印刷電路板(PCB)的EMI抑制知識
日常生活中,我們常常可以看到這樣的現象,當把手機放置在音箱旁,接電話的時候,音箱里面會發出吱吱的聲音,或者當我們在測試一塊電路板上的波形時,忽然接到同事的電話,會發現接電話瞬間我們示波器上的波形出現變形,這些都是電磁干擾的特征。電磁干擾不但會影響系統的正常工作,還可能給電子電器造成損壞,甚至對人體也有害處,因此盡可能降低電磁干擾已經成為大家關注的一個焦點,諸如FCC、CISPR、VCCI等電磁兼容標準的出臺開始給電子產品的設計提出了更高的要求。雖然人們對電磁兼容性的研究要遠遠早于信號完整性理論的提出,但作為高速設計一部分,我們習慣地將EMI問題也列入信號完整性分析的一部分。本章將全面分析電磁干擾和電磁兼容的概念、產生及抑制,重點針對高速PCB的設計。
4.1 EMI/EMC的基本概念
電磁干擾即EMI(Electromagnetic Interference),指系統通過傳導或者輻射,發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。因為所有的電子產品都會不可避免地產生一定的電磁干擾,為了量度設備系統在電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力,人們提出了電磁兼容這個概念。美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992都提出了對商業數碼產品的有關規章,這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。對于電磁兼容性,必須滿足三個要素:
對于EMI,可以按照電磁干擾的途徑(詳細的分類參見附錄一)來分為輻射干擾、傳導干擾和感應耦合干擾三種形式。輻射干擾就是指如果騷擾源不是處在一個全封閉的金屬外殼內,它就可以通過空間向外輻射電磁波,其輻射場強取決于裝置的騷擾電流強度、裝置的等效阻抗,以及騷擾源的發射頻率。如果騷擾源的金屬外殼帶有縫隙與孔洞,則輻射的強度與干擾信號的波長有關。當如果孔洞的大小和波長可以比擬時,則可形成干擾子輻射源向四周輻射,輻射場中金屬物還可以形成二次輻射;傳導干擾,顧名思義,騷擾源主要是利用與其相連的導線向外部發射,也可以通過公共阻抗耦合,或接地回路耦合,將干擾帶入其他電路,傳導干擾是電磁干擾的一種重要形式;感應耦合干擾的途徑是介于輻射途徑與傳導途徑之間的第三條途徑,當騷擾源的頻率較低時,騷擾電源的輻射能力有限。同時騷擾又不直接與其他導體連接,此時電磁騷擾能量則通過與其相鄰的導體產生感應耦合,將電磁能轉移到其他導體上去,在鄰近導體內感應出騷擾電流或者電壓。感應耦合可以通過導體間的電容耦合的形式出現,也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合出現。
4.2 EMI的產生
我們來分析一下EMI的產生,忽略自然干擾的影響,在電子電路系統中我們主要考慮是電壓瞬變和信號的回流這兩方面。
4.2.1 電壓瞬變
對于電磁干擾的分析,可以從電磁能量外泄方面來考慮,如果器件向外泄露的能量越少,我們可以認為產生的電磁干擾就比較小。對于高速的數字器件來說,產生高頻交流信號時的電壓瞬變是產生電磁干擾的一個主要原因。我們知道,數字信號在開關輸出時產生的頻譜不是單一的,而是融合了很多高次諧波分量,這些諧波的振幅(即能量)由器件的上升或者下降時間來決定,信號上升和下降速率越快,即開關頻率越高,則產生的能量越多。所以,如果器件在很短的時間內完成很大的電壓瞬變,將會產生嚴重的電磁輻射,這個電磁能量的外泄就會造成電磁干擾問題。通常,高速數字電路的EMI發射帶寬可以通過下面的公式計算:
F=1/πTr
F為開關電路產生的最高EMI頻率,單位為GHz,Tr為信號的上升時間或者下降時間,單位為ns。比如,對于上升時間為1ns左右的器件,那么它所產生的最高EMI頻率將為350MHz,而如果上升時間降為為500ps,那么它的最高EMI發射頻率將為700MHz,遠遠高于系統正常的工作頻率,這將會在一定程度上影響周圍其他系統的正常工作。顯然,如果能減緩信號的上升沿,將會在很大程度上減少EMI,但是隨著電子設計和芯片制造水平的發展,器件總是朝著高速方向發展,單一的降低信號開關速率顯然是不現實的。但我們卻可以通過降低信號電壓來達到同樣的目的,因為在相同的時間內,低電壓器件需要跨越的邏輯門電壓幅度較小,就同樣減緩器件的上升沿速率,所以低電壓器件也是高速電路發展的趨勢。
4.2.2信號的回流
任何信號的傳輸都存在一個閉環的回路,當電流從驅動端流入接收端的時候,必然會有一個回流電流通過與之相鄰的導體從接收端回流至驅動端,構成一個閉合的環路,而環路的大小卻和EMI的產生有著很大的關系,我們都知道,每一個環路都可以等效為一個天線,環路數量或者面積越大,引起的EMI也越強。我們知道,交流信號會自動選取阻抗最小的路徑返回驅動端,但實際情況中,信號不可能始終保持如圖1-4-1所示的理想路徑,特別是在高密度布線的PCB板上,過孔,縫隙等都可能降低參考平面理想的特性,而是表現為更復雜的回流形式(圖1-4-2)。
圖1-4-1 理想信號回流示意圖
圖1-4-2 實際情況中的信號回流
對高頻信號回流的理解不能有一個思維定勢,認為回流必須完全存在于信號走線正下方的參考平面上。事實上,信號回流的途徑是多方面的:參考平面,相鄰的走線,介質,甚至空氣都可能成為它選擇的通道,究竟哪個占主要地位歸根結底看它們和信號走線的耦合程度,耦合最強的將為信號提供最主要的回流途徑。比如在多層PCB設計中,參考平面離信號層很近,耦合了絕大部分的電磁場,99%以上的信號能量將集中在最近的參考平面回流,由于信號和地回流之間的環路面積很小,所以產生的EMI也很低。但如果由于相鄰的參考平面上存在縫隙等非理想因素,這就導致了回流的面積增大,低電感的耦合作用減弱,將會有更多的回流通過其它途徑或者直接釋放到空中,這就會導致EMI的大大增加。
我們參考圖1-4-3來分析信號回流對EMI的影響,可以看到:信號和回流外部區域,由于磁場的極性相反,可以相互抵消,而中間部分是加強的,這也是對外輻射的主要來源。很明顯,我們只要縮短信號和回流之間的距離,就可以更好的抵消外圍的電磁場,同時也能降低中間加強部分的面積,大大抑制EMI。
圖1-4-3信號回路的磁場耦臺分析
4.2.3 共模和差摸EMI
當兩條或者多條信號線以相同的相位和方向從驅動端輸出到接收端的時候,就會產生共模干擾。共模特性表現為這些導線組中的感生電流方向全部相同,而產生的磁場也是他們相同方向磁場的迭加,增大了磁場強度,向外輻射能量的大天線就是這樣形成的。在共模的情況下,會導致磁場強度的變大和電場強度減小,這樣就相當于增加了傳輸線的電感和減小傳輸線的電容值。因此,如果傳輸線的阻抗變大,電磁場能量外泄增加,電磁干擾也變大。
電源線上電流從驅動端流到接收端的時候和它回流之間耦合產生的干擾,就叫做差模干擾。電流流向負載時,會產生等值的回流,這兩個方向相反的電流,當回流電流完全居于傳輸電流下方的時候,就形成了標準的差模信號。由于它們相互之間產生的磁場方向相反,因而可以抵消大部分的磁場,抑制了磁場的外泄比率,而其中殘留的電磁場就形成了差模EMI
通常,線路上這兩種電磁干擾是同時存在的,由于線路的阻抗不平衡,兩種分量在傳輸過程中回相互轉變,情況十分復雜。干擾在線路上經過長距離傳輸后,由于線路阻抗和地線阻抗不同,差模干擾的衰減要比共模干擾的衰減大,因此控制共模干擾往往比控制差模干擾要困難的多。
在PCB的電磁兼容設計中,主要考慮的標準是電路板對外輻射能量的多少,所有的輻射分為共模輻射和差模輻射兩種。PCB上的每根信號走線都會引起一定的共模輻射,在傳輸線阻抗很高、終端開路的情況下引起的共模輻射最強,也可以從單根天線的角度考慮。而由信號走線和回流之間的回路引起的輻射稱為差模輻射,可以看為簡單的環形天線。一般來說,共模輻射的影響要更為嚴重,所以在高速PCB抑制EMI的設計中,有一個很重要的思想就是“將共模輻射轉化為差模輻射”。這是如何實現的呢?剛才說到,造成強烈的共模輻射的條件就是高阻抗走線和高阻抗的負載(開路),如果我們能有效地降低走線的阻抗,即縮小信號走線到參考平面的距離,就可以大大減小共模輻射的強度。此外,對終端進行合理的匹配,也可以降低高阻抗負載的影響。這時,對外電磁能量輻射的主體就轉變為信號和回流之間的差模輻射。所以,我們在高速PCB的EMC設計中,往往更多地考慮電流回路,這并不是忽略共模輻射,而是在將共模輻射有效地轉化為差模輻射的前提下,對EMI的整體控制。
4.3 EMI的控制
我們知道,造成設備性能降低或失效的電磁干擾必須同時具備三個要素,首先是有一個電磁場所,其次是有干擾源和被干擾源,最后就是具備一條電磁干擾的耦合通路,以便把能量從干擾源傳遞到受干擾源。因此,為解決設備的電磁兼容性,必須圍繞這三點來分析。一般情況下,對于EMI的控制,我們主要采用三種措施:屏蔽、濾波、接地。這三種方法雖然有著獨立的作用,但是相互之間是有關聯的,良好的接地可以降低設備對屏蔽和濾波的要求,而良好的屏蔽也可以使濾波器的要求低一些。下面,我們來分別介紹屏蔽、濾波和接地。
4.3.1 屏 蔽
屏蔽能夠有效的抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個,一個是限制內部的輻射電磁能量外泄出控制區域,另一個就是防止外來的輻射電磁能量入內部控制區。按照屏蔽的機理,我們可以將屏蔽分為電場屏蔽、磁場屏蔽、和電磁場屏蔽.
4.3.1.1 電場屏蔽
一般情況下,電場感應可以看成是分布電容間的耦合,圖1-4-4是一個電場感應的示意圖。
圖1-4-4 電場感應示意圖
其中A為干擾源,B為受感應設備,其中Ua和Ub之間的關系為
Ub=C1*Ua/(C1+C2)
C1為A、B之間的分布電容;C2為受感應設備的對地電容。根據示意圖和等式,為了減弱B上面的地磁感應,使用的方法有
相對來說1和2比較容易理解,這里主要針對第3種方法進行分析。由圖1-4-5可以看出,插入屏蔽板后(屏蔽板接地)。就造成兩個分布電容C3和C4,其中C3被屏蔽板短路到地,它不會對B點的電場感應產生影響。而受感應物B的對地和對屏蔽板的分布電容,C3和C4,實際上是處在并聯的位置上。這樣,B設備的感應電壓ub'應當是A點電壓被A、B之間的剩余電容C1'與并聯電容C2和C4的分壓,即
Ub=C1'*Ua/(C1'+C2+C4)
圖1-4-5加入金屬板后的電場感應圖
由于C1'遠小于為屏蔽的C1,所以在B的感應電壓就會減小很多。因此,很多時候都采用這種接地的金屬罩作為屏蔽物。以下是對電場屏蔽的幾點要點總結:
1:屏蔽金屬板放置靠近受保護設備比較好,這樣將獲得更大的C4,減小電場感應電壓。
2:屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯的影響,例如,全封裝的金屬盒可以有最好的電場屏蔽效果,而開孔或帶縫隙的屏蔽罩可以有最好的電場屏蔽效果,而且開孔或者帶縫隙的屏蔽罩,其屏蔽效能會受到不同程度的影響。
3:屏蔽板的材料以良性導體為佳。對厚度并無特殊要求。
4.3.1.2 磁場屏蔽
由于磁場屏蔽通常是對直流或很低頻場的屏蔽,其效果和電場屏蔽和電磁場屏蔽相比要差很多,磁場屏蔽的主要手段就是依賴高導磁材料具有的低磁阻,對磁通起分路的作用,使得屏蔽體內部的磁場大大減弱。
對于磁場屏蔽需要注意的幾點:
1: 減小屏蔽體的磁阻(通過選用高導磁率材料和增加屏蔽體的厚度)
2: 被屏蔽設備和屏蔽體間保持一定距離,減少通過屏蔽設備的磁通。
3: 對于不可避免使用縫隙或者接風口的,盡量使縫隙或者接風口呈條形,并且順沿著電磁線的方向,減少磁通。
4: 對于強電場的屏蔽,可采用雙層磁屏蔽體的結構。對要屏蔽外部強磁場的,則屏蔽體外層要選用不易磁飽和的材料,如硅鋼等;而內部可選用容易到達飽和的高導磁材料。因為第一次屏蔽削弱部分,第二次削弱大部分,如果都使用高導磁,會造成進入一層屏蔽的在一層和二層間造成反射。如果要屏蔽內部的磁場,則相反。而屏蔽體一般通過非磁性材料接地。
4.3.1.3 電磁場屏蔽
電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻隔電磁場在空間傳播的一種措施。和前面電場和磁場的屏蔽機理不同,電磁屏蔽對電磁波的衰減有三個過程:
1:當電磁波在到達屏蔽體表面時,由于空氣與金屬的交界面上阻抗不連續,對入射波產生反射,這種反射不要求屏蔽材料必須有一定厚度,只需要交界面上的不連續。
2:進入屏蔽體的電磁波,在屏蔽體中被衰減。
3:穿過屏蔽層后,到達屏蔽層另一個屏蔽體,由于阻抗不連續,產生反射,重新回到屏蔽體內
從上面三個過程看來,電磁屏蔽體對電磁波的衰減主要是反射和吸收衰減。
4.3.1.4電磁屏蔽體和屏蔽效率
屏蔽效率是對屏蔽體進行性能評估的一個指數,它的表達式為:
SE(db)=A+R+B
1)其中A為吸收損耗,吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量,吸收損耗可以通過下面的公式計算:
AdB=1.314(f*σ*μ)1/2*t
f: 頻率(MHz) μ:銅的導磁率 σ:銅的導電率 t:屏蔽體厚度
2) R指反射損耗,反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產生源的性質以及與波源的距離。對于桿狀或直線形發射天線而言,離波源越近波阻抗越高,然后隨著與波源距離的增加而下降,但平面波阻抗則無變化(恒為377)。相反,如果波源是一個小型線圈,則此時將以磁場為主,離波源越近波阻抗越低,波阻抗隨著與波源距離的增加而增加,但當距離超過波長的六分之一時,波阻抗不再變化,恒定在377處。反射損耗隨波阻抗與屏蔽阻抗的比率變化,因此它不僅取決于波的類型,而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用于小型帶屏蔽的設備。
近場反射損耗可按下式計算:
R(電)db=321.8-(20*lg r)-(30*lg f)-[10*lg(μ/σ)]
R(磁)db=14.6+(20*lg r)+(10*lg f)+[10*lg(μ/σ)]
其中r指波源與屏蔽之間的距離。
3) SE算式最后一項是校正因子B,其計算公式為:
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式僅適用于近磁場環境并且吸收損耗小于10dB的情況。由于屏蔽物吸收效率不高,其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個負數,表示屏蔽效率的下降情況。
也就是說,我們想抑制住EMI,必須提高屏蔽效率,那么,屏蔽材料的選擇也變得很重要了.只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低,另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低,還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率。
在高頻電場下,采用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果,但條件是屏蔽必須連續,并將敏感部分完全遮蓋住,沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多個部分進行制作,因此就會有縫隙需要接合,另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線。
設計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產生孔隙,而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙。制造、面板連線、通風口、外部監測窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔,從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免,但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。
當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/lO倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發射頻率越高衰減越嚴重,因為它的波長越短。當涉及到最高頻率時,必須要考慮可能會出現的任何諧波, 一旦知道了屏蔽罩內RF輻射的頻率及強度,就可計算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽。例如如果需要對1GHz(波長為300mm)的輻射衰減,則150mm的縫隙將會開始產生衰減,因此當存在小于150mm的縫隙時,1GHz輻射就會被衰減。所以對1GHz頻率來講,若需要衰減20dB,則縫隙應小于15 mm(150mm的1/10),需要衰減26dB時,縫隙應小于7.5mm(15mm的1/2以上),需要衰減32dB時,縫隙應小于3.75mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內,從而實現這種衰減效果。由于接縫會導致屏蔽罩導通率下降,因此屏蔽效率也會降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比,例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性;另一種實現較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物,如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。
多孔薄型屏蔽層:多孔的例子很多,比如薄金屬片上的通風孔等等,當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式
SE=[20lg(fc/o/σ)]-10lg n其中f截止頻率n:孔洞數目注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況,也可用于計算金屬編織網的相關屏蔽效率。
接縫和接點:電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行永久性固定的常用方式,接合部位金屬表面必須清理干凈,以使接合處能完全用導電的金屬填滿,保持高阻狀態.導電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙,使RF輻射不會散發出去。EMI襯墊是一種導電介質,用于填補屏蔽罩內的空隙并提供連續低阻抗接點。
墊片系統:一個需要考慮的重要因素是壓縮,壓縮能在襯墊和墊片之間產生較高導電率。襯墊和墊片之間導電性太差會降低屏蔽效率,另外接合處如果少了一塊則會出現細縫而形成槽狀天線,其輻射波長比縫隙長度小約4倍。
確保導通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并經過必要處理以具有良好導電性,這些表面在接合之前必須先遮住;另外屏蔽襯墊材料對這種墊片具有持續良好的粘合性也非常重要。導電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規則情況。
所有襯墊都有一個有效工作最小接觸電阻,設計人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻,當然這將增加密封強度,會使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時效果比較好。因此在建議的最小接觸面范圍內,兩個相向凹點之間的壓力應足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導電性。
另一方面,對襯墊的壓力不應大到使襯墊處于非正常壓縮狀態,因為此時會導致襯墊接觸失效,并可能產生電磁泄漏。與墊片分離的要求對于將襯墊壓縮控制在制造商建議范圍非常重要,這種設計需要確保墊片具有足夠的硬度,以免在墊片緊固件之間產生較大彎曲。在某些情況下,可能需要另外一些緊固件以防止外殼結構彎曲。
壓縮性也是轉動接合處的一個重要特性,如在門或插板等位置。若襯墊易于壓縮,那么屏蔽性能會隨著門的每次轉動而下降,此時襯墊需要更高的壓縮力才能達到與新襯墊相同的屏蔽性能。在大多數情況下這不太可能做得到,因此需要一個長期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由涂有導電層的塑料制成,則添加一個EMI襯墊不會產生太多問題,但是設計人員必須考慮很多襯墊在導電表面上都會有磨損,通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著時間增長這種磨損會降低襯墊接合處的屏蔽效率,并給后面的制造商帶來麻煩。
如果屏蔽罩或墊片結構是金屬的,那么在噴涂拋光材料之前可加一個襯墊把墊片表面包住,只需用導電膜和卷帶即可。若在接合墊片的兩邊都使用卷帶,則可用機械固件對EMI襯墊進行緊固,例如帶有塑料鉚釘或壓敏粘結劑(PSA)的“C型”襯墊。襯墊安裝在墊片的一邊,以完成對EMI的屏蔽。
推廣開來說,不僅僅針對高頻電路,一般系統都需要進行屏蔽,這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可通過一些基本原則確定,但是理論與現實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度,如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形。表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽以實現EMC性能的關鍵因素。
4.3.2 濾波
濾波通常采用三種器件來實現:去耦電容、EMI濾波器和磁性元件。
4.3.2.1去耦電容
前面我們曾經分析過,當電路在很快的器件高低電平變換的時候,就會產生一系列的正弦諧波分量,這些正弦諧波分量就是我們所說的EMI成分,這些高頻諧波會通過和其他設備之間的耦合通道對其他設備造成電磁干擾。合理使用去耦電容就能起到很好的抑制電磁干擾的效果,實際的電容是可以等效圖1-4-6所示的模型:
圖1-4-6 電容的等效模型
其中等效串聯電阻我們稱之為ESR,等效串聯電感我們稱之為ESL,我們可以計算出這個等效電容的諧振頻率為:
Fr=1/2π√LC
電容的濾波原理就是通過這個頻率來確定。小于諧振頻率的時,電容體現為容性,而當頻率大于諧振頻率的時,電容就體現為感性。所以,我們在濾除較為低頻的噪聲的時候,就應當選擇電容值比較高的電容,想濾去頻率較高的噪聲,比如我們前面所說的EMI,則應該選擇數值比較小的電容。所以,在實際中,我們通常放置一個1uf到10uf左右的去耦電容在每個電源輸出管腳處,來抑制低頻成分,而選取O.01uf到O.1uf左右的去耦電容來濾除高頻部分(對去耦電容的特性分析請參考第五章電源完整性分析)。為了獲得最佳的EMI抑制效果,我們最好能在每組電源和地的引腳都能安裝一個電容,但是如果電源在流出引腳前在Ic內部已經放置去耦電容,那么在引腳處就不必在和每個地之間連接一個電容了.但是這樣對IC芯片的成本會相應提高。
圖1-4-7是一個放置耦合電容和不放置耦合電容的EMI仿真比較:
圖1-4-7 去耦電容對抑制EMI的作用
4.3.2.2 EMI濾波器
EMI濾波一般是用在對電源線的濾波,它是用來隔離電路板或者系統內外的電源,它的作用是雙向的,即可以作為輸出濾波,也可以作為輸入濾波.EMI濾波器是由電感和電容組成。比較常見的幾種EMI濾波器有:穿心電容,L型濾波器,Ⅱ型濾波器,T型濾波器等。對于不同濾波器的選擇,我們通常是通過濾波器接入端的阻抗大小來決定。如果電源線兩端都為高阻,那么易選用穿心電容和Ⅱ型濾波器,但是Ⅱ型濾波器的衰減速度比穿心電容大;如果兩端阻抗相差比較大,適宜選擇L型濾波器,其中電感接入低阻如果兩端都為低阻抗,那么就選用T型濾波器。
4.3.2.3 磁性元件
磁性元件是由鐵磁材料構成的,有來抑制EMI,最常見的磁性元件有磁珠,磁環,扁平磁夾子。磁環和磁夾子一般用在連接線上,如圖1-4-8所示。
圖1-4-8磁性元件示意圖
磁性元件的工作原理很簡單,就是相當于在傳輸線上串入一電感,廠家一般會提供與圖1-4-9類似的特性圖,設計者必須根據需求來選擇相應的磁性元件,在下圖中,線上串接一個磁性元件的插入損耗可由下面這個公式計算得出:
Loss(dB)=20log[(Zs+Zf+Z1)/(Zs+Z1)]
圖1-4-9磁性元件的特性圖
由于磁性元件并不增加線路中的直流阻抗,這使得它非常適合用在電源線上做EMI抑制器件。由于磁珠很小也很容易處理,所以有時候也把它用在信號線上作為EMI抑制器件,但是它掩蓋了問題的本質,影響了信號的上升下降時間,除非萬不得以或者在設計的最后調試階段,一般不推薦使用。
4.3.3 接地
實際中,信號的基本接地方式有三種,浮地、單點接地和多點接地。
1.浮地
浮地就是指和公共地分開的接地。采用浮地的目的是為了將電路或者設備與公共地或可能引起環流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位的電路之間的配合變得簡單。由于浮地和其他公共地之間隔離開,所以,一般不會受到其他地上噪聲的影響,但是,卻容易在浮地上面形成靜電的堆積,時間長了就會形成靜電干擾。目前有種解決辦法是采用大電阻將接浮地設備和大地相連,能夠進行靜電釋放。
2.單點接地
單點接地是指在一個電路或者設備中,只有一個物理點被定義接地參考點,電路或者設備中所以的接地信號都接到這個接地點,由于所有的接地信號都接到一起,由于每個信號接地的距離不一樣,很容易使接地點的電平不穩定,而且,更為嚴重的一個問題是單點接地不適合高頻電路或者設備。因為在高頻下,信號波長很小,如果接地線的長度接近λ/4的時候,接地處會形成短路,反射系數為-1,信號會反射回來,達不到接地效果,所以,對于高頻電路,我們不提倡使用單點接地方式而使用多點接地方式。
3.多點接地
多點接地是指設備或電路中的各個接地都直接接到離它最近的接地平面上,以使得各個接地線的長度遠小于λ/4。多點接地的優點是比較簡單,而且接地線上出現的高頻駐波現象明顯減少。但是多點接地系統中的地線回路對系統提出了跟高的要求,保證各個接地點之間的穩定電平和低阻抗是必須注意的一個問題。
4.混合接地
由于單點接地和多點接地都存在各自的優缺點,所以,有很多情況下,系統內部將單點接地和多點接地兩種混合使用,也就是我們說的混合接地。先將電路中的所有電路接地特性進行分析、統計,將那些必須多點接地的使用多點接地,而其余的進行單點接地。示意圖1-4-10是一種混合接地的方式,對于直流,電容是開路的,電路是單點接地,對于射頻,電容是導通的電路是多點接地。
圖1-4-10混合接地示意圖
良好的接地能夠減緩電壓瞬變,保證良好的信號回流路徑,它是抑制EMI的一種重要手段。特別是將屏蔽和接地配合使用,這樣對于高頻下的電磁兼容性問題,往往能取到事半功倍的效果。第八章中還有對接地理論的更詳細的分析。
4.4 PCB設計中的EMI
前面我們從理論上分析了EMI的產生情況,并主要從系統設計方面考慮了很多實際采用的抑制EMI的手段和方式,這節里我們將針對高速PCB設計,來分析如何進行EMI控制。
4.4.1 傳輸線RLC參數和EMI
對于PCB板來說,PCB上的每一條走線都可以有用三個基本的分布參數來對它進行描述,即電阻,電容和電感。在EMI和阻抗的控制中,電感和電容的作用很大。
電容是電路系統存儲系統電能的元件。任何相鄰的兩條傳輸線之間,兩層PCB導電層之間以及電壓層和周圍的地平面之間都可以組成電容。在這些所有的電容中,傳輸線和它的回流電流之間組成的電容數值最大,也數量最多,因為任何的傳輸線,它都會在它的周圍通過某種導電物質形成回流。根據電容的公式:C=εs/(4kπd),他們之間形成的電容的大小和傳輸線到參考平面的距離成反比,和傳輸線的直徑(橫截面積)成正比。我們都知道,如果電容的數值越大,那么他們之間存儲的電場能量也越多,換句話說,他往外部泄露系統能量的比率將更少,那么這個系統產生的EMI就會得到一定的抑制作用。
電感是電路系統中存儲周圍磁場能量的元件。磁場是由流過導體的電流產生的感生場。電感的數值表示它存儲導體周圍磁場的能力,如果磁場減弱,感抗就會變小,感抗變大的時候,磁場就會增大,那么對外的磁能量輻射也會變大,即EMI值越大。所以,如果系統的電感越小,那么就能對EMI進行抑制。在低頻情況下,如果導體變短,厚度變大,變寬的時候,導體的電感就會變小,而在高頻情況下,磁場的大小則和導線及其回流構成的閉環面積的函數,如果把導線與其回路靠近,由于回流和本身電流大小相等(在最佳回流狀態)方向相反,所以兩者產生的磁場就會相互抵消,降低了導體的感應電感,所以,保持導體上電流和其最佳回流路徑,能夠一定程度的減小EMI.
而在一個實際電路中,導線的電容和電感是融合為一體的,我們如果只分析電容或者只考慮電感都有些片面,所以我們引入阻抗。阻抗是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。導線和回路之間的阻抗是導線及其回路之間電感和電容的函數,阻抗ZO等于(L/C)1/2。
通過前面的分析和阻抗ZO的公式,從抑制EMI角度上來說,我們希望阻抗越小越好。當阻抗比較小即電容較大和電感較小的時候,我們只要保持電路的正常布線,使電流保持最佳回流路徑,就可以使EMI控制在最小。而當電容變小,電感變大,將會使系統屏蔽電磁場能量的能力下降,外泄電磁場能量增加,EMI變大。
4.4.2疊層設計抑制EMI
從前面的分析可以看到,低阻抗的參考平面在抑制EMI中起著至關重要的作用,因而我們在進行疊層設計時,應該特別注重參考平面層的安排。對于PCB板上的信號走線來說,好的分層應該是讓所有的信號層兩邊緊挨著電源層或者接地層;從電源來看,好的分層是應該把電源與接地層相鄰,且電源和接地層的距離盡可能的小,盡量保證電源和地層上的低阻抗。隨著信號頻率的不斷提高,一般只有6層板以上的多層PCB板才能起到良好的EMI抑制效果。下面,我們以6層板為例,對不同的PCB迭層設計方案的性能優劣做一些比較。
圖1-4-11 六層PCB的兩種典型疊層設計
六層PCB的疊層設計通常有兩種方案(如圖1-4-11所示)。對于第一種方案,我們可以把電源和地分別放在第3和第4層,這一設計雖然電源覆銅阻抗低,但是由于第1層和第6層為信號層,其電磁屏蔽性能差,導線上的很大一部分磁場都要輻射到外界,換句話說,信號電流和回流信號中,一個處于屏蔽范圍內,而另一個卻有一半處于屏蔽范圍外,一個處于屏蔽范圍之內,這樣其實增加了差模EMI。但是如果兩個外層上的信號線數量最少,走線長度很短(短于信號最高諧波波長的1/20),則這種設計可以解決差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區域鋪銅填充并將覆銅區接地(每1/20波長為間隔),則對差模EMI的抑制特別好。而且我們還可以條件允許的情況下,在信號層的每一層靠邊處鋪設一圈銅,并且在1/20波長的間距內打控,也能很好的防止EMI的泄漏.如前所述,要將鋪銅區與內部接地層多點相聯。第二種方案就是將電源和地分別放在第2和第5層,雖然抑制了絕大部分差模EMI,但由于電源覆銅阻抗高,對減少共模EMI輻射的效果不好。此外,從信號阻抗控制的觀點來看,這一做法也是非常有利的,因而該方案成為目前應用最廣泛的六層板設計方案。
如果我們能夠有能力將所有的信號走線完全分布在兩層內進行,那么我們可以采用其它更優化的疊層設計:將第1和第6層(兩個表層)鋪地,第3和第4層設置為電源和地。信號線走在2和5層,兩邊都有參考平面屏蔽,因而EMI抑制能力是優異的。該設計的缺點就是走線層只有兩層,布線空間略顯緊張。實際中要靈活處理,比如在鋪銅區內也可以適當走線,只是要注意不能隔斷上層信號的回流通路。
還有一種疊層方案為:信號、地、信號、電源、地、信號,這也可實現信號完整性設計所需要的良好的環境:信號層與參考層相鄰,電源層和接地層配對。不足之處在于鋪銅層的堆疊不平衡,這會給加工制造帶來麻煩。解決問題的辦法是將第3層所有的空白區域填銅,填銅后如果第3層的覆銅密度接近於電源層或接地層,這塊板就可以近似地看作是結構平衡的電路板。注意,填銅區必須接電源或接地(最好接地),連接過孔之間的距離仍然是小于1/20波長。
4.4.3 電容和接地過孔對回流的作用
高速PCB設計中對于EMI的抑制是非常靈活的,設計者永遠不可能很完美地解決所有的EMI問題,只有從小處著手,從對各個細節的把握來達到整體抑制的效果,有時,往往一個看似微不足道的電容或過孔都能起著舉足輕重的作用。也許提到電容對EMI的抑制作用大家都比較熟悉,即利用電容的儲能濾波特性,穩定電壓,消除高次諧波,從而達到降低EMI的效果。在這節里,我們將重點分析一下電容和接地過孔在保證信號低阻抗回路中所起的作用,這也是多層PCB板設計中有效抑制EMI的重要方面之一。
多層PCB設計中,由于布線密度,拓補結構的要求,信號走線經常需要在層間切換,如果它所參考的地平面也發生變化,那么該信號的回流路徑將發生變化,從而產生一定的EMI問題,如圖1-4-12所示:
圖1-4-12 信號換層帶來的EMI問題
解決這一問題最簡單也是最有效的方法就是合理添加電容或過孔。如果兩個不同的參考平面都是地或都是電源,那么我們可以通過添加接地過孔或者電源連接過孔來為信號的回流提供回路(圖1-4-13 A);如果兩個參考平面是電源和地之間的切換,那么就可以利用旁路電容提供低阻抗的回路(圖1-4-13 B)。
圖1-4-13 過孔或電容提供回流通路
上圖我們可以看到,在信號走線換層的附近多放置一些接地過孔(電源孔)和電容能為信號提供完整的低阻抗的回路,保證了信號和回流之間的耦合,從而抑制了EMI。需要注意的是,回流通過電容切換參考平面時,由于本身及過孔的寄生電感存在,仍然會產生一定的電磁輻射和信號衰減,所以設計者頭腦里要有一個正確的指導思想:盡量少換層走線,換層后盡量保持信號靠近同一(或者同屬性)的參考平面。
4.4.4布局和走線規則
PCB板上器件的布局,可以按照下面幾個原則來進行:
1:按照器件的功能和類型來進行布局。對于功能相同或者相近的器件,放置在一個區域里面有利于減小他們之間的布線長度。而且還能防止不同功能的器件在一個小區域內形成干擾。
2:按照電源類型進行布局。這個是布局中最重要的一點,電源類型包括不同的電源電壓值,數字電路和模擬電路。按照不同電壓,不同電路類型,將他們分開布局,這樣有利于最后地的分割,數字地緊貼在數字電路下方,模擬地緊貼在模擬電路下方。這樣有利于信號的回流和兩種地平面之間的穩定。
3:關于共地點和轉換器的放置。由于電路中很可能存在跨地信號,如果不采取什么措施,就很可能導致信號無法回流,產生大量的共模和差模EMI。所以,布局的時候盡量要減少這種情況的發生,而對于非走不可的,可以考慮給模擬地和數字地選擇一個共地點,提供跨地信號的回流路徑。電路中有時還存在A/D或D/A器件,這些轉換器件同時由模擬和數字電源供電,因此要將轉換器放置在模擬電源和數字電源之間。
對于PCB的走線,我們這里建議如下一些措施來抑制EMI:
1:保證所有的信號尤其是高頻信號,盡可能靠近地平面(或其他參考平面)。
2:一般超過25MHz的PCB板設計時要考慮使用兩層(或更多的)地層。
3:在電源層和地層設計時滿足20H原則。如圖1-4-14
如圖1-4-14
(由于RF電流在電源層和地層的邊緣也容易發射電磁波,解決這個問題的最好方法就是采用20-H規則,即地平面的邊緣比電源平面大20H(H是電源到地平面的距離)。若是設計中電源的管腳在PCB的邊緣,則可以部分延展電源層以包住該管腳。)
4:將時鐘信號盡量走在兩層參考平面之間的信號層。
5:保證地平面(電源平面)上不要有人為產生的隔斷回流的斷槽。
6:在高頻器件周圍,多放置些旁路電容。
7:信號走線時盡量不要換層,即使換層,也要保證其回路的參考平面一樣。
8:在信號換層的過孔附近放置一定的連接地平面層的過孔或旁路電容。
9:當走線長度(單位英寸)數值上等于器件的上升時間(單位納秒),就要考慮添加串聯電阻。
10:保證時鐘信號或其他高速電路遠離輸入輸出信號的走線區域。
11:盡量減少印制導線的不連續性,例如導線寬度不要突變,導線的拐角應大于90度,信號走線不能呈環狀等。
12:在一些重要的信號線周圍可以加上保護的地線,以起到隔離和屏蔽的作用。
13:對于跨地信號,要想辦法保證它最小回流面積。
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