简介
在我的咨询实践中,我经常看到的三大产品故障是(1)辐射发射,(2)辐射敏感性,(3)静电放电。在回顾和测试了多年来的数百种产品后,我得出的结论是,产品未能通过这些测试有五个常见原因(按发生率排序);
- PC板设计-糟糕的布局和图层堆叠
- 电缆屏蔽终端和尾辫-电缆屏蔽未端接到外壳或对未屏蔽产品缺乏共模滤波,加上使用屏蔽尾
- 返回路径的间隙-高频时钟或信号在返回路径中穿过间隙
- 配电设计-配电网络(PDN)设计不良
- 屏蔽设计,屏蔽框上的孔槽过长
1.PC板设计
实现EMC/EMI合规性的最重要因素围绕印刷电路板设计。重要的是要注意,在设计符合EMC标准的PC板时,并非所有的信息来源(书籍、杂志文章或制造商的应用说明)都是正确的,特别是超过10年的信息来源。beplay官方免费下载此外,许多“经验法则”是基于特定的设计,可能不适用于未来或杠杆设计。一些经验法则很幸运地发挥了作用。
PC板必须从物理角度进行设计,最重要的考虑是高频信号、时钟和配电网络(pdn)必须设计为传输线。这意味着传递的信号或能量以电磁波的形式传播。pdn是一种特殊情况,因为它们必须携带直流电流,并能够以最小的同时开关噪声(SSN)为开关瞬态提供能量。pdn的特性阻抗设计为非常低的阻抗(通常为0.1至1.0欧姆)。另一方面,信号走线通常设计为50至100欧姆的特性阻抗。
理解PC板设计都是关于两个重要的概念:(1)所有电流在回路中流动和(2)高频信号在传输线中以电磁波的形式传播。这两个概念密切相关,相互耦合。
电流循环-电路理论认为电流在回路中从源流到负载再流回源。在许多产品失败的情况下,退货路径没有很好地定义,在某些情况下,路径被破坏了。我们电路设计人员经常忽略的问题是定义高频信号返回源的返回路径。仔细想想,我们甚至没有在原理图上画出这些返回路径——只是将其显示为一系列不同的“地面”符号。
那么什么是“高频”呢?基本上,任何高于50到100千赫的东西。对于小于此频率,返回电流将趋向于沿着最短路径返回源(最小电阻路径)。对于高于此频率的频率,返回电流倾向于直接跟随信号轨迹的下方并返回到源(阻抗最小的路径)。看到图1.
为了减少电磁干扰,我们需要最小化这些回路的面积。未定义的返回路径通常会导致从源到负载和返回源的大电流循环。这些大电流回路开始看起来像环形天线,将噪声电流耦合到产品或系统中的“天线状”结构(如电缆)。
一些板设计出错的地方是在高的时候dV / dt返回信号,如来自低频DC-DC开关模式转换器或高频di / dt来自数字逻辑和时钟返回信号的信号与I/O电路返回电流、敏感射频模块(特别是接收机)或敏感模拟返回电流混合在一起。只是要意识到设计明确的信号和电源返回路径的重要性。这就是为什么在高频信号下使用固体回程平面,然后在电路板上隔离数字、电源和模拟电路是如此重要。
信号如何移动在频率大于约50至100千赫时,数字信号开始在传输线中以电磁波的形式传播。如图2,高频信号沿传输线传播(电路迹线在返回平面上,例如),波前在铜迹线中诱导传导电流,并沿返回平面返回。当然,这种传导电流不能流过PC板电介质,但是在波前的电荷排斥在返回平面上的类似电荷,这“看起来”就像电流在流动。这与电容器“传递”交流电流的原理是一样的,麦克斯韦将这种效应称为“位移电流”。
信号的波前以光速的一部分传播,由材料的介电常数决定,而传导电流由高密度的自由电子组成,以大约1厘米/秒的速度移动。近光速传播的实际物理机制是由于电子场中的“扭结”,它沿铜分子传播。重要的是,这种传导电流和位移电流的组合必须有一个不间断的路径返回到源。
高频数字信号在微带和返回平面(或迹线)之间产生高电场。如果返回路径被打破,电场就会“锁定”到下一个最近的金属上,这可能不是你想要的返回路径。当返回路径未定义时,电磁场将在整个电介质中“泄漏”,并导致共模电流流遍整个电路板。不受控制的电场还将通过耦合到电介质层中的通孔,导致时钟或其他高速信号与同一电介质内的数十个其他电路迹线交叉耦合。由此产生的共模电流将趋向于耦合到“天线状结构”,如I/O电缆或屏蔽外壳中的槽/孔,导致电磁干扰。
电路板堆叠-我们大多数人都学过“电路理论”的观点,当我们想象回流电流如何流回源头时,这是很重要的。然而,我们还需要考虑这样一个事实,即信号的能量不仅仅是电流流,而是通过电介质移动的电磁波前沿,或者是“场论”的观点。记住这两个概念只是加强了设计传输线(返回路径直接相邻的信号跟踪)的重要性,而不仅仅是简单的电路跟踪路由。一个成功的PC板设计兼顾了这两个方面。
为了同时满足电路和场论的观点,我们现在看到相邻的功率和功率返回平面,以及相邻的信号和信号返回平面的重要性。参考到单一平面的信号或电源路由将始终具有定义的返回源路径。图3展示了电磁场如何停留在回程平面两侧的电介质内。为了清晰起见,没有显示电介质。
另一方面,指图4在美国,如果一个信号穿过两个参考平面,事情就会变得棘手得多。如果两个平面具有相同的电位(例如,都是返回平面),则可以在信号通路的相邻位置添加简单连接通路。这将形成一个很好的返回路径返回到源。
如果两个平面是不同的电位(例如,功率和返回),那么拼接电容器必须放置在信号通道附近。缺乏定义的返回路径将导致电磁波在整个电介质中传播,导致与其他信号通孔的交叉耦合以及如图所示的泄漏和辐射出板边缘。
例如,让我们来看看我经常看到的一个糟糕的(但非常典型的)板堆栈(图5).
请注意,功率和功率返回平面相隔三层。任何PDN瞬变都倾向于交叉耦合到中间的两个信号层。类似地,很少有信号层有一个相邻的返回平面,因此,传播波返回路径将在返回源的路上跳跃到距离最近的任何金属。同样,这将倾向于在整个电路板上耦合时钟噪声。
更好的设计显示在图6.在这里,我们失去了一个信号层,但我们看到功率和功率返回平面是相邻的,而每个信号层都有一个相邻的信号(或功率)返回平面。在两个返回平面之间运行多个连接通道也是一个好主意,以保证返回源的最低阻抗路径。使用这种或类似的设计,EMI性能将显著提高。在许多情况下,简单地重新排列堆叠就足以通过排放。
请注意,当在顶层和底层之间运行信号时,您需要在返回平面之间包括“拼接”过孔,并在信号穿透点的电源和电源返回平面之间拼接电容器,以最小化返回路径。理想情况下,这些拼接孔应该位于每个信号孔的1至2毫米内。
其他技巧-其他设计技巧包括将所有电源和I/O连接器放置在电路板的一侧。这有助于降低连接器之间的高频压降,从而最大限度地减少电缆辐射。此外,数字、模拟和射频电路的隔离也是一个好主意,因为这可以最大限度地减少噪声和敏感电路之间的交叉耦合。当然,高速时钟或类似的高速信号应该在尽可能短和直接的路径上运行。这些快速信号不应该运行在长板边缘或通过附近的连接器。
指参考文献1,2,3,而且4以了解PC板设计的进一步细节,以及电场如何通过传输线移动
2.电缆屏蔽终端
有线电视普及率追踪辐射辐射问题时,我发现的第一个问题是电缆辐射。电缆辐射的原因是它们穿透了屏蔽外壳,而没有进行某种处理——要么将电缆屏蔽连接到金属外壳上,要么在I/O或电源连接器(图7而且8).这种情况经常发生,因为大多数连接器直接连接到电路板上,然后通过屏蔽上的孔插入。一旦电缆插入,它就会“穿透屏蔽层”,通常会产生电磁干扰。
有四种组合或情况必须考虑:屏蔽或非屏蔽产品,屏蔽或非屏蔽电缆。用于消费/商业产品的电源线通常是无屏蔽的,因此需要在穿透点或电路板的连接器处进行电源线滤波。屏蔽电缆必须与产品的屏蔽外壳进行屏蔽连接(最好是360度连接)。如果产品没有屏蔽外壳,则必须在PC板的穿透点或I/O连接器处添加滤波(通常为普通模式)。图8显示连接器简单地刺穿屏蔽外壳时的通常结果。
电缆屏蔽端子-另一个潜在的问题是,如果I/O电缆使用“pigtail”连接到连接器外壳(图9).理想情况下,电缆屏蔽层应以360度键合方式终止,以获得最低阻抗。尾辫通过引入相对较高的阻抗降低电缆屏蔽效果。例如,1英寸的辫子式连接在100 MHz时有12欧姆阻抗,频率越高越差,从而破坏电缆屏蔽。
这对于HDMI电缆来说尤其成问题,因为HDMI工作组(http://www.hdmi.org)未能指定将电缆屏蔽终止到连接器的方法。幸运的是,他们意识到了这个问题,并将在标准的下一次修订中更好地定义一个适当的终止方法。与此同时,并不能保证某一种电缆在用于正式认证测试时是否能正常工作。建议尝试不同的品牌。
以下是八种不同品牌HDMI线的测试结果(图10).每一个都由信号发生器驱动,并在电磁干扰室中测量,同时扫描频率。有关此测试的详细报告,请参阅参考5.
3.回流平面的间隙
回程路径上的断裂或间隙是辐射发射、辐射易感性和ESD故障的主要原因。让我们回到前面提到的返回平面上的间隙或槽的问题,并展示一个例子,说明为什么它对EMI是坏消息。当返回路径被中断时,传导电流就被迫绕过狭缝,或者以其他方式找到最近的(最低阻抗)返回源的路径。电磁场被挤出,电磁场就会“泄漏”到整个电路板上。我有一篇文章和很好的演示视频,它是如何影响共模电流和最终的EMI的。看到图11而且参考6.这将是一个很好的演示,可以构建并向您自己的同事展示!
有间隙和未间隙的迹线之间的差异显示在图12.注意,对于有间隙的迹线(红色部分),谐波电流要高10到15 dB。没有注意信号和功率返回路径是辐射发射故障的主要原因。
4.配电网设计
配电网络(PDN)设计要求低阻抗(一般为0.1 ~ 1.0欧姆)传输线通过至少30 MHz。PDN的目的是尽可能快地将能量从电源(通常是PC板上的稳压模块)传输到开关IC。
当数字IC的输出级从高电平切换到低电平或从低电平切换到高电平时,有一段时间,两个输出设备都部分打开。这将导致电源轨道和IC的电源回针之间产生较大的电流脉冲,这种“穿透”电流脉冲倾向于降低电源电压,从而在电源轨道上产生所谓的同步开关噪声(SSN)。这个SSN倾向于在整个PC板上传播。一个设计良好的PDN可以最小化这个SSN。
电容器,以体电容、去耦电容和板电容的形式,用来储存足够的能量,以克服电源轨电压下降的趋势。图13显示了PDN的典型电路模型,左边是电源,向右边的IC供电。在这之间,我们有一系列的储能电容器和传输线(PC线)。不幸的是,它需要大量的时间来转移所需的能量从电源到IC。它已经表明,它需要约600 ps传输电流通过1/16英寸的模具键(参考10).这就是为什么让pdn尽可能简短和直接是特别重要的。
理想情况下,总能量需求将由“片上”电容器(如果有的话)加上存储在功率平面电容中的能量来满足。然而,这些很少是足够的存储,所以我们在很大程度上依赖于附近的去耦电容器来满足剩余的能量需求。对于去耦电容器来说,具有尽可能小的串联电感(以内电感和迹电感的形式)是至关重要的。串联电感越大,就越难向负载和SSN提供所需的能量,并在整个PC板中产生相关的噪声耦合。
假设解耦并且PC板的任何内置电容都可以提供所需的能量,那么散装电容器的工作就是在开关瞬态之间对下游电容器的能量进行“充电”。为了获得最快的充电时间,PDN必须采用低阻抗传输线的形式。
通常将4.7至10 μF的大容量电容器放置在电源输入连接器附近,而将1至10 nF的去耦电容器放置在噪声最大的开关器件附近,为了实现最低的串联电感,所有去耦电容器应安装在尽可能靠近需要去耦的IC的位置,并安装在连接孔的正上方(或靠近)。电容器的每一端应使用多个通孔,以进一步降低串联电感。更多关于PDN设计的信息请参见参考文献7、8,9.
5.屏蔽设计
屏蔽外壳的两个问题是使所有部件良好地连接在一起,并允许电源或I/O电缆穿透它而不引起共模电流泄漏。金属薄板之间的粘合可能需要EMI衬垫或其他粘合技术。图14显示了确定给定槽长度的20 dB衰减的方便图表。例如,如果产品设计要求至少20 dB的屏蔽效果,那么最长的插槽长度可以只有半英寸。
当最长维度接近半波长时,屏蔽外壳中的槽或孔径就成为问题。图15是波长对频率的图表。例如,一个6英寸(15厘米)的槽在1000mhz有半波共振。通风孔一般为直径不超过1/4英寸的圆孔。可以使用槽的模式,但它们不应超过1/2英寸,以保持足够的屏蔽效果。
参考10而且11有关屏蔽的更多详细信息。干扰技术也有一个免费下载的2016年EMI屏蔽指南,有优秀的信息(参考12).
总结
注意这五个产品设计错误将大大有助于在正式的合规性测试中降低EMI故障的风险。在项目开发的早期考虑适当的EMC设计最终将节省大量的时间和金钱。
参考文献
- 波加廷,信号完整性简化,Prentice-Hall, 2009。
- 莫里森,接地和屏蔽-电路和干扰,威利,2016。
- 莫里森,数字电路板- Mach 1 GHz,威利,2012。
Beeker,有效的PCB设计,https://www.nxp.com/files-static/ training_pdf/WBNR_PCBDESIGN.pdf
Bergey & Altland,电缆组件的EMI屏蔽,DesignCon 2008, http://www.magazines007.com/pdf/DC08_Dana_Bergey.pdf
怀亚特,回程飞机的间隙- EMI的坏消息(有视频演示),//www.dionika-online.com/gaps-return-planes-bad-news-emi/
- Smith和Bogatin, PDN设计的电源完整性原则,Prentice-Hall, 2017。
- 桑德勒,电源完整性-测量,优化,并排除电子系统中电源相关参数,麦格劳希尔,2014。
- 诺瓦克和米勒,频域特征的配电网络,Artech House, 2007。
- 奥特,电磁兼容工程,威利,2009
- André和Wyatt,产品设计师EMI故障诊断食谱,SciTech, 2014。
- 干涉技术2016年EMI屏蔽指南,http://learn。www.dionika-online.com/2016-emi-shielding-guide/