介绍
虽然在一篇文章中讨论产品设计的所有方面是不现实的,但我将尝试描述我在数百个客户端产品中发现的最常见的设计问题。这些问题一般包括PC板设计、电缆、屏蔽和滤波。更详细的信息可以在下面的参考资料部分找到。
如前所述,我遇到的前三个产品故障包括(1)辐射发射,(2)辐射磁化率和(3)静电放电。其他故障可能包括传导发射、电快速瞬态、传导磁化率和电涌。最后这些项目中的大多数也是同样糟糕的产品设计的结果,这导致了前三名的失败。
注意:在本文或我的咨询实践中,我倾向于避免使用“基础”这个词。原因是有太多的误解,这也会导致EMC故障。使用功率和功率返回,以及信号和信号返回——或者只是“返回平面”或参考平面——会更清楚。最后,电缆屏蔽或屏蔽外壳是“粘合”在一起的,而不是“接地”。唯一的例外是所谓的“安全地面”或地面。但这些与适当的EMC设计完全无关——只是为了防止人身电击。我想唯一的例外是三线电源线滤波器的接地连接。此外,偶尔也会在PC板上有接地-特别是电源,但同样,由于导线的电感(长度)非常高,将产品或系统连接到接地不会改善EMI。
为遵从性要素而设计
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。
前一篇文章介绍了电路理论的概念和场论的观点。一个成功的PC板设计兼顾了这两个方面。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。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。
相应地,PC板上的电场存在于两块金属之间,例如微带在回平面(或迹线)上。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,以及导致时钟或其他高速信号交叉耦合到同一电介质内的数十个其他电路迹线。
图1显示了介电介质中信号迹线和返回平面(或迹线)之间的传播波。这既显示传导电流流动在信号轨迹和返回平面(或轨迹)和位移电流“通过”电介质。信号波前的传播速度是由介电常数决定的光速的一部分。在空气中,信号以每纳秒12英寸的速度传播。在典型的FR4电介质中,速度约为6英寸/纳秒的一半。有关信号通过PC板传播的物理特性的更多信息,请参考文献1、2和3。
图1 -带有参考平面的沿微带传播的波。由Eric Bogatin提供。
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。PDN设计还需要散装和解耦的“储能”电容器。大容量电容4.7至10 μF(典型)通常放置在电源输入连接器附近,而去耦电容(1至10 nF,典型)通常放置在噪声最大的开关设备附近,最重要的是,从电源引脚连接到信号返回平面的线路长度最小。理想情况下,所有去耦电容器应安装在连接孔上方(或靠近),每个电容器应使用多个通孔以减少串联电感。
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2显示了电磁场如何停留在返回平面两侧的电介质内。为了清晰起见,没有显示电介质。
图2 -通过单个参考平面的信号轨迹
另一方面,参考图3,如果一个信号通过两个参考平面,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。
图3 -通过两个参考平面的信号轨迹如果参考平面具有相同的电位(例如,信号或功率返回),则将通孔与信号通孔相邻拼接就足够了。然而,如果平面是不同的电位(例如,功率和返回),那么拼接电容器必须安装在非常靠近信号通道的地方。缺乏定义的返回路径将导致电磁场在电介质周围泄漏,如图所示,并耦合到其他信号通道或辐射出板边缘。
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)电路板堆叠。参见图4。
图4 -具有非常差的EMI性能的六层板堆叠
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,只有信号层1和层3有一个相邻的返回平面。信号层4和6被引用到功率,而不是信号返回,因此,传播波返回路径将在返回信号源的路上跳跃到最近的金属,这是引用到信号返回。同样,这将倾向于夫妇时钟和其他数字噪音在整个板。
图5 -具有良好EMI性能的六层板堆叠每个信号层有一个相邻的返回平面,功率和功率返回平面相邻。
图5显示了更好的设计。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,您仍然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连接器沿板的一侧放置。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返回平面中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。这些快速信号不应运行在长板边缘或通过I/O或电源连接器附近。
回程平面间隙我想回到前面提到的回程平面上的间隙或槽,并举例说明为什么这对EMI来说是个坏消息。当返回中断时,传导电流被强制绕槽,或以其他方式找到最近的(最低阻抗)路径返回到源。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。参见图6和文献4。
图6 -显示了传输线路终止在50欧姆的演示测试板。一条传输线在回程平面上有间隙,另一条没有。一个谐波梳状发生器(2ns脉冲)依次连接到两个BNC连接器中的一个,并用电流探头测量粘在返回平面上的导线中的谐波电流。
有间隙和未间隙的跟踪之间的差异如图7所示。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。
图7 -用电流探头测量的连接导线(到返回平面)上的共模电流aqua中的跟踪是无间隙的返回路径,红色的跟踪是有间隙的返回路径。对于有间隙的返回路径,差异要高10到15 dB。这些谐波电流将趋向辐射,并可能导致辐射发射故障。
屏蔽
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。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8 -衰减随槽长变化的图表我是亨利·奥特。
图8显示了一个方便的图表,用于确定给定插槽长度的20 dB衰减。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。有关屏蔽的更多细节,请参阅参考文献5和6。《干扰技术》还有一本免费下载的《2017 EMI屏蔽指南》,其中提供了丰富的信息(参考文献7)。
图9是波长与半波共振在1000mhz的图表。这是一个方便的工具,用于确定电缆或插槽作为天线的效率。
图9 -在自由空间中确定谐振频率与电缆或槽长度的方便图表半波长槽模拟偶极天线,尤其麻烦。Figure,由Patrick提供André。
有线电视普及率-在追踪辐射排放问题时,我发现的头号问题是电缆辐射。电缆辐射的原因是它们没有经过某种处理就穿透了屏蔽外壳——要么将电缆屏蔽连接到金属外壳上,要么在I/O或电源连接器处进行共模滤波(图10和11)。这种情况经常发生,因为今天大多数连接器都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。
图10 -用电缆穿透屏蔽层会破坏屏蔽层这个例子展示了外部能源如何在I/O电缆中诱导噪声电流,这可能会破坏内部电路。反过来也是如此,内部噪声电流可以流出电缆并导致发射故障。我是亨利·奥特。
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。图11显示了当连接器简单地刺穿屏蔽外壳时的通常结果。
图11 -由于未绑定I/O连接器到屏蔽框,穿透电缆穿过屏蔽框的结果
电缆屏蔽端子-另一个潜在的问题是I/O电缆是否使用“pigtail”连接到连接器外壳。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英寸的辫子连接在100 MHz时有12欧姆阻抗,并且频率越高越差。这对于HDMI电缆来说尤其成问题,因为HDMI工作组(http://www.hdmi.org)最初未能指定将电缆屏蔽终止到连接器的方法。这可能已在2017年发布的最新版标准中得到更正。
过滤
我不会在这里详细介绍,因为Interference Technology有一个很好的EMI滤波器指南可供免费下载(参见参考文献8)。可以这么说,滤波器以及瞬态保护在电源和I/O连接器上非常重要。通常,这些将是共模拓扑,如图12所示。大多数信号级共模扼流圈可以在表面贴装封装中获得。电源扼流圈要大得多,以处理电流,并可获得表面安装或通孔安装,这取决于电流额定值。许多以太网连接器也有内置的共模过滤。
电源输入滤波器通常设计为抑制差分和共模电流。典型的拓扑如图13所示。“X”电容器设计用于滤波差模,而CM扼流圈和“Y”电容器设计用于滤波共模。所示电阻通常为100 kOhm,其目的仅仅是将存储在电容器上的线路电压泄漏到安全水平。
图12 -用于I/O过滤的典型共模滤波器这两个绕组绕成相反的方向,因此往往会抵消共模电流。
图13 -一般用于电源输入滤波的通用滤波器
图14 -五种常见的滤波器拓扑结构,取决于源阻抗和负载阻抗图,由Würth Electronik提供。
对于信号的通用滤波,可能的滤波器拓扑的方便图表可以在参考文献9中找到,并在图14中再现。合适的拓扑取决于源阻抗和负载阻抗。如果这些阻抗不知道,那么可以使用“PI”或“T”拓扑(分别是图表上的#3或#5)。
铁氧体或电感元件不应与IC的电源引脚串联使用,因为这只会降低局部去耦电容器在IC输出级同时切换时提供所需能量的能力,从而导致更高的电源噪声。如果使用,它们应该从散装电容器“上游”插入。
铁氧体窒息-一个常见的过滤器元件通常添加到I/O电缆是铁氧体扼流圈。铁氧体扼流圈有夹紧型或实心型,可与电缆组件一起组装。通常,这些被用作最后的手段,以减少电缆的排放或敏感性。铁氧体扼流圈具有相关的阻抗与频率特性,通常在100至300 MHz左右达到峰值。一些材料被设计为峰值低于100兆赫兹的低频应用。最大阻抗范围可以从25到1000欧姆,这取决于所使用的铁氧体材料和扼流圈的风格。
您可能已经注意到,将铁氧体扼流圈夹在电缆上有时没有任何效果。这通常是由于扼流圈具有与源阻抗和负载阻抗相同或更低的有效阻抗。铁氧体扼流圈的衰减很容易计算。
衰减(dB) = 20 * log ((Zin + Zferrite + Zload) / (Zin + Zload))
例如,如果我们在系统阻抗为10欧姆(源和负载)的电源电缆上添加一个100欧姆的铁氧体扼流圈,则衰减将为:
衰减= 20 * log ((10 + 100 + 10) / (10 + 10)) = 15.5 dB
有关铁氧体扼流圈和一般滤波器设计的更多详细信息,请参阅参考文献9。
瞬态保护
为了保护内部电路免受雷电引起的静电放电、电快速瞬态(EFT)或电力线浪涌等电瞬态的影响,应在所有电源和I/O端口安装瞬态保护装置。这些设备感知瞬态脉冲,并将瞬态脉冲“夹”到指定的夹紧电压。
信号线中的瞬态保护器通常必须具有非常低的并联电容(典型为0.2到1 pF)到返回平面(或接地),这取决于数据速率,以保持信号的完整性。这些硅基器件可以在非常小的表面贴装包装中购买。
电力线路浪涌保护通常需要更大的瞬态保护装置,它们可以有多种类型。气体放电或金属氧化物压敏电阻是最常见的,但更大的硅基器件也可用。有关浪涌保护设计的更多信息可在参考文献9中找到。
总结
大多数EMC/EMI故障是由于屏蔽不良,电缆穿透屏蔽,电缆屏蔽终端不良,过滤不良,最重要的是,PC板布局和堆叠不良。注意这些常见的设计错误将会降低遵从性失败的风险,并导致更低的项目成本和进度延迟。
参考文献
- Bogatin,信号完整性-简化,Prentice-Hall, 2018年第3版。
- 莫里森,接地和屏蔽-电路和干扰,威利,2016。
- 莫里森,快速电路板-能源管理,威利,2018。
- 怀亚特,回程飞机的间隙——百代公司的坏消息(有视频演示),//www.dionika-online.com/gaps-return-planes-bad-news-emi/
- 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。
- 2017电磁干扰屏蔽指南,https://learn.www.dionika-online.com/2017-emi-shielding-guide/
- 2017 EMC滤波器指南,http://learn.www.dionika-online.com/2017-emc-filters-guide/
- Würth电子,磁学三部曲,4th版,2010年版。
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