的总层数等于信号层数–功率板层数多少是否考虑器件密度、功率线流向顺畅、功率密度。层设置及电源、地参考平面–关键布线层是否与地平面相邻，优选两地平面之间–对于没有加强绝缘要求的单板，电源和地层层间距≤10mil–电源、地平面分割处理是否适当（分割间距≥100mil）–电源平面是否相对相邻地平面内缩至少20H–布线层投影区是否在相邻平面层的投影区域之内–过孔、焊盘等导致的参考平面缝隙长度是否≤500mil–6层单板TOP、BOTTOM层是否无≥50MHZ的关键信号布线，否则采用GUARDLINE方式–板级工作频率≥50MHZ的单板若第二层、倒数第二层为布线层，则TOP、BOTTOM层是否铺接地铜箔–单板主要工作电源平面是否与对应地平面相邻–主要元件面的相邻平面是否为地平面–层的设置是否满足阻抗控制要求，兼顾层压结构对称层数设置是否合理控制板层数多少是否考虑器件密度、层间结构、最密器件及5-5原则；–单板器件的密度是决定层数的条件之一；–5-5原则是EMC理论中决定层数的条件之一；•所谓5-5原则，也即频率大于5MHz，沿速率小于5ns的信号为高速信号，要求必须有完整地平面，布线时应尽量地层；–层间结构决定层数，在实际应用往往都由层数决定层间结构，而非层间结构决定层数；此单板密度非常大，必须要有四层走线。因此要采用八层板。层数设置是否合理–最密的器件也是决定层数的条件之一；•如BGA封装的芯片，管脚非常密集，本身就要求了最多的走线层数；•在实际操作中，通常最密的器件为CPU，要求的布线层相对于其他器件要多。–在实际的应用中，成本也是决定单板层数的要因之一。•又由于有成本的要求，不可能整个单板都采用同样多的层数，所以经常会把CPU升起来，做成CPU扣板；BGA封装CPU。层数设置是否合理电源和地的总层数等于信号层数；–电源平面紧临地平面；–元件面紧临地平面；–信号层紧临平面层；所以：–通常四层板有2个走线层，通常选择S/G/P/S层间结构；–通常六层板有3个走线层，通常选择S/G/S/P/G/S层间结构；•增加PCB层数，增加地层，有利于改善PCB的EMC性能，经验值，每增加两个平面层，EMI改善10dB；层数设置是否合理功率板层数多少是否考虑器件密度、功率线流向顺畅、功率密度–与功率模块有关，在此不再赘述。层设置及电源、地参考平面关键布线层应与地平面相邻，优选两地平面之间；–目的是给信号提供回流。信号总是从阻抗最小的路径回流；•电阻：直流状态下Trace对电流呈现的阻抗；•阻抗：交流状态下Trace对电流呈现的阻抗；•随着频率的升高，Trace阻抗远大于直流电阻。•f1kHz--R1kHzf10kHz--R+Lf10kHz--L层设置及电源、地参考平面–与地平面相邻的信号层通过地平面回流具有最低的回路阻抗，回路面积最小，产生的发射也最小；–与单个地平面相邻的走线为微带线；–两个地层间的信号线为带状线结构；层设置及电源、地参考平面对于没有加强绝缘要求的单板，电源和地层层间距≤10mil–电源和地平面，构成一个天然的电容，平面电容ESR很小，没有ESL，接近理想电容；–平面电容与平面间距成反比，距离越小，电容越大，去耦效果越好；。电源和地平面间的电容平面间距；平行平面面积；相对介电常数；CdA0rrdAdAC理想电容的阻抗特性曲线。平面间电容的计算公式。层设置及电源、地参考平面电源平面是否相对相邻地平面内缩至少20H；–可有效降低电源平面引起的共模发射；–所谓H，为电源平面与地平面之间的间距；层设置及电源、地参考平面电源、地平面分割处理是否适当（分割间距≥100mil）；–电源、地平面的分割是为了隔离共模噪声；–当隔离带很小的时候噪声会通过平面之间的电容进行耦合，不能起到共模隔离的作用；如图左，原辅助源MOS管与GND的间隔只有25mil，导致辐射在90-300MHz频段内超标，在进场定位时发现，将散热铜皮割掉，加大分割距离，可使超标频段改善15dB左右，更改后如图右，分割间距为145mil。层设置及电源、地参考平面布线层投影区是否在相邻平面层的投影区域之内–对于高频信号，信号是从对应平面层来回流的；–当走线层投影不在相邻平面层的投影之内时，信号的回流路径不确定，会从一个较大的回流面积来回流，造成辐射较大；层设置及电源、地参考平面–信号与信号回流，电流大小相等，方向相反，因此在远场相互抵消；–因此辐射强度只与环路面积相关；–直接从相邻的平面回流，保证了最小的环路面积；层设置及电源、地参考平面–在实际应用中，存在很多信号线走线不在地平面投影内的情况；层设置及电源、地参考平面过孔、焊盘等导致的参考平面缝隙长度是否≤500mil（1.25cm）；–信号回流路径被切断，将会找一个更大的回流路径来回流；–回路面积过大，差模辐射正比增加；–需要重点关注的器件：连接器、BGA封装的芯片；层设置及电源、地参考平面–网状结构布线导致平面层较大缝隙；层设置及电源、地参考平面–铺平面铜皮时，antipads设置减小，应小于6mil，最小可设4mil；–下图中处理办法较好：层设置及电源、地参考平面–将antipads设置减小，同时调整过孔位置，使过孔间的距离满足3W要求；–下图处理方法最优：层设置及电源、地参考平面6层单板TOP、BOTTOM层是否无≥50MHZ的关键信号布线，否则采用GUARDLINE方式–频率越高，从周期脉冲的辐射频谱来看，产生较强辐射的频谱范围更宽；–越高频率的信号，越容易引起辐射；因为波长越小，越容易存在合适的天线；层设置及电源、地参考平面–大于50MHz的信号，因为较容易发射问题，所以尽可能不走表层，而采用内层走线；–如必须走表层，在采用GuardLine方式，且在地线上多打过孔，减小GuardLine阻抗；层设置及电源、地参考平面–在走线层铺地，可以起到GUARDLINE的作用，如左图；–表层时钟走线的GUARDLINE处理方式；层设置及电源、地参考平面板级工作频率≥50MHZ的单板若第二层、倒数第二层为布线层，则TOP、BOTTOM层是否铺接地铜箔方式–如第二层、倒数第二层为走线层，而TOP层、BOTTOM层又为元件面，这样就存在两层相邻走线层；–而同时，表层的元件没有紧临平面层，也会存在接地阻抗较大，环路大，去耦差的问题；–这时，不仅TOP层、BOTTOM层需要在空闲地方铺接地铜箔，第二层、倒数第二层也需要在空闲地方铺接地铜箔；层设置及电源、地参考平面单板主要工作电源平面是否与对应地平面相邻；–主要电源平面与地平面相邻，可以减小电源和地之间的阻抗，增加去耦，并减小环路面积；–对于不能铺平面的电源，应电源和地并行走线，或叠层走线，优选叠层走线；层设置及电源、地参考平面主要元件面的相邻平面是否为地平面–表层布线需要第2层地为参考面；–器件封装内为开关器件，是di/dt、dv/dt的源头，应靠近地平面，减小环路，且减小阻抗；层设置及电源、地参考平面层的设置是否满足阻抗控制要求，兼顾层压结构对称；–对于特定的信号接口，会有阻抗要求；•网口的差分阻抗100欧姆，共模阻抗75欧姆；•同轴E1的阻抗75欧姆；•平衡E1的阻抗120欧姆。–对于高速信号，在PCB上的走线分为微带线和带状线，都是传输线结构，因此当沿速率小于传输延迟时，要考虑阻抗匹配问题，要保持在整个走线过程中阻抗保持不变；层设置及电源、地参考平面–当信号在传输的过程中，遇到高阻，会发射一个正电压；–当信号在传输的过程中，遇到低阻，会发射一个负电压；–因此要保证信号在传输过程中的阻抗一致；层设置及电源、地参考平面–从一个六层板的PCB文件中读到的层间结构信息，可以看出三个走线层的阻抗是不一致的；层设置及电源、地参考平面–调整中间走线层的铜厚，走线宽度，以及与相邻两个平面的间距，使三个走线层的阻抗基本保持一致；层设置及电源、地参考平面–层的设置是否满足阻抗控制要求，兼顾层压结构对称；•层压结构对称主要从工艺角度来考虑，避免单板出现翘曲，变形；•平面层处于对称的位置；•以八层板说明层压结构对称；布局•接口信号的滤波、防护和隔离等器件是否尽量靠近接口连接器放置，先防护，后滤波；•电源模块、滤波器、电源防护器件是否靠近电源的入口放置，尽可能保证电源的输入线最短，电源的输入输出分开，走线互不交叉；•敏感器件及电路是否远离辐射源放置；•敏感信号的滤波电容要放近接收端；•晶体、晶振、强辐射器件或敏感器件是否距单板拉手条、端口连接器的边缘≥1000mil；•滤波电容是否靠近IC的电源管脚放置；•时钟电路是否靠近负载；•整体布局是否参照原理功能框图，基于信号流布局，各功能模块电路分开放置；•多种模块电路在同一PCB上放置时，数字电路与模拟电路、高速电路与低速电路是否分开布局；•多种模块电路在同一PCB上放置时，敏感电路与干扰源电路是否分开布局；•Y电容所在位置优先考虑接地孔放置；•高速电路靠近相应的板边连接器放置时，高、中、低速电路距板边连接器是否由近及远依次排布；•除光耦、磁珠、隔离变压器、A/D、D/A等器件外，其它器件是否未跨分割区；•对于同一差分线对上的滤波器件是否同层、就近、并行、对称放置；布局接口信号的滤波、防护和隔离等器件是否尽量靠近接口连接器放置，先防护，后滤波；–防护器件最靠近端口，防止滤波元件以及后级电路被损坏；–滤波器件要尽量靠近接口放置，防止经过滤波的走线再次耦合噪声；–隔离器件靠近接口放置，也是为了保证隔离器件的共模隔离作用；Filter布局–注意滤波器件的摆放位置；布局–对于滤波器件可以耐受的防护等级，滤波器件可以放置在防护器件之前；•在原理图EMC设计CHECKLIST中，我们曾经提到，当防护器件很多，导致滤波器件远离接口的情况下，可以在接口处增加Y电容，这时，Y电容可以放置在放电管之前，尽量靠近接口，且Y电容可以耐受防护等级要求的电压；布局敏感器件及电路是否远离辐射源放置；–数字类辐射源：如晶振、晶体、CPU、SDRAM、FLASH；–接触类辐射源：如继电器、交流接触器；–电源模拟类辐射源：变压器、PWM、整流二极管、MOS管等；–敏感器件：模拟电路，mV和mA级采样电路，视音频模拟电路等；–隔离距离要大于2000mil。布局敏感信号的滤波电容要放近接收端。–敏感信号如复位信号，要在信号上增加滤波电容，这个电容一定要靠近芯片放置，保证敏感信号不受干扰；–下图中的PLC模块，在交流接触器动作时会导致模块复位。但是该复位信号也有滤波电容，但是滤波电容距离模块很远，所以经过滤波后的这一段走线会再次耦合噪声，从而导致模块复位。布局晶体、晶振、强辐射器件或敏感器件是否距单板拉手条、端口连接器的边缘≥1000mil–强辐射器件靠近接口，可以使辐射直接耦合到连接器上，从而