西南交大朱峰-PCB电磁兼容设计及排查技术

1EMC设计及设计及设计及设计及EMI排查技术排查技术排查技术排查技术-西南交大朱峰西南交大朱峰西南交大朱峰西南交大朱峰内容电子产品EMI对策的变化电磁兼容测试手段PCB的EMC设计
电流和回流
电源滤波
天线先进的EMI设计和排查手段
EMSCAN高速电磁干扰扫描系统
CASSPER虚拟暗室前言——EMC/EMI问题EMC/EMIEMC/EMIEMC/EMIEMC/EMI问题问题问题问题，，，，不仅仅是能否不仅仅是能否不仅仅是能否不仅仅是能否通过通过通过通过EMCEMCEMCEMC测试的问题测试的问题测试的问题测试的问题产品内部的电磁干扰
稳定性、可靠性产品对外产生的电磁干扰
空间——发射辐射
电缆——传导辐射产品对外界干扰的抵抗能力
空间——发射敏感度
电缆——传导敏感度电子产品EMI对策的变化适应未来要求的EMI新对策2传统EMI对策查找EMI问题的方法：频谱仪频谱仪频谱仪频谱仪＋＋＋＋近场探头近场探头近场探头近场探头
“探测火苗”采取的手段：屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽＋＋＋＋滤波滤波滤波滤波
把“火苗”捂在设备内部传统对策遇到新问题需要考虑设备内部EMI问题，不能使用屏蔽/滤波手段
板间
板内信号间屏蔽和滤波会增加重量、成本信号频率与干扰频率一致，不能采用滤波频率提高，布线、屏蔽体、机箱等成为天线高频信号耦合到电缆，由电缆发射EMC对策新理念传统对策新对策新EMI对策的核心全体人员认识EMI形成及抑制机理
全体人员：项目负责人、总体设计人员、硬件工程师、结构工程师、EMI工程师
认识EMI：借助先进的工具，迅速积累经验
采取科学手段：灭火种，切断火的蔓延路径建立科学的EMC管理体系
项目各阶段EMC的评估
制订针对各类设计人员的工艺要求
利用先进的工具，设立质量控制点，并建立完善的评估体系3及早考虑EMI/EMS/EMCEMI/EMC是项系统工程
早考虑成本低，手段多，效率高
需要产品所有组件协同配合专家的经验PCB设计的很多规则
设计能全部按照设计规则执行吗？
所有的理论在所有场合都正确吗？仿真技术
EMC仿真：需要SPICE模型，很难获得
地平面、电源平面、滤波电容建模：精度与速度及早引入测量技术
电磁场扫描技术、EMC预兼容测试新理念要求企业充分重视EMCEMC是一项系统工程，不是EMC工程师一个人的事情
总体设计、单板设计阶段就需要考虑
仅整机考虑：成本高，速度慢，问题复杂为工程师制订“工艺文件”
把经验总结为《电子产品设计规则》，成为《设计工艺文件》，避免犯类似错误EMC是产品质量的一个非常重要的指标
需要保证生产线的产品与设计原型一致新理念要求：提高工程师素质是根本我国的EMI问题刚刚得到重视
工程师经验积累少、缺乏频域测量手段先进的设备，仅仅是一种手段，最终解决问题还是需要工程师丰富的经验
“容向系统”定期出版“典型案例分析”
“容向系统”提供专家级的技术服务好的测量手段能帮助你迅速积累正确的经验对EMI产生和抑制机理的理解，是解决未来EMI问题的基础EMC/EMI测试手段EMC认证测试预兼容测试近场测量4EMC认证测试技术环境要求
发射辐射：开阔场或半电波暗室
发射抗扰度测试：全电波暗室。EMC认证测试技术远场测量
测量天线与被测物的距离一般为1、3、10米
给出的结果是一张频谱图EMC预兼容测试EMC预测试的需求
认证测试费用高，需出差，需预约等待
很难在认证测试中心进行各类试验
成败型测试，解决问题的代价高、手段少、时间长EMC预测试目的
去认证测试前，进行摸底测试
在产品研制的过程中，及早发现问题并采取对策，降低纠错成本
提高认证测试的一次性通过率。传统预测试的问题传统预测试方法
主设备：频谱仪
环境：普通工作环境
方法：EUT开机关机各测一次，结果相减
EMI定位：配单探头问题
背景信号不稳定
EUT与背景相同的频率点
结果有偏差5近场测量测量EUT上的电流：EMI是EUT上的高频电流回路形成的。精确定位EMI产生的源头和分布区域。认识EMI的形成机理PCB的EMC设计技术高速PCB？与工作频率无关，仅与所使用的器件有关fknee=1/(π*Tr)，Tr＝1ns，则fknee=320MHz1/πTd1/πtr频率（对数）谐波幅度（电压或电流）第一转折频点第二转折频点共模和差模对EMC测试的影响35.533494334943333266332663333114331143033383338B极限值@10米dBuV/mE场dBuV谐波MHzE场dBuV谐波MHz差模电流3×3cm的电流环路上15mA的电流共模电流10米电缆上0.0015mA的电流对于对于对于对于EMC测试测试测试测试：：：：共模辐射比差模辐射的影响要大共模辐射比差模辐射的影响要大共模辐射比差模辐射的影响要大共模辐射比差模辐射的影响要大100－－－－1000倍倍倍倍例子例子例子例子：：：：上升沿上升沿上升沿上升沿5ns的的的的38MHz时钟时钟时钟时钟：：：：6如何减小差模辐射？E=2.6IAf2/DI电流——信号线电流【原理图设计阶段考虑】减小负载——使用驱动电路增加线路阻抗——改变阻尼电阻值I电流——电流回流【PCB设计阶段考虑】R降低电流【I】和频率【f】使用最合适最合适最合适最合适的器件利用阻尼电阻，减缓上升沿，同时保证SI和EMC有多于58个谐波分量有11个谐波分量接510欧姆阻尼电阻PCB上EMC问题的主要原因不均匀分布的电流以及回流
过细的电源线或者地线【单/双层板】
信号线的辐射（上升沿陡，Tr小的信号）
信号线共享回流路径电源滤波——通过外接电缆辐射出去
不合理的滤波电容值
不合理的滤波电容放置位置
不合理的分层结构天线效应——引起EMS问题PCB上EMC问题的原因＃1电流和回流电源滤波天线效应7不均匀分布的电流电源线和地线上的电流
过细的电源线或者地线
单层/双层板上多见信号线上的电流
高速信号线【时钟线】，瞬间需要大电流
数字总线【数据线、地址线等】不均匀分布的电流VCC1VCC大功率器件VCC/S2S1GND磁珠VCCVCC1过孔电源分割时常见的问题：过孔上的大电流信号线电流——高频时钟
发送侧串接22－220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。
采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。
高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）尽可能有地线护送【护送地线要“良好接地”】信号线电流——数字总线频率在50MHz以上的高频数字总线，应尽可能考虑总线中的每条信号线均串接一个22-300欧姆左右的阻尼电阻频率在75MHz以上时，必须串接阻尼电阻。阻尼电阻必须放在发送侧并尽可能靠近发送器件。尽可能在元件面/焊接面布，不打过孔。连接至xxRAM的数据线的次序可以根据布线需要打乱。具有很强的电磁辐射！敏感信号应远离！8不均匀分布的电流回流信号线换层
回流平面换层，垂直方向的回流？跨越参考平面【地平面或者电源平面】的分割走线
人为的分割
无意的分割单元电路连接部分的地线和电源线设计
背板和子板的接插件
板间连接电缆的地线和电源线电流回流【多层板】低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】多层板信号线换层如果存在两个以上地层：
在信号线换层多的区域，需要地层间有密集过孔
否则，表现出来的现象是附近滤波电容处有强辐射【滤波电容的地引脚会把多个地层连接起来】S1GNDS2S3GND？电流回流多层板信号线换层换层前后，参考平面分别是电源和地时：
在信号线换层多的区域，需要适当的旁路电容构成较好的电流回路
否则，表现出来的现象是附近滤波电容处有强辐射【滤波电容起了回流作用】S1GNDS2VCC？电流回流9回流——模拟/数字、射频/数字模拟区域数字区域模拟区域受到数字电路的干扰回流问题——安全间距信号线共享回流路径信号线共享回流路径信号线共享回流路径信号线共享回流路径（（（（EMI以及感性串扰以及感性串扰以及感性串扰以及感性串扰））））在数字电路中在数字电路中在数字电路中在数字电路中，，，，感性串扰感性串扰感性串扰感性串扰容性串扰容性串扰容性串扰容性串扰案例——感性串扰接插件过孔安全间距过大，破坏了地平面回流问题——密集过孔密集过孔，破坏地平面，无意的分割无意的分割无意的分割无意的分割跨越分割的信号线，会产生感性串扰和共模EMI10回流问题——密集过孔BGA芯片核电压分割引起EMI1.8V电源电路电源电路电源电路电源电路BGA芯片的总线的工作频率为125MHz焊接面布有信号线倒数第二层是电源层RJ45电缆上的EMIBGA芯片芯片芯片芯片单面板/双面板PCB单面或双面板，没有电源面和地线面，EMI控制难度大布局：考虑布线方便以及电流均匀布地线、电源线，布放滤波电容
电源线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的串扰。布关键信号线（时钟信号等）：
靠近地回路，形成较小的回流面积。布其他信号线：避免大面积无地信号线组。地敷铜，良好敷铜，能达到4层板的效果！单面板/双面板PCB地线网格双层电路板的走线优先考虑地线的规划网格大小：x6cm，且y6cm11单层或双层板如何减小环路的面积回流问题——电缆或板间连接器地线应该尽可能均匀分布于信号线中间连接器上的电流回流板间电缆上的电磁辐射12PCB上EMC问题的原因＃2电流和回流电源滤波天线效应△I噪声电流是EMI的根源信号发生0-1的变换时，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，会有电流从所接电源流入门电路，或从门电路流入地线，这个变化的电流就是△I噪声的源，亦称为△I噪声电流。由于电源线和地线存在一定的阻抗，其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压，并引发其电流电压的波动，这个电源电压变化就是△I噪声电压，会引起误操作，并产生传导骚扰和辐射骚扰。在电路中,当器件的众多信号管脚同时发生0－1变换时,不论是否接有容性负载,都会产生很大的△I噪声电流,使得器件外部的工作电源电压发生突变。地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被被被被驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路ICCI驱动驱动驱动驱动I充电充电充电充电I放电放电放电放电IgVg电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg13去耦电容对△I噪声电流的抑制作用去耦技术：
安装去耦电容来提供一个电流源；
补偿逻辑器件工作时所产生的△I噪声电流；去耦的目的
保证直流工作电压的稳定；
确保各逻辑器件正常工作。电源滤波目的：把芯片产生的EMI控制在最小的区域滤波频率和电容值
几十MHz及以下的滤波，电解电容【uF】
几十至300MHz的滤波，每个供电组一个0.1/0.01uF
300MHz以上，电源层和地层的等效阵列电容，几十pF；或者在产生高频干扰的芯片上并接pF级的滤波电容。滤波电容布放
就近连接原则：尽可能靠近芯片【除低频滤波外】
最佳位置：焊接面PCB分层考虑元件面、焊接面：敏感信号线及总线
方便调测，易于控制
一般建议：元件面布放第二层、倒数第二层：地／电源层
保证元件面和焊接面敏感信号线的SI。4层板：S1/G/P/S2，S1放置主要信号线6层板：S1/G/S2/P/G/S3，S1/S3主要信号6层板：S1/S2/G/P/S3/S4
适合于：电源种类少，S1、S4能大面积敷铜8层板：S1/G/S2/G/P/S3/G/S4PCB分层考虑电源层旁边安排一个完整的地层，滤除300MHz以上的干扰14一块PCB内只设一个电源层——电源分割电源层分割实例图示为一个电源层，用不同颜色代表不同电压滤波电容的放置和连接增强滤波：磁珠＋电容磁珠特性及选择直流电阻尽可能低，同时需要过滤的干扰的频率范围内的阻抗尽可能大但太小的直流电阻会引起谐振，所以不推荐使用直流电阻太低的磁阻不推荐使用没有给出低频特性的磁阻15电容并联时避免反谐振点多层板滤波电容的分工电解电容高频滤波电容G/P等效电容“被忘记”滤除的415MHz△I噪声是引起EMI问题的最主要的原因传统的传导EMI的频率为150kHz－30MHz现在电缆上的噪声会有几百兆甚至几个GHz
扼流圈不再起作用80％以上的发射EMI问题，来自电缆电缆上的高频