1. 地平面的設計。低感抗的地回路是PCB設計過程中抑制EMC問題的最有效方法。擴大地平面區域,降低地回路的感抗,可以有效地降低輻射和串擾。
信號的地回路設計有多種方法,較差的方法是將器件隨意地接到地網絡。這種高感抗的地回路設計會引起不可預期的EMC問題。
推薦的方法是用一個完整的地平面為信號回流提供最低阻抗的路徑。顯然,對于兩層PCB,完整地平面是不切實際的。在這種情況下,設計者可以使用地網格的方法,如圖1a所示。在這種情況下,回路感抗大小取決于網格間距大小。
信號的回流是非常重要的。更長的回流路徑意味著更大的回流路徑,由此帶來天線效應和向外輻射能量。因此,信號回流應該走最短的路徑,直接連到地平面。單點連接所有點,再把它們連到一起接到地平面是不可取的,這樣不僅增加電流環路大小,而且增加了地彈的可能性。圖1b示意了推薦的器件到地平面的連接方式。
法拉第電籠是另外一個減小EMC問題的辦法。法拉第電籠是在PCB外圍四周增加一圈地縫合孔,注意電籠外面不走線。
如圖1c所示,法拉第電籠有效地抑制了PCB到/來自板外的輻射/干擾。在表層推薦用一條寬度為200~400mils的地線將所有GND孔連接;在信號層,推薦用一條寬度為20~40mils的地線將這些GND孔連接,但不建議連線成環路。
2. 器件隔離。根據功能,將元器件分組,不同組放在PCB板上的不同位置,如模擬信號、數字信號、電源部分,低速信號和高速信號等。各組信號應在它們各自分配區域內,信號經過不同組之間(從一個子系統到另外一個),應當在邊界處增加過濾措施。
3. 疊層設計。多于兩層板的設計,應當有一個完整的地平面。在四層板……應當注意,在高速信號層和高速信號線之間應當有GND層。對于兩層板,完整的GND平面不現實,可以采用地格點的方式。如果沒有單獨的電源平面,建議在電源走線下方平行走GND線以保證供電的穩定。
注:GND層相對于電源層和器件層向外延伸20h,屏蔽噪聲。/h: 電源和地平面的間距
4. 數字電路。處理數字電路的時候尤其要注意時鐘信號和高速信號線,這些信號走線盡量短,且走線靠近地平面以保證輻射和串擾在可控范圍內。對于這些信號,注意減少使用過孔、避免在PCB邊緣走線或靠近連接器。這些信號也應遠離電源平面,因為它們可能將噪聲耦合到電源平面上去。
對于振蕩器的處理,除了用GND隔離外。信號線注意不要平行或走在振蕩器下方,與CLK信號保證有足夠距離。振蕩器與使用時鐘的芯片盡量靠近。
注意回流總是沿著阻抗最低路徑的。因此,負載回流的GND應與其信號路徑盡量近,使電流回路面積最小。
差分對之間P/N線相互靠近,這樣可以有效地進行共模抑制。
5. 時鐘端接。時鐘信號線注意阻抗匹配,否則會引起信號反射。如果不對反射信號進行處理,這些信號會被輻射出去。有多種有效的端接方式,包括源端端接、末端端接和AC端接等。
6. 模擬電路。模擬信號應遠離高速跳變信號,通過GND將這些信號隔離。應用中常用低通濾波器濾除周邊模擬信號的高頻噪聲。另外,模擬地和數字地應當分開。
7. 去耦電容。電源上的任何噪聲都有可能造成器件工作不正常,一般來說,耦合到電源上的是一些高頻的雜訊,可以通過使用去耦電容濾除,去耦電容為高頻雜訊提供電源到GND的低阻抗路徑。信號回流路徑構成電源到地的環狀結構,將去耦電容盡量靠近IC管腳擺放,使得回流環面積最小。大面積的回流環路會增加輻射,成為潛在的EMC失效原因。
理論上,電容的電抗值隨著頻率的上升逐漸接近于零,然而并不存在這樣的理想情況,封裝和引腳都會增加電容的等效電感值。同時使用多個低ESL電容有助于增強去耦效果。
8. 線纜。許多EMC問題是在高速信號通過電纜時,線纜充當天線造成的。理想情況下,電流從一端流入線纜,在另一端無衰減地流出。實際情況是寄生電容和電感的存在會造成輻射,產生EMI問題。通過雙絞線抑制感應磁場,可以使耦合保持在低的水平。在使用帶狀線的時候,注意提供多個GND回路(多GND線)。對于高頻信號,應在線纜兩端都提供GND屏蔽線。
9. 串擾。串擾存在于PCB上任意兩條走線之間,串擾的大小與互感、互容、信號的邊緣速率,以及走線的阻抗有關。在數字系統中,由互感引起的串擾一般會大于由互容引起的串擾。通過增加信號線之間的距離,或減小信號線與GND的距離都可以減小信號線之間的互感。
10. 屏蔽。屏蔽不是降低EMC的電子學方法,而是一種機構手段。金屬性(導體或磁性材料)外殼可以用來屏蔽對系統外的EMI。根據實際要求,屏蔽可以是針對部分或者整體的。屏蔽腔相當于一個封閉的接地容器,可以有效地吸收和反射輻射從而降低環狀天線的大小。同樣地,屏蔽也可以是不同部分間的隔離,衰減從一部分到另一部分輻射的能量。屏蔽通過衰減輻射波的E參數和H參數達到降低EMI的作用!
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原文標題:20180224-10條EMC設計建議
文章出處:【微信號:EMC_EMI,微信公眾號:電磁兼容EMC】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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