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板級(jí)設(shè)計(jì)中控制共模輻射EMI的主要步驟

  電磁干擾(EMI)指電路板發(fā)出的雜散能量或外部進(jìn)入電路板的雜散能量,它包括:傳導(dǎo)型(低頻)EMI、輻射型(高頻)EMI、ESD(靜電放電)或雷電引起的EMI。傳導(dǎo)型和輻射型EMI具有差模和共模表現(xiàn)形式。
    在處理各種形式的EMI時(shí),必須具體問題具體分析。對(duì)于ESD和雷電引起的EMI,必須利用EMI抑制器件在ESD和雷電進(jìn)入系統(tǒng)之前予以消除,防止由此導(dǎo)致的系統(tǒng)工作異常或損壞。對(duì)傳導(dǎo)型或低頻EMI,不論是接收還是發(fā)送,都要在電源線上和電路板輸入/輸出口的傳輸線路上采取濾波措施。輻射型EMI的抑制有3種基本形式:電子濾波、機(jī)械屏蔽和干擾源抑制。
    在所有EMI形式中,輻射型EMI最難控制,因?yàn)檩椛湫虴MI的頻率范圍為30MHz到幾個(gè)GHz,在這個(gè)頻率段上,能量的波長很短,電路板上即使非常短的布線都能成為發(fā)射天線。此外,在這個(gè)頻段電路的電感增大,可能導(dǎo)致噪聲增加。EMI較高時(shí),電路容易喪失正常的功能。
    盡管輻射型EMI的控制和屏蔽可以通過機(jī)械屏蔽技術(shù)、電子濾波或干擾源抑制,且電子濾波和機(jī)械屏蔽技術(shù)對(duì)EMI抑制很有效,在實(shí)踐中也很常用,但這兩種方法通常是控制輻射型EMI的第二道防線。由于需要附加器件和增加安裝時(shí)間,電子濾波技術(shù)成本較高。另外,用戶常常打開設(shè)備的屏蔽門,或取下背板以方便內(nèi)部器件或PC板的維護(hù),所以,機(jī)械屏蔽技術(shù)常常形同虛設(shè)。
    因此,控制EMI的主要途徑是減少輻射源的能量并且控制電路板上電壓電流產(chǎn)生的電磁場的大小。大部分電路都安裝在電路板范圍內(nèi),因此通過對(duì)電路板級(jí)的精心設(shè)計(jì)可以控制電感、電容、瞬態(tài)電壓和電流路徑,從而控制電磁場的大小。由于電感、電容、瞬態(tài)電壓和電流路徑等因素對(duì)EMI的影響不同,本文將集中討論板級(jí)設(shè)計(jì)中控制共模輻射EMI的主要步驟。為了更好的理解本文提出的方法,首先要說明一些關(guān)于EMI和電路功能的重要概念。
    發(fā)射頻率帶寬
    在EMI頻率范圍內(nèi),人們關(guān)心的不僅是信號(hào)的時(shí)鐘頻率,還包括信號(hào)的高階諧波。高階諧波頻率的振幅由器件輸出信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間決定。信號(hào)的上升沿和下降沿變化得越快,信號(hào)頻率越高,EMI就越大。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。如果不考慮時(shí)鐘頻率,若電路信號(hào)的上升或下降時(shí)間窄到11ns,則將產(chǎn)生0到30MHz范圍內(nèi)的各種諧波,因而產(chǎn)生很強(qiáng)的EMI輻射。PCB寄生參數(shù)
    PCB上的每一條布線及其返回路徑可以用三個(gè)基本模型來描述,即電阻、電容和電感。在EMI和阻抗控制中,電容和電感的作用很大。當(dāng)兩個(gè)不同電壓的導(dǎo)電層由絕緣材料分隔時(shí),兩個(gè)導(dǎo)電層之間就會(huì)產(chǎn)生電容。在電路板上,一條布線及其所有相鄰的布線或?qū)щ妼又g,通過它們之間的絕緣區(qū)域形成電容。絕緣區(qū)由導(dǎo)體周圍的空氣和隔離導(dǎo)體的FR4材料組成。
    導(dǎo)線及其回路(地線或接地層)之間形成的電容數(shù)值最大。記住,Vcc電源層(如5V),對(duì)于交流信號(hào)來說與接地層等效。通常為了抑制信號(hào)電場的輻射,有必要保證布線及其回路之間電容的數(shù)值較高,當(dāng)布線加寬或與回路之間的距離變近時(shí),電容數(shù)值就會(huì)升高。
    電感是電路板導(dǎo)體儲(chǔ)存周圍磁能的元件。磁場是由流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生或感生,磁能阻礙電流的變化。通過電感的信號(hào)頻率越高,電感的阻抗就越大,因此,當(dāng)輸出信號(hào)的上升和下降沿諧波頻率落在EMI輻射頻帶范圍之內(nèi)時(shí)(上升時(shí)間為11ns或更快),降低PCB上導(dǎo)體的電感值就很重要。
    電感的數(shù)值表示它儲(chǔ)存導(dǎo)體周圍磁場的能力,如果磁場減弱,感抗就會(huì)減小。磁場的大小部分取決于導(dǎo)體的截面積(厚度和長度)。當(dāng)導(dǎo)體變寬、變厚或變短時(shí),磁場就會(huì)減弱,電感就會(huì)降低。
    更重要的是,磁場的大小是由導(dǎo)線及其電流回路構(gòu)成的閉環(huán)面積的函數(shù)。如果把導(dǎo)線與其回路靠近,兩者產(chǎn)生的磁場就會(huì)相互抵消,這是因?yàn)槎叽艌龃笮〈笾孪嗟龋瑯O性相反。在很狹窄的空間內(nèi),信號(hào)路徑及其回路周圍的磁場大部分對(duì)消掉了,因而電感很低。
    圖1說明如何通過控制閉環(huán)區(qū)域來改變電感,其中第一片IC與第二片IC之間連線代表PCB上的導(dǎo)線,雖然導(dǎo)線A比導(dǎo)線B長,但閉環(huán)區(qū)域A遠(yuǎn)小于B,其電感也比區(qū)域B小得多。
    阻抗
    導(dǎo)線和回路之間的阻抗以及一對(duì)電源回路之間的阻抗,是導(dǎo)線及其回路或電源回路之間電感和電容的函數(shù),阻抗Zo等于L/C的平方根。
    從EMI控制的角度來說,希望電路的阻抗較低。當(dāng)電容較大,電感較小時(shí),只要使導(dǎo)線和其回路間保持緊密耦合(緊密布局),就能滿足要求;當(dāng)電容減小時(shí),阻抗增大,電場屏蔽能力減弱,EMI增大;當(dāng)電感增加時(shí),阻抗增大,磁場屏蔽能力減弱,EMI也會(huì)增大。
    電流路徑
    每個(gè)電路都存在一個(gè)閉環(huán)回路,當(dāng)電流從一個(gè)器件流入另一個(gè)器件,在導(dǎo)線上就會(huì)產(chǎn)生大小相同的回流,從而構(gòu)成閉合回路。在PCB上,當(dāng)信號(hào)流過導(dǎo)線,如果信號(hào)頻率低(最多幾百Hz),回路電流就會(huì)沿著阻抗最小的路徑,通常是最短且/或最寬的路徑,流回到發(fā)送信號(hào)的器件。一旦信號(hào)頻率超過幾百kHz(但還在低頻范圍內(nèi)),回流信號(hào)就會(huì)與信號(hào)源發(fā)送的信號(hào)產(chǎn)生電場和磁場的耦合作用。
    這就要求回路應(yīng)會(huì)盡可能靠近始發(fā)信號(hào)路徑。在頻率較高時(shí),當(dāng)一條導(dǎo)線直接在接地層上布置時(shí),即使存在更短的回路,回路電流也要直接從始發(fā)信號(hào)路徑下的布線層流回信號(hào)源。在高頻情況下,回路電流要沿著具有最小阻抗的路徑返回信號(hào)源,即電感最小和電容最大的路徑。這種靠大電容耦合抑制電場,靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽。根據(jù)每條導(dǎo)線的回路布線,就能實(shí)現(xiàn)自屏蔽。
    兩種形式的EMI
    在電路中,電磁能通常存在兩種形式,差模EMI和共模EMI,區(qū)別二者有助于更好地理解控制EMI的方法。
    電路中器件輸出的電流流入一個(gè)負(fù)載時(shí),就會(huì)產(chǎn)生差模EMI。電流流向負(fù)載時(shí),會(huì)產(chǎn)生等值的回流。這兩個(gè)方向相反的電流,形成標(biāo)準(zhǔn)差模信號(hào),注意不能與差動(dòng)信號(hào)相混淆。差動(dòng)信號(hào)的另一組信號(hào)不是參照回路層(如電源層或地層),兩個(gè)信號(hào)相位差為180度。無論是差模還是差動(dòng)工作模式,電路板只能近似達(dá)到一個(gè)理想的自屏蔽環(huán)境,完全抵消信號(hào)通路及其回路之間的電場和磁場是不現(xiàn)實(shí)的,殘留的電磁場就形成了差模EMI。
    電流流經(jīng)多個(gè)導(dǎo)電層,如PCB上的導(dǎo)線組或電纜,就會(huì)產(chǎn)生共模輻射。典型的共模輻射回路電流流經(jīng)高阻抗路徑時(shí)產(chǎn)生,進(jìn)而產(chǎn)生很大的磁場。磁場以共模電流的形式將其能量耦合到導(dǎo)線組、電線或電纜之中,共模特性表現(xiàn)為這些導(dǎo)線組中的感生電流方向全部相同,由于這些導(dǎo)線沒有形成回路,所以不能產(chǎn)生相反方向的電磁場,向外輻射能量的大天線就是這樣形成的。更糟糕的是,流入和流出電路板及其外殼的導(dǎo)線、電線或電纜的屏蔽罩中也能產(chǎn)生共模電流。電路板的高阻抗通常有三種情況:
    1. 差模電流的回路被切斷。布線被不同的層隔斷,就迫使回路繞過這些隔斷層,從而導(dǎo)致電感環(huán)路開路并使電容耦合減小,進(jìn)而增大電場和磁場。2. 電源線的不恰當(dāng)布局,使流向電源引腳的導(dǎo)線變長,也會(huì)造成阻抗增大。3. 電源層相對(duì)接地層而言,位置不恰當(dāng),從而使PCB的結(jié)構(gòu)造成高阻抗。不恰當(dāng)?shù)碾娫捶植冀Y(jié)構(gòu)會(huì)引起嚴(yán)重的共模EMI問題。
    控制共模EMI的關(guān)鍵,是正確處理電源電流的旁路和去耦,并通過控制電源層的位置和電流來控制電源的走線和回路電流。數(shù)字器件信號(hào)的快速上升沿會(huì)產(chǎn)生諧波,進(jìn)而發(fā)出大量射頻能量,具備高驅(qū)動(dòng)能力的輸出信號(hào)和高速周期信號(hào)尤其如此(如時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、使能信號(hào)),共模EMI干擾源的抑制主要針對(duì)于此。抑制干擾源的基本技術(shù)是在關(guān)鍵信號(hào)輸出端串入小阻值的電阻,如圖2所示,通常采用22到33歐姆的電阻,稍大一些的也沒有問題。這些輸出端串聯(lián)小電阻能減慢上升/下降時(shí)間并能平滑過沖及下沖信號(hào),從而減小輸出波形的高頻諧波的振幅,進(jìn)而達(dá)到有效地抑制EMI的目的。電阻的位置應(yīng)盡量靠近IC輸出引腳。
    評(píng)估上升沿和下降沿時(shí)間對(duì)整個(gè)電路時(shí)序的影響是非常重要的,如果由于電路工作時(shí)鐘頻率很高而使得必須計(jì)入器件上升/下降沿時(shí)間對(duì)電路時(shí)序的影響,則此解決方案可能不太適合于此類應(yīng)用。當(dāng)高速器件應(yīng)用在工作時(shí)鐘頻率較低的電路時(shí),該方案的效果才最佳。由于目前市場上供應(yīng)的IC的上升沿和下降沿都很陡,因此許多工作頻率較低的應(yīng)用電路都采用高速器件,此時(shí)采用一系列阻尼電阻效果就非常理想。
    電源布線系統(tǒng)中,有兩個(gè)因素對(duì)控制共模EMI起到重要的作用:電源路徑的阻抗和旁路/去耦電容的位置。
    整個(gè)電源路徑保持低阻抗至關(guān)重要。一種方法是,在電源輸入電路板處的連接器內(nèi),將電源線和地線分組。不要在連接器的一端接電源,而在另一端接地,這會(huì)使電感回路開路,而使EMI惡化。電源和地應(yīng)交替排列,先地層,然后電源層,再地層,再電源層,依此類推。
    當(dāng)多個(gè)元件的輸出同時(shí)發(fā)生高低電平變化時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電壓,因而流過電源層電感的電流就很大。共模EMI的另一個(gè)主要原因就是,這些很大的瞬態(tài)電壓將電流耦合到多條銅導(dǎo)線之中。瞬態(tài)電壓的振幅是電流開關(guān)速度和電源層阻抗的函數(shù),電源層阻抗越小,瞬態(tài)電壓越小,EMI也越弱。電源和地層之間的絕緣材料越薄,阻抗就越小。
    當(dāng)設(shè)計(jì)過程中采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電壓(Vcc)時(shí),要將電路板的電源層和地線層安排在相鄰位置。如果要兩個(gè)相同電壓的布線層驅(qū)動(dòng)大電源電流,則在電路板上要設(shè)計(jì)兩組電源層/接地層。在這種情況下,每一組電源層和接地層都要用絕緣材料分開。如果同一組電源層和接地層之間還插入了其他信號(hào)層,則電源層阻抗就會(huì)增加,從而導(dǎo)致EMI增加。
    在只有雙面板的布線中,電源和地層要合理地布成電源網(wǎng)格和接地網(wǎng)格。最佳的布線方法是將電源線和地線相鄰緊密布置。如果在板的上層為水平布線,則在下層要垂直布線。電源和地線緊密相鄰能實(shí)現(xiàn)良好的電容耦合,還可以更好地控制電感。對(duì)電源線電感的控制有一定要求。印制板上的線徑至少為0.050英寸寬,在允許情況下,要盡可能寬。對(duì)于上升時(shí)間大于5ns的高速器件,保持電源層的低阻抗十分重要,這時(shí)網(wǎng)格技術(shù)可能就不能解決問題。當(dāng)上升時(shí)間超過5ns時(shí),就要用電源層和接地層來控制EMI。
    旁路和去耦電容
    由于導(dǎo)線電感及其它寄生參數(shù)的影響,電源及其供電導(dǎo)線響應(yīng)速度慢,從而使電路中驅(qū)動(dòng)器件輸出所需要的電流不足。合理地放置旁路或去耦電容,能在電源響應(yīng)之前,利用電感和電容的儲(chǔ)能作用為器件提供電流。旁路或去耦電容的數(shù)值介于小和中等之間。
    中等數(shù)值的電容通常在4.7uF到25uF之間,其位置在電源線和地線進(jìn)入PCB處為佳。在電路板上耗電較多的器件,如處理器、微控制器等,周圍也應(yīng)當(dāng)放置中等數(shù)值的電容。
    數(shù)值小的電容能為IC提供高頻電流,有時(shí)將其稱為“瞬態(tài)開關(guān)電容”。在器件輸出端高低電平跳變時(shí),它能為器件輸出高速充電,與電源層的分布電容一起為器件提供充電電流。充電電流的頻率通常很高。
    要獲得最佳的EMI控制效果,應(yīng)在每組電源和地引腳上都安裝一個(gè)電容。如果器件的電源和地引腳相距很遠(yuǎn)(如TTL的74系列的地和電源引腳分布在對(duì)角線上),就沒有合適的位置放置電容,因而難以將電源層的電感降低到維持低瞬時(shí)開關(guān)電壓的水平??赡艿脑?,要盡量選用具有成對(duì)電源和接地引腳的IC。集成電路制造業(yè)界已經(jīng)開始對(duì)引腳電感問題進(jìn)行深入的研究,盡管很多IC廠商都忽視這個(gè)問題。
    旁路/去耦電容的數(shù)值及物理尺寸對(duì)于確定旁路/去耦電容的工作頻率十分重要,這些參數(shù)的計(jì)算超出了本文討論的范圍,但設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)深入地了解這個(gè)問題。例如,現(xiàn)在對(duì)大部分電路來說,采用0.1mF的電容已不能達(dá)到足夠高的開關(guān)頻率。
    器件位置、布局和布線
    器件布局一直按照功能和器件類型來對(duì)元器件進(jìn)行分組,例如,對(duì)既存在模擬電路,又存在數(shù)字器件的電路板,還可將器件按工作電壓、頻率進(jìn)行分組布局;對(duì)給定的產(chǎn)品系列或電源電壓時(shí),可按功能對(duì)器件進(jìn)行分組。
    器件分組布局完畢后,必須根據(jù)元器件組電源電壓的差別,將電源層布置在各器件組的下方。如果有多層地,那么就必須把數(shù)字地層緊貼數(shù)字電源層,模擬地緊貼模擬電源層,模擬地和數(shù)字地要有一個(gè)共地點(diǎn)。通常,電路中存在A/D或D/A器件,這些轉(zhuǎn)換器件同時(shí)由模擬和數(shù)字電源供電,因此要將轉(zhuǎn)換器放置在模擬電源和數(shù)字電源之間。
    如果數(shù)字地和模擬地是分開的,它們將在轉(zhuǎn)換器匯合。當(dāng)電路板按照器件系列和電源電壓分組時(shí),組內(nèi)信號(hào)的傳送不能跨越另外的器件組,如果信號(hào)跨過界限,就不能與其回流路徑緊密耦合,這樣會(huì)增大電路的環(huán)路面積,從而使電感增加,電容減小,進(jìn)而導(dǎo)致共模和差模EMI的增加。電路板設(shè)計(jì)過程中要避免出現(xiàn)各種隔離帶。雖然相距很近的一排通孔并不違反設(shè)計(jì)規(guī)則,但是,在電源層和地層上過多的通孔有時(shí)相當(dāng)于開出一條隔離帶,要避免在該區(qū)域內(nèi)布線,例如,當(dāng)一個(gè)3ns的信號(hào)回路如果偏離其信號(hào)源路徑0.40英寸,則過沖/欠沖和感生串?dāng)_會(huì)大增,足以使電路工作出現(xiàn)異常,并同時(shí)增加差模和共模EMI。
    本文結(jié)論
    本文介紹的技術(shù)對(duì)抑制EMI輻射很重要,它們是電磁兼容設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。除了上述技術(shù),要真正掌握抑制EMI的方法,還必須全面了解電子濾波、機(jī)械屏蔽以及其它PCB設(shè)計(jì)技術(shù)。
    作者Rick Hartley是Applied Innovation公司資深PCB硬件工程師,他從事印制電路板設(shè)計(jì)和開發(fā)達(dá)25年之久。最近10年,Hartley負(fù)責(zé)高速數(shù)字和射頻電路設(shè)計(jì),重點(diǎn)為EMI控制。

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