10条EMC设计建议

1. 地平面的设计。低感抗的地回路是PCB设计过程中抑制EMC问题的最有效方法。扩大地平面区域,降低地回路的感抗,可以有效地降低辐射和串扰。

信号的地回路设计有多种方法,较差的方法是将器件随意地接到地网络。这种高感抗的地回路设计会引起不可预期的EMC问题。

推荐的方法是用一个完整的地平面为信号回流提供最低阻抗的路径。显然,对于两层PCB,完整地平面是不切实际的。在这种情况下,设计者可以使用地网格的方法,如图1a所示。在这种情况下,回路感抗大小取决于网格间距大小。

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信号的回流是非常重要的。更长的回流路径意味着更大的回流路径,由此带来天线效应和向外辐射能量。因此,信号回流应该走最短的路径,直接连到地平面。单点连接所有点,再把它们连到一起接到地平面是不可取的,这样不仅增加电流环路大小,而且增加了地弹的可能性。图1b示意了推荐的器件到地平面的连接方式。

法拉第电笼是另外一个减小EMC问题的办法。法拉第电笼是在PCB外围四周增加一圈地缝合孔,注意电笼外面不走线。

如图1c所示,法拉第电笼有效地抑制了PCB到/来自板外的辐射/干扰。在表层推荐用一条宽度为200~400mils的地线将所有GND孔连接;在信号层,推荐用一条宽度为20~40mils的地线将这些GND孔连接,但不建议连线成环路

2. 器件隔离。根据功能,将元器件分组,不同组放在PCB板上的不同位置,如模拟信号、数字信号、电源部分,低速信号和高速信号等。各组信号应在它们各自分配区域内,信号经过不同组之间(从一个子系统到另外一个),应当在边界处增加过滤措施

3. 叠层设计。多于两层板的设计,应当有一个完整的地平面。在四层板……应当注意,在高速信号层和高速信号线之间应当有GND层。对于两层板,完整的GND平面不现实,可以采用地格点的方式。如果没有单独的电源平面,建议在电源走线下方平行走GND线以保证供电的稳定。

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注:GND层相对于电源层和器件层向外延伸20h屏蔽噪声。/h: 电源和地平面的间距

4. 数字电路。处理数字电路的时候尤其要注意时钟信号和高速信号线,这些信号走线尽量短,且走线靠近地平面以保证辐射和串扰在可控范围内。对于这些信号,注意减少使用过孔、避免在PCB边缘走线或靠近连接器。这些信号也应远离电源平面,因为它们可能将噪声耦合到电源平面上去。
对于振荡器的处理,除了用GND隔离外。信号线注意不要平行或走在振荡器下方,与CLK信号保证有足够距离。振荡器与使用时钟的芯片尽量靠近。
注意回流总是沿着阻抗最低路径的。因此,负载回流的GND应与其信号路径尽量近,使电流回路面积最小。
差分对之间P/N线相互靠近,这样可以有效地进行共模抑制。

5. 时钟端接。时钟信号线注意阻抗匹配,否则会引起信号反射。如果不对反射信号进行处理,这些信号会被辐射出去。有多种有效的端接方式,包括源端端接、末端端接和AC端接等。

6. 模拟电路。模拟信号应远离高速跳变信号,通过GND将这些信号隔离。应用中常用低通滤波器滤除周边模拟信号的高频噪声。另外,模拟地和数字地应当分开。

7. 去耦电容。电源上的任何噪声都有可能造成器件工作不正常,一般来说,耦合到电源上的是一些高频的杂讯,可以通过使用去耦电容滤除,去耦电容为高频杂讯提供电源到GND的低阻抗路径。信号回流路径构成电源到地的环状结构,将去耦电容尽量靠近IC管脚摆放,使得回流环面积最小。大面积的回流环路会增加辐射,成为潜在的EMC失效原因。

理论上,电容的电抗值随着频率的上升逐渐接近于零,然而并不存在这样的理想情况,封装和引脚都会增加电容的等效电感值。同时使用多个低ESL电容有助于增强去耦效果。

8. 线缆。许多EMC问题是在高速信号通过电缆时,线缆充当天线造成的。理想情况下,电流从一端流入线缆,在另一端无衰减地流出。实际情况是寄生电容和电感的存在会造成辐射,产生EMI问题。通过双绞线抑制感应磁场,可以使耦合保持在低的水平。在使用带状线的时候,注意提供多个GND回路(多GND线)。对于高频信号,应在线缆两端都提供GND屏蔽线。

9. 串扰。串扰存在于PCB上任意两条走线之间,串扰的大小与互感、互容、信号的边缘速率,以及走线的阻抗有关。在数字系统中,由互感引起的串扰一般会大于由互容引起的串扰。通过增加信号线之间的距离,或减小信号线与GND的距离都可以减小信号线之间的互感。

10. 屏蔽。屏蔽不是降低EMC的电子学方法,而是一种机构手段。金属性(导体或磁性材料)外壳可以用来屏蔽对系统外的EMI。根据实际要求,屏蔽可以是针对部分或者整体的。屏蔽腔相当于一个封闭的接地容器,可以有效地吸收和反射辐射从而降低环状天线的大小。同样地,屏蔽也可以是不同部分间的隔离,衰减从一部分到另一部分辐射的能量。屏蔽通过衰减辐射波的E参数和H参数达到降低EMI的作用!

原文链接:http://www.cypress.com/?docID=28761

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“Real generosity towards the future lies in giving all to the present.” ― Albert Camus

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