如何在電路板階段就進(jìn)行EMI處理

現(xiàn)如今各類電子產(chǎn)品都向著小體積集成化發(fā)展，小體積為人們帶來方便攜帶的便利，同時(shí)也將電磁干擾的問題重新推到了設(shè)計(jì)者面前。小體積的產(chǎn)品通常都面對(duì)著更加棘手的EMI問題，因此與傳統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)于EMI的預(yù)防也不禁相同，本文將為大家介紹從電路板設(shè)計(jì)上來對(duì)EMI進(jìn)行控制需要注意的點(diǎn)。

數(shù)字電路PCB的EMI控制技術(shù)

在處理各種形式的EMI時(shí)，必須具體問題具體分析。在數(shù)字電路的PCB設(shè)計(jì)中，可以從下列幾個(gè)方面進(jìn)行EMI控制。

器件選型

在進(jìn)行EMI設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮選用器件的速率。任何電路如果把上升時(shí)間為5ns的器件換成上升時(shí)間為2.5ns的器件，EMI會(huì)提高約4倍。EMI的輻射強(qiáng)度與頻率的平方成正比，最高EMI頻率(fknee)也稱為EMI發(fā)射帶寬，它是信號(hào)上升時(shí)間而不是信號(hào)頻率的函數(shù)：fknee =0.35/Tr(其中Tr為器件的信號(hào)上升時(shí)間)

這種輻射型EMI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz，在這個(gè)頻段上，波長很短，電路板上即使非常短的布線也可能成為發(fā)射天線。當(dāng)EMI較高時(shí)，電路容易喪失正常的功能。因此，在器件選型上，在保證電路性能要求的前提下，應(yīng)盡量使用低速芯片，采用合適的驅(qū)動(dòng)/接收電路。另外，由于器件的引線管腳都具有寄生電感和寄生電容，因此在高速設(shè)計(jì)中，器件封裝形式對(duì)信號(hào)的影響也是不可忽視的，因?yàn)樗彩钱a(chǎn)生EMI輻射的重要因素。一般地，貼片器件的寄生參數(shù)小于插裝器件，BGA封裝的寄生參數(shù)小于QFP封裝。

連接器的選擇與信號(hào)端子定義

連接器是高速信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是易產(chǎn)生EMI的薄弱環(huán)節(jié)。在連接器的端子設(shè)計(jì)上可多安排地針，減小信號(hào)與地的間距，減小連接器中產(chǎn)生輻射的有效信號(hào)環(huán)路面積，提供低阻抗回流通路。必要時(shí)，要考慮將一些關(guān)鍵信號(hào)用地針隔離。

疊層設(shè)計(jì)

在成本許可的前提下，增加地線層數(shù)量，將信號(hào)層緊鄰地平面層可以減少EMI輻射。對(duì)于高速PCB，電源層和地線層緊鄰耦合，可降低電源阻抗，從而降低EMI。

布局

根據(jù)信號(hào)電流流向，進(jìn)行合理的布局，可減小信號(hào)間的干擾。合理布局是控制EMI的關(guān)鍵。布局的基本原則是：

模擬信號(hào)易受數(shù)字信號(hào)的干擾，模擬電路應(yīng)與數(shù)字電路隔開;

時(shí)鐘線是主要的干擾和輻射源，要遠(yuǎn)離敏感電路，并使時(shí)鐘走線最短;

大電流、大功耗電路盡量避免布置在板中心區(qū)域，同時(shí)應(yīng)考慮散熱和輻射的影響;

連接器盡量安排在板的一邊，并遠(yuǎn)離高頻電路;

輸入/輸出電路靠近相應(yīng)連接器，去耦電容靠近相應(yīng)電源管腳;

充分考慮布局對(duì)電源分割的可行性，多電源器件要跨在電源分割區(qū)域邊界布放，以有效降低平面分割對(duì)EMI的影響;

回流平面(路徑)不分割。

布線

阻抗控制:高速信號(hào)線會(huì)呈現(xiàn)傳輸線的特性，需要進(jìn)行阻抗控制，以避免信號(hào)的反射、過沖和振鈴，降低EMI輻射。

將信號(hào)進(jìn)行分類，按照不同信號(hào)(模擬信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、I/O信號(hào)、總線、電源等)的EMI輻射強(qiáng)度及敏感程度，使干擾源與敏感系統(tǒng)盡可能分離，減小耦合。

嚴(yán)格控制時(shí)鐘信號(hào)(特別是高速時(shí)鐘信號(hào))的走線長度、過孔數(shù)、跨分割區(qū)、端接、布線層、回流路徑等。

信號(hào)環(huán)路，即信號(hào)流出至信號(hào)流入形成的回路，是PCB設(shè)計(jì)中EMI控制的關(guān)鍵，在布線時(shí)必須加以控制。要了解每一關(guān)鍵信號(hào)的流向，對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)要靠近回流路徑布線，確保其環(huán)路面積最小。

對(duì)低頻信號(hào)，要使電流流經(jīng)電阻最小的路徑;對(duì)高頻信號(hào)，要使高頻電流流經(jīng)電感最小的路徑，而非電阻最小的路徑(見圖1)。對(duì)于差模輻射，EMI輻射強(qiáng)度(E)正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方。(其中I是電流、A是環(huán)路面積、f是頻率、r是到環(huán)路中心的距離，k為常數(shù)。)

因此當(dāng)最小電感回流路徑恰好在信號(hào)導(dǎo)線下面時(shí)，可以減小電流環(huán)路面積，從而減少EMI輻射能量。

關(guān)鍵信號(hào)不得跨越分割區(qū)域;

高速差分信號(hào)走線盡可能采用緊耦合方式;

確保帶狀線、微帶線及其參考平面符合要求;

去耦電容的引出線應(yīng)短而寬;

所有信號(hào)走線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離板邊緣;

對(duì)于多點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減小信

號(hào)反射，降低EMI輻射。

電源平面的分割處理;

電源層的分割

在一個(gè)主電源平面上有一個(gè)或多個(gè)子電源時(shí)，要保證各電源區(qū)域的連貫性及足夠的銅箔寬度。分割線不必太寬，一般為20～50mil線寬即可，以減少縫隙輻射。

地線層的分割

地平面層應(yīng)保持完整性，避免分割。若必須分割，要區(qū)分?jǐn)?shù)字地、模擬地和噪聲地，并在出口處通過一個(gè)公共接地點(diǎn)與外部地相連。為了減小電源的邊緣輻射，電源/地平面應(yīng)遵循20H設(shè)計(jì)原則，即地平面尺寸比電源平面尺寸大20H(見圖2)，這樣邊緣場(chǎng)輻射強(qiáng)度可下降70%。

在電路板設(shè)計(jì)階段就對(duì)EMI處理進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)非常明智的選擇，其能夠?yàn)镋MI的抑制起到非常重要的作用。如果能在電路板階段處理好PCB的EMI的問題，對(duì)于整體的電磁干擾抑制有著非常大的好處，同時(shí)在電路板階段進(jìn)行電磁干擾處理也是一種最為低成本有效地方法，希望大家在看過本文之后能更近一步了解其中的知識(shí)點(diǎn).