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EMI/EMC干货系列——电路板级的电磁兼容设计

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发表于 2018-9-25 22:41:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
本应用文档从元件选择、电路设计和印制电路板的布线等几个方面讨论了电路板级的电磁兼容性(EMC)设计。

本文从以下几个部分进行论述:
第一部分:电磁兼容性的概述
第二部分:元件选择和电路设计技术
第三部分:印制电路板的布线技术
附录A:电磁兼容性的术语
附录B:抗干扰的测量标准


第一部分—电磁干扰和兼容性的概述
电磁干扰是现代电路工业面对的一个主要问题。为了克服干扰,电路设计者不得不移 走干扰源,或设法保护电路不受干扰。其目的都是为了使电路按照预期的目标来工作—— 即达到电磁兼容性。通常,仅仅实现板级的电磁兼容性这还不够。虽然电路是在板级工作的,但是它会对 系统的其它部分辐射出噪声,从而产生系统级的问题。另外,系统级或是设备级的电磁兼 容性必须要满足某种辐射标准,这样才不会影响其他设备或装置的正常工作。许多发达国家对电子设备和仪器有严格的电磁兼容性标准;为了适应这个要求,设计者必须从板级设计开始就考虑抑制电子干扰。

1.电磁环境的组成.电.环境的组成.电磁环境的组成.电磁环境的组成一个简单的电磁干扰模型由三个部分组成:电磁干扰源、耦合路径、接收器。电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送器、瞬时功率执行元件,比如 说:机电式继电器、开关电源、闪电等。在一个微控制器系统里,时钟电路通常是最大的 宽带噪声发生器,而这个噪声被分散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的应用, 其边沿跳变速率非常快,这种电路可以产生高达300MHZ的谐波干扰。耦合路径、噪声被耦合到电路中最简单的方式是通过导体的传递。如果一条导线在一个有噪声的 环境中经过,这条导线通过感应将接受这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。噪声通 过电源线进入系统,就是这种的耦合的一种情况。由电源线携带的噪声就被传到了整个电 路。耦合也能发生在有共享负载(阻抗)的电路中。例如,两个电路共享一条提供电源电 压导线,并且共享一条接地的导线。如果一个电路要求提供一个突发的电流,由于两个电 路共享共同的电源线和同一个电源内阻,则另一个电路的电源电压将会下降。该耦合的影 响能通过减少共同的阻抗来削弱。但不幸的是,电源内阻抗是固定的而不能被降低,这种 情况也同样发生在接地的导线中。在一个电路中流动的数字返回电流在另一个电路的接地 回路中产生了地电位的变动。若接地不稳定,则将会严重的降低运算放大器、模数转换器 和传感器等低电平模拟电路的性能。同样,对每个电路都共享的电磁场的辐射也能产生耦合。当电流改变时,就会产生电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中并且干扰电路中 的其它信号。接收器(受体)、所有的电子电路都可以接受传送的电磁干扰。虽然一部分电磁干扰可通过射频被直接 接受,但大多数是通过瞬时传导被接受的。在数字电路中,临界信号最容易受到电子干扰 的影响。这些信号包括复位、中断和控制信号。模拟的低级放大器、控制电路和电源调整 电路也容易受到噪声的影响。为了进行电磁兼容性设计并符合电磁兼容性标准,设计者需要将辐射(从产品中泄露 的射频能量)减到最小,增强其对辐射(进入产品中的射频能量)的易感性和抗干扰能力 。如图一所示,发射和抗干扰都可以根据辐射和传导的耦合来分类。辐射耦合在高频中十 分常见,而传导耦合路径在低频中更为常见。

2.电磁兼容性的费用电磁兼容性的费用。电磁兼容性的费用电磁兼容性的费用最经济有效的电磁兼容性设计方法,是在设计的早期阶段充分考虑评估电磁兼容性的技术要求。

电磁兼容性的费用

要让设计者在最初选择元件、设计电路和设计PCB布线时,就把电磁兼容性作为主要的设计依据是不大现实的。但是,如果设计者能牢记这篇文章的建议,那么,就能减少不合理的元件选择、电路设计和PCB布线的情况出现。

第二部分—元件的选择和电路设计技术

元件的选择和电路设计是影响板级电磁兼容能的主要因素。每一种电子元件都有它各自的特性,因此,要求在设计时仔细考虑。下面将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。 *  元件组元件组元件组元件组有两种基本的电子元件组:有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效果,尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感,大约是 1nH/mm/引脚。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应,大约有4pF。因此,引脚的长度 应尽可能的短。与有引脚的元件相比,无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。其典型值为: 0.5nH的寄生电感和约0.3pF的终端电容。从电磁兼容性的观点看,表面贴装元件效果最好 ,其次是放射状引脚元件,最后是轴向平行引脚的元件。

1.电阻:由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点,因此,表面贴装电阻总是优于有引脚电阻。 对于有引脚的电阻,应首选碳膜电阻,其次是金属膜电阻,最后是线绕电阻。由于在相对低的工作频率下(约MHz数量级),金属膜电阻是主要的寄生元件,因此 其适合用于高功率密度或和高准确度的电路中。线绕电阻有很强的电感特性,因此在对频率敏感的应用中不能用它。它最适合用在大 功率处理的电路中。在放大器的设计中,电阻的选择非常重要。在高频环境下,电阻的阻抗会因为电阻的 电感效应而增加。因此,增益控制电阻的位置应该尽可能的靠近放大器电路以减少电路板 的电感。在上拉/下拉电阻的电路中,晶体管或集成电路的快速切换会增加上升时间。为了减小 这个影响,所有的偏置电阻必须尽可能靠近有源器件及他的电源和地,从而减少PCB连线 的电感。在稳压(整流)或参考电路中,直流偏置电阻应尽可能地靠近有源器件以减轻去耦效 应(即改善瞬态响应时间)。在RC滤波网络中,线绕电阻的寄生电感很容易引起本机振荡,所以必须考虑由电阻引 起的电感效应。

2.电容:由于电容种类繁多,性能各异,选择合适的电容并不容易。但是电容的使用可以解决 许多EMC问题。接下来的几小节将描述几种最常见的电容类型、性能及使用方法。铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔而制成,这样可在单位体积 内得到较大的电容值,但也使得该部分的内部感抗增加。钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成,其内部感抗低于铝电解电容。陶质电容的结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感 抗,并且通常这将在低于MHz的区域造成阻抗。绝缘材料的不同频响特性意味着一种类型的电容会比另一种更适合于某种应用场合。 铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端,主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围 内(从KHz到MHz ),陶质电容比较适合,常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗  (通常价格比较昂贵)陶质电容和云母电容适合于甚高频应用和微波电路。为得到最好的EMC特性,电容具有低的ESR(Equivalent Series  Resistance,等效串 联电阻)值是很重要的,因为它会对信号造成大的衰减,特别是在应用频率接近电容谐振 频率的场合。
a)旁路电容:旁路电容的主要功能是产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的能量。 旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽 电容比较适合作旁路电容,其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求,一般在10至470 μF范围内。若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源,则应选择大 容量的电容。

b)去耦电容:有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是 提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上,旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。 去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100到1/1000。为了得到更好的EMC特性,去耦电容还 应尽可能地靠近每个集成块(IC),因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容常被用来去耦,其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如,对一个 33MHz的时钟信号,可使用4.7nF到100nF的电容;对一个00MHz时钟信号,可使用10nF的 电容。选择去耦电容时,除了考虑电容值外,ESR值也会影响去耦能力。为了去耦,应该选 择ESR值低于1欧姆的电容。

c)电容谐振:接下来简单讨论一下如何根据谐振频率选择旁路电容和去耦电容的值。Z5U具有较大的介电常数,谐振 频率在1MHz到20MHz之间。NPO具有较低的介电常数,但谐振频率较高(大于10MHz)。 因此Z5U更适合用作低频去耦,而NPO用作50MHz以上频率的去耦。常用的做法是将两个去耦电容并联。这样可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络 产生的开关噪声。多个去耦电容的并联能提供6 dB增益以抑制有源器件开关造成的射频电流。多个去耦电容不仅能提供更宽的频谱范围,而且能提供更宽的布线以减小引线自感, 因此也就能更有效的改善去耦能力。两个电容的取值应相差两个数量级以提供更有效的去 耦(如0.1 μF + 0.001 μF并联)。需要注意的是数字电路的去耦,低的ESR值比谐振频率更为重要,因为低的ESR值可 以提供更低阻抗的到地通路,这样当超过谐振频率的电容呈现感性时仍能提供足够的去耦 能力。

3.电感:电感是一种可以将磁场和电场联系起来的元件,其固有的、可以与磁场互相作用的能 力使其潜在地比其他元件更为敏感。和电容类似,聪明地使用电感也能解决许多EMC 问题。下面是两种基本类型的电感:开环和闭环。它们的不同在于内部的磁场环。在开环设 计中,磁场通过空气闭合;而闭环设计中,磁场通过磁芯完成磁路。电感比起电容和电阻而言的一个优点是它没有寄生感抗,因此其表面贴装类型和引线 类型没有什么差别。开环电感的磁场穿过空气,这将引起辐射并带来电磁干扰(EMI)问题。在选择开环 电感时,绕轴式比棒式或螺线管式更好,因为这样磁场将被控制在磁芯(即磁体内的局部 磁场)。

a) 棒式电感

b) 绕轴式电感:对闭环电感来说,磁场被完全控制在磁心,因此在电路设计中这种类型的电感更理想, 当然它们也比较昂贵。螺旋环状的闭环电感的一个优点是:它不仅将磁环控制在磁心,还 可以自行消除所有外来的附带场辐射。电感的磁芯材料主要有两种类型:铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频场合  (几十KHz),而铁氧体磁芯电感用于高频场合(到MHz )。因此铁氧体磁芯电感更适合于EMC应用。在EMC应用中特别使用了两种特殊的电感类型:铁氧体磁珠和铁氧体磁夹。铁和铁氧体可作电感磁芯骨架。铁芯电感常应用于低频场合(几十KHz ),而铁氧体 芯电感常应用于高频场合(MHz )。所以铁氧芯感应体更适合于EMC应用。在EMC的特殊应用中,有两类特殊的电感:铁氧体磁珠和铁氧体夹。铁氧体磁珠是单环电感,通常单股导线穿过铁氧体型材而形成单环。这种器件在高频 范围的衰减为10dB,而直流的衰减量很小。类似铁氧体磁珠,铁氧体夹在高达MHz的频率范围内的共模(CM)和差模(DM )的 衰减均可达到10dB至20dB。 在DC-DC变换中,电感必须能够承受高饱和电流,并且辐射小。线轴式电感具有满足 该应用要求的特性。在低阻抗的电源和高阻抗的数字电路之间,需要LC滤波器,以保证电源电路的阻抗匹配。

二极管的应用
许多电路为感性负载,在高速开关电流的作用下,系统中产生瞬态尖峰电流。二极管 是抑制尖峰电压噪声源的最有效的器件之一。下面举例说明用二极管实现尖峰抑制。在汽车控制应用中,无论有刷还是无刷电机,当电机运行时,都将产生电刷噪声或换 向噪声。因此需要噪声抑制二极管,为了改进噪声抑制效果,二极管应尽量靠近电机接点。在电源输入电路中,需要用TVS或高电压变阻器进行噪声抑制。信号连接接口的EMI问题之一是静电释放(ESD )。屏蔽电缆和连接器用于保护而不 受外界静电的干扰。另一种方法是使用TVS或变阻器保护信号线。集成电路集成电路集成电路集成电路现代数字集成电路(IC)主要使用CMOS工艺制造。CMOS器件的静态功耗很低,但是在高速开关的情况下,CMOS器件需要电源提供瞬时功率,高速CMOS器件的动态功率 要求超过同类双极性器件。因此必须对这些器件加去耦电容以满足瞬时功率要求。

1.集成电路封装:现在集成电路有多种封装结构,对于分离元件,引脚越短,EMI问题越小。因为表贴 器件有更小的安装面积和更低的安装位置,因此有更好的EMC性能,因此应首选表贴器件 。甚至直接在PCB板上安装裸片。IC的引脚排列也会影响EMC性能。电源线从模块中心连到I.C.引脚越短,它的等效电 感越少。因此VCC与GND之间的去耦电容越近越有效。无论是集成电路、PCB板还是整个系统,时钟电路是影响EMC性能的主要因素。集成电路的大部分噪声都与时钟频率及其多次谐波有关。因此无论电路设计还是PCB设计都应该考虑时钟电路以减低噪声。合理的地线、适当的去耦电容和旁路电容能减小辐射。用于时钟分配的高阻抗缓冲器也有助于减小时钟信号的反射和振荡。对于使用TTL和CMOS器件的混合逻辑电路,由于其不同的开关/保持时间,会产生时钟、有用信号和电源的谐波。为避免这些潜在的问题,最好使用同系列的逻辑器件。由于  CMOS器件的门限宽,现在大多数设计者选用CMOS器件。由于制造工艺是CMOS工艺,因此微处理器的接口电路也优选这种器件。需要特别注意的是,未使用的CMOS引脚应该接  地线或电源。在MCU电路中,噪声来自没连线/终端的输入,以至MCU执行错误的代码。它也是设计微控制器接口首选的逻辑系列产品,这些微控制器也是基于CMOS技术制造的。关于CMOS设备,一个重要方面就是其不用的输入引脚要悬空或者接地。在MCU电路中,噪声环境可能引起这些输入端运行混乱,还导致MCU运行乱码。

2.电压校准:电压校准对于典型的校准电路,适当的去耦电容应该尽可能近地放置在校准电路的输出位置,因为在跟踪过程中,距离在校准的输出和负荷之间将会产生电感影响,并引起校准电路的内  部振动。一个典型例子,在校准电路的输入和输出中,加上0.1uF的去耦电容可以避免可能的内在振动和过滤高频噪声。除此之外,为了减少输出脉动,要加上一个相对大的旁路电  容(10uF/A)。当电路在高速运行时,  在源和目的间的阻抗匹配非常重要。因为错误的匹配将会引起信号反馈和阻尼振荡。过量的射频能量将会辐射或影响到电路的其他部份,引起EMI( 电磁兼容性) 问题。信号的端接有助于减少这些非预计的结果。信号端接不但能减少在源和目的之间匹配阻抗的信号反馈和振铃,而且也能减缓信号边沿的快速上升和下降。有很多种信号端接的方法,  每种方法都有其利弊。MCU通常有一个片上振荡器,它用自己的晶体或谐振器连接,从而避免使用其他时钟 驱动电路的时钟。这个独立的时钟能更好地防止系统其他部份所产生的噪声辐射。在时钟频率方面,MCU通常是对功率要求最高的设备,这样让时钟靠近MCU就能保证对时钟频 率仅有最小的驱动需求。

1.口引脚:对于大多数MCU,引脚通常都是高阻输入或混合输入/输出。高阻输入引脚易受噪声 影响,并且在非正常终端时会引至寄存器锁存错误的电平。一个非内部终端的输入引脚需 要有高阻抗(例如4.7K?或10K?)连接每个引脚到地或者到供电电平,以便确保一个可知 的逻辑状态。未连接的输入引脚通常浮动在供电电平的中间值周围,或者由于有内部泄露 通路而浮动在不确定的电压值。对于IRQ或复位引脚(输入引脚)来说,其终端比普通I/O 口引脚更为重要。如果噪声 导致这两个引脚误触发,它将对整个电路的行为产生巨大的影响。当输入引脚未连接,同 时输入锁存器半开半闭时,会导致IC 内部电流泄漏,此时通常可以看到高电流消耗,尤其 是在CMOS器件中。因此在输入引脚终端连接高阻抗可以减少供电电流,就象电磁兼容的 其他好处一样。

2.口引脚:由于中断对MCU操作有影响,因此它是元件中最敏感的引脚之一。从远端设备到PCB 板上的MCU,甚至在插件适配器或子系统卡上,IRQ都可以被查询。因此,确保与中断请 求引脚的任何连线都有瞬时静电释放保护是非常重要的。对于静电释放来说,在IRQ连线 上有双向二极管、transorbs或金属氧化变阻器终端通常就足够了,而且他们还能在不产生 大的线路负荷的情况下帮助减少过冲和阻尼震荡。即便是对价格很敏感的应用,IRQ线上 的电阻终端也同样不可缺少。

3.复位引脚.复位引脚  .复位引脚.复位引脚不恰当的复位将导致许多问题,因为不同的应用利用了MCU启动和断电的不同条件。 复位最基本的功能保证了一旦上电,MCU便开始用可控制的方式执行代码。上电时,电源上升到MCU的工作电压,在晶振稳定之前需要等一段时间。因此在复位 引脚上要有时间延时。最简单的延时就是电阻-电容(RC )网络,在电流经过电阻时电容 开始充电,一直到电平达到了能被MCU在逻辑1状态时的复位电路检测到的值为止。理想情况下没有严格规定电阻和电容的大小,但也有其他方面的考虑。复位引脚的内 部泄漏电流通常规定不能超出1μA  (针对 Motorola HC08 MCU ),这意味着电阻最大为 100k?,电容不能是电解电容,以保持停止电流的最小值。推荐使用陶瓷电容,因为它折 衷了低价格,低泄漏,高频反应性能好的优点。复位引脚电容非常小(Motorola HC08 MCU 低于5pF)。对于最小阻抗值也有限制,因为最大上拉电流大约为5mA,1V (VOL)。 加上外部电容的低阻抗电压源,则确定了上拉电阻的最小值为2K?。用二极管来钳住复位 引脚的电压也是一种推荐做法,能防止供电电压过度,并且能够在断电时令电容迅速放电。

4.振荡器:许多MCU合成了倒相放大器,用来与外部晶体或陶瓷共振器一起构成皮尔斯振荡器结 构。下面则讨论用来与特殊外部元件一起得到振荡的放大器最小增益(跨导)。

第三部分—印制电路板的布线技术
除了元器件的选择和电路设计之外,良好的印制电路板(PCB)布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。既然PCB是系统的固有成分,在PCB布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。有一点需要注意,PCB布线没有严格的规定,也没有能覆盖所有PCB布线的专门的规则。大多数PCB布线受限于板子的大小和铜板的层数。一些布线技术可以应用于一种电路,却不能用于另外一种。这便主要依赖于布线工程师的经验。然而还是有一些普遍的规则,下面的章节对其进行探讨。任何人都应记住一个拙劣的PCB布线能导致更多的电磁兼容问题,而不是消除 这些问题,在很多例子中,就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题。到最后不得不对整个板子重新布线。因此,在开始时养成良好的PCB布线习惯是最省钱的办法。

1.PCB基本特性基本特性:一个PCB的构成是在垂直叠层上使用了一系列的层压、走线和预浸处理。在多层PCB中,设计者为了方便调试,会把信号线布在最外层。PCB上的布线是有阻抗、电容和电感特性的。阻抗:布线的阻抗是由铜和横切面面积的重量决定的。例如,1盎司铜则有0.49m?/单位面积的阻抗。电容:布线的电容是由绝缘体(EoEr)、电流到达的范围(A)以及走线间距(h)决定的。用等式表达为C = EoErA/h,Eo是自由空间的介电常数(8.854pF/m),Er是PCB基体的相关介电常数(在FR4 碾压中为4.7) 。电感:布线的电感平均分布在布线中,大约为1nH/m。对于1盎司铜线来说,在0.25mm (10mil)厚的FR4碾压情况下,位于地线层上方的0.5mm(20mil)宽,20mm (800mil)长的线能产生9.8m?的阻抗,20nH的电感以及与地之间1.66pF的耦合电容。将上述值与元器件的寄生效应相比,这些都是可以忽略不计的,但所有布线的总和可 能会超出寄生效应。因此,设计者必须将这一点考虑进去。下面便是PCB布线的普遍方针:增大走线的间距以减少电容耦合的串扰;平行的布电源线和地线以使PCB 电容达到最佳;将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方;加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。

2.分割:分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合,尤其是通过电源线和地线。 设置分流和保护线路是对关键信号,比如对在一个充满噪声的环境中的系统时钟信号 进行隔离和保护的非常有效的方法。保护线路不仅隔离了由其他信号线上产生的耦合磁通,而且也将关键信号 从与其他信号线的耦合中隔离开来。分流线路和保护线路之间的不同之处在于分流线路不必被端接(与地连接),但是保 护线路的两端都必须连接到地。为了进一步的减少耦合,多层PCB中的保护线路可以每隔 一段就加上到地的通路。

接地技术:


接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。

a) 单层PCB的接地线:在单层(单面)PCB中,接地线的宽度应尽可能的宽,且至少应为1.5mm(60mil)。由于在单层PCB上无法实现星形布线,因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低的,否则将引起线路阻抗与电感的变化。

b) 双层PCB的接地线:在双层(双面)PCB中,对于数字电路优先使用地格栅/点阵布线,这种布线方式可以减少接地阻抗,接地回路和信号环路。像在单层PCB中,地线和电源线的宽度最少应为1.5mm。另外的一种布局是将接地层放在一边,信号和电源线放于另一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗,去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。

c) 保护环:护环是一种可以将充满噪声的环境(比如射频电流)隔离在环外的接地技术,这是因为在通常的操作中没有电流流过保护环。

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