自我生成emi的介绍
如今,似乎许多制造商都在开发包含无线技术的产品——包括在新产品和现有产品中。其中许多产品使用LTE蜂窝连接,设计人员发现,板载DC-DC转换器和处理器/内存总线噪声正在产生足够的宽带电磁干扰(EMI),以至于蜂窝接收器下行通道被削弱(灵敏度降低),以至于产品不符合蜂窝提供商的灵敏度要求。有时这种宽带EMI甚至扩展到GPS 1575.42 MHz频段,影响导航性能。
蜂窝提供商有严格的接收机灵敏度要求,而全各向同性灵敏度(TIS)是CTIA符合性期间执行的测试之一。如果接收器不够敏感,产品将不被允许进入蜂窝系统(参考文献1而且2).
为什么正确的PC板设计是关键
低emi设计的一个关键因素是正确的PC板设计。如果在传输线结构中没有捕获高速信号,就会产生共模电流、EMI辐射泄漏和串扰。我经常发现客户在现代无线设计中使用20世纪90年代建议的层堆叠设计,这只是在自找麻烦,伴随着相关的进度延迟、调试和重复的遵从性测试。
为了理解为什么正确的PC板设计是成功的关键,让我们首先了解高速信号是如何在电路板中移动的。
信号如何在PC板中移动
我怀疑我们中的许多人在大学里都被教育过,电流是铜线或电路痕迹中的电子流动,信号以接近光速传播。这是不准确的。在我们的电场和波课上,我们也不太可能学到太多关于信号如何在电路板传输线中传播的知识。
在了解信号如何在PC板中传播之前,您必须首先了解一些物理原理(参考文献3及4).
当然,对于直流电路(除了初始电池连接瞬态),这种电流流部分是正确的。但对于交流(或射频)电路或开关模式电源的开关瞬态,我们需要了解所有连接的电线/走线现在必须被视为传输线。
首先,让我们考虑电容器是如何允许电子“流动”的。指的是数字1、如果我们把电池加到电容器上,任何加到顶板上的正电荷都会排斥底板上的正电荷,留下负电荷。如果我们在电容器上使用交流电源,它可能看起来好像电流流过电介质,这是不可能的。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔称之为“位移电流”,正电荷只是取代对面板上的正电荷,留下负电荷,反之亦然。这个位移电流定义为德/ dt(e场随时间变化)。
由于铜分子之间的原子键非常紧密,电子和带正电的空穴在铜中并没有以接近光速的速度移动,而是以大约1厘米/秒的速度移动(文献4)。当然有自由电子和空穴云,但它们在分子之间移动缓慢。这被称为传导电流,是我们用安培计测量的电流。传导电流与b场的切向分量有关,即旋度B = J.
铜分子中的一个电子对其邻居(以及传输线上)的影响以介电材料中的电磁(EM)场的速度传播。换句话说,在微带的一端震动一个电子,它就会震动下一个电子,下一个电子又震动下一个电子,以此类推,直到它震动传输线负载端的最后一个电子。这种晃动被称为e场的扭结,可以想象成牛顿的摇篮玩具,一个机械类比,第一个球击中下一个球,最终从最后的球上弹开(图2).
现在让我们考虑一个数字信号,其波前以大约半光速(在FR4电介质中约为6 in/ns)沿着一个简单的微带在相邻的地面返回平面(GRP)上移动,如图所示图3.
下一个要点是数字信号的电磁场在介电空间中传播-不是铜。铜只是“引导”电磁波(参考文献4及5).
当信号(电磁波)首次应用于微带和GRP之间时,它开始沿着微带形成的传输线在相邻的GRP上传播。有传导电流和位移电流的组合(通过电介质)。电磁干扰谐波在电磁波传播时产生于波前。信号的快速上升或下降时间包含了所有的谐波能量,这就是产生EMI的原因。
如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗,则不会有电磁波反射回源。然而,如果不匹配,则会有反射电磁场传播回源。在现实中,大多数真实的数字信号将有多个反射同时通过传输线来回移动。这些传播波的过渡区(上升时间或下降时间)将潜在地产生电磁干扰。
基于物理的输电线规则
随着对信号在电路板中如何移动有了更好的理解,在低EMI PC板设计时,有两个非常重要的原则:
- PC板上的每个信号和电源迹线(或平面)都应被视为传输线。
- 数字信号在传输线中的传播实际上是电磁场在铜迹和GRP之间的空间中的运动。
为了建造一条传输线,你需要两块相邻的金属来捕捉或容纳磁场。示例包括相邻GRP上的微带或与GRP相邻的带线或与GRP相邻的功率走线(或平面)。在电源和地面参考平面之间定位多个信号层将导致快速信号的实际EMI问题。
重点1-换句话说,每个信号或电源迹(路由电源)必须有一个相邻的GRP,所有电源平面都应该有一个相邻的GRP。许多产品最终违反了这两个规则,导致EMI问题。
重点2-如果你通过间隙或槽打破了GRP中传导电流的路径,我们开始在整个电介质空间中获得信号电磁场的“泄漏”,这导致从板和交叉耦合到其他电路的边缘辐射通过通径耦合。这也发生在我们通过多个地面参考或电源平面传递信号时,如果附近没有返回路径相邻的拼接via或拼接电容器(将GRP连接到电源平面)。这种自行产生的电磁干扰可以很容易地传导耦合或辐射到敏感的细胞接收器。请参阅视频演示,解释为什么GRP的间隙对EMI来说是一场灾难(参考6).
通过渗透:通常情况下,信号需要从顶部运行到底部(或内部到内部层),依靠过孔到达那里。如果你只需要从GRP的一边传递到另一边,也没有问题,因为信号的电磁场包含在沿着整个路径的恒定金属传输线之间(图4).
只有当需要通过多个平面时,许多设计才无法在电磁波穿过电路板的介电空间时为其提供连续的返回路径(图5).
平面之间缺乏传输线连续性(使用拼接孔或电容器),当信号试图找到返回源的方法时,将导致整个介电空间的场泄漏。这一场能量将耦合到其他通孔,以及传播为“边缘辐射”。
如果这两个平面是grp,那么你只需要在信号通道附近的至少一个位置将它们缝合在一起。这使得电场可以沿着整个路径传播。一个地面过孔矩阵总是一个很好的实践,如果它们的位置非常接近(5毫米的间距是很好的),没有必要在每个穿透处专门定位一个。
当两个平面处于不同的电位时,例如GRP和功率,则需要在信号通道旁边安装拼接电容器。如果在这样的电路板上有几十个信号穿透,为每个信号穿透添加一个拼接电容器可能是不切实际的,所以这是在整个电路板上均匀分布去耦/拼接电容器的原因之一。这也将有助于减少“地面反弹”或同步开关噪声(SSN)。
适当的板堆叠低emi
遵守这两个重要的规则将决定层的堆叠。以下是一些好的和不太好的EMI设计。有关此主题的更多信息,请参阅参考文献7和8.
四层板:糟糕(但典型)的例子
我经常看到的一个典型的四层板设计是(从上到下):信号-地面返回平面-电源平面-信号。这在几十年前相对较慢的时钟和信号频率下还可以,但在今天的高频无线技术中会产生EMI问题。让我们展示几个遵循这些规则的四层示例。注意缺少动力平面。
四层板:设计好
这是一个良好的四层板堆叠的例子,以改善EMI (图6).我们使用路由或灌注电源,而不是电源平面,以及第2层和第3层的信号。因此,每个信号/功率迹都与GRP相邻。此外,只要两个grp也用拼接过孔的矩阵连接在一起,就很容易在所有层之间运行简单的过孔。如果你沿着周长开一排缝孔(比如说,每隔5毫米),你就形成了一个法拉第笼。这是关键无线产品的绝佳选择。
四层板:设计好
另一方面,如果您更喜欢访问信号和路由/倾倒功率迹线,您可以简单地反转层对,这样两个GRP层位于中间,两个信号层位于顶部和底部,具有路由电源和足够的去耦帽,而不是一个功率平面(图7).
对于这两种四层设计,您希望运行一个5毫米的拼接孔连接两个grp的矩阵模式。
对于路由或浇注电源,每个数字设备每个电源引脚或引脚的紧密分组将需要2-3个去耦电容器。此外,轨道(通常是主数字电压)应该有更宽的倾倒任何高di / dt器件,如核心电压、驱动器、专用集成电路、电机控制器、处理器等。这将有助于作为你的高频解耦。
典型的六层设计:糟糕的例子
我经常看到的一种堆叠是这种六层设计(图8).这在十年前或二十年前可能已经足够好了,但就像糟糕的四层设计一样,这是造成EMI灾难的原因。这有两个问题:底部两个信号层参考电源平面,电源和地返回平面不相邻,距离太远,无法实现最佳的EMI去耦。
除了少数例外情况(例如,一些DDR RAM电源和信号),电流想要返回到参考GRP的源。将这些信号引用到功率平面是非常危险的,因为没有明确定义的返回路径,除了通过平面到平面的电容,在这种情况下,相对较小。此外,不确定的返回路径会导致电场泄漏到电路板的介电层的其他区域。这进而导致交叉耦合到无线接收器和其他电路,并辐射EMI。
第二个问题发生在电源和GRP被两个信号层隔开的时候。任何配电网络(PDN)瞬态将交叉耦合到电介质层内第3层和第4层上的任何信号迹线。如果这些平面之间的间隔超过3-4密尔,那么你也会失去任何平面间电容解耦的好处。
八层板(好例子)
四层和八层板设计示例(图6、7和9)遵循两个基本规则(重要要点#1),保持良好的传输线设计和低EMI。此外,对于八层设计,电源平面和GRP平面现在相距4密耳,提供良好的平面对平面电容。更近的间距会更好。例如,1mil到3mil的间距对于最小化EMI是理想的。多个grp应该用5毫米的过孔矩阵模式缝合在一起。
当然,在信号和GRP或电源和GRP之间创建适当的传输线对还有更多的迭代。
电路函数划分
在为无线电路板布局电路时,下一个最重要的考虑因素是电路功能的划分,例如数字、模拟、功率转换、射频和电机控制或其他大功率电路。
为了避免信号耦合和串扰,必须不允许不同的返回信号在同一电介质空间内混合。因此,需要划分主要电路功能。图10演示了分区的一个示例。当然,随着董事会规模的缩小,这将变得更具挑战性。Henry Ott也在参考9.
另一种将噪声电路(如数字和功率转换)与模拟电路和射频电路分开的方法是将数字模块放在堆叠的底部,将模拟模块和射频模块放在顶部。对于实际应用,这通常假设至少有一个八层设计,中间附近有一个或多个grp,以隔离顶部和底部。在无线设计的情况下,必须非常小心,以避免将噪声电路与敏感接收器耦合。
由于低频(小于50 kHz)或音频信号返回电流往往会扩散得更广,因此必须将该电路与数字、电源转换或电机控制器电路分开。同样,敏感的射频接收器电路,如GPS、蜂窝或Wi-Fi设备也必须与噪声的数字、电源转换或电机控制器电路分开。
虽然图10表示路由电源,但在数字电路下使用3.3V电源平面以实现良好的EMI抑制是非常常见的。电源也可以在适当的电路部分下以多边形形式布线。
额外的建议
多个地孔:创建一个将grp连接在一起的地孔矩阵是一个很好的实践,使用大约5毫米的间距。这将为信号穿透多个GRP层提供多个返回路径。此外,如果你使用多个grp,你应该通过在板的周围缝合来设计,为中间的信号层创建一个法拉第笼。当将无线技术集成到设计中时,这种技术尤其有用。
地填充:虽然用地面填充物填充每层中未使用的区域似乎是一种相当常见的做法,但除了没有必要外,它们还可能导致密集板的“迹穿过返回间隙”问题,其中所有传输线规则可能难以实现。Eric Bogatin在参考10.
路由功率与电源平面:传统的方法是从一个或多个(取决于层数)电源接地“芯线”开始,然后从那里构建信号层,通常在芯线的每一侧都相等,以获得最佳的可制造性。通常,数字地面返回用于此。另一个很大的优势是,当间隔非常近(小于3密耳),电源接地核心成为一个良好的高频去耦电容器。随着层数的增加,通常最好将两个或两个以上的电源接地芯线放置在堆叠的顶部和底部-通常在2-3层和6-7层(例如,在八层板上)。
结论
大多数无线产品,特别是小型便携式/移动设备,现在在整体系统设计中需要更加小心。一个重要的关键是低EMI,因此,最佳性能,是PC板的设计。你可以在很大程度上“抛弃”过去几年使用的布局规则,因为在今天使用的时钟和信号速度下,所有的铜线都变成了传输线,需要更加小心,以避免信号路径中的间隙,电磁波可能会“泄漏”并耦合到敏感电路。
需要记住的重点是,所有信号和电力网络现在都应该被视为传输线,信号和电力暂态在电介质空间内以大约半光速传播,铜走线沿着GRP“引导”信号,并且电路功能需要在整个空间中进行划分,以减少耦合。保持这些指导方针将有助于确保最低的EMI和最佳性能的无线设计。
参考文献
- CTIA,空中移动站性能测试计划:辐射射频功率和接收机性能的测量方法,http://files。ctia.org/pdf/CTIA_OTA_Test_Plan_Rev_3.1.pdf
- Broadcom,符合TIS和TRP要求,https://www.broadcom.com/collateral/ wp/21XX-WP100-R.pdf
- 施密特,《电磁学解释-无线/射频、EMC和高速电子手册》,纽尼斯,2002年。
- Bogatin,信号完整性-简化(第三版),Prentice Hall, 2018。
- Beeker,有效的PCB设计:提高性能的技术,https://www.nxp.com/filesstatic/training_pdf/WBNR_PCBDESIGN.pdf
- 怀亚特,回程飞机的间隙(视频),https://www。youtube.com/watch ? v = L44lTnQgv-o&t = 9
- 哈特利,PC板噪声,EMI和信号完整性控制(2天研讨会),里克哈特利企业,由https://www.pcb2day.com管理。
- 莫里森,快速电路板-能源管理,威利,2018。
- 奥特,电磁兼容工程,威利,2009。
- Bogatin,成功的2层板设计师的七个习惯(信号完整性期刊),https://www。signalintegrityjournal.com/blogs/12-fundamentals/ post / 1207 -七个习惯- - - - - - -成功的- 2 - layerboard设计师
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