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EMI實(shí)戰(zhàn)攻略

潤欣科技Fortune ? 2018-11-13 18:04 ? 次閱讀


上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

EMC基礎(chǔ)知識

EMC(Electromagnetic Compatibility,電磁兼容),包含EMI(Electromagnetic Interference,電磁干擾)和EMS(Electromagnetic Sensibility,電磁抗擾度)兩大部分。

EMI指的是電氣產(chǎn)品本身通電后,因電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁波對周邊電子設(shè)備所造成的干擾影響,EMS指的是電氣產(chǎn)品本身對外來電磁波的干擾防御能力,即電磁場的免疫程度。電磁干擾傳播或耦合,通常分為兩大類:即傳導(dǎo)干擾傳播和輻射干擾傳播。通過導(dǎo)體傳播的電磁干擾,叫傳導(dǎo)干擾;通過空間傳播的電磁干擾,叫輻射干擾。

本文重點(diǎn)講述EMI的一些實(shí)戰(zhàn)設(shè)計技巧。

實(shí)戰(zhàn)設(shè)計技巧

1)環(huán)路要小

當(dāng)存在一個磁場時,一個由導(dǎo)電材料形成的環(huán)路充當(dāng)了天線,并且把磁場轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動的電流。電流的強(qiáng)度與閉合環(huán)路的面積成正比。較小面積的環(huán)路中通過的磁通量也少,感應(yīng)出的電流也較小,因此環(huán)路面積必須最小。保持信號路徑和它的地返回線緊靠在一起將有助于最小化地線環(huán)路,避免出現(xiàn)潛在的天線環(huán)。每根信號最好能做到與地的回流路徑最短,回路面積越小,信號的抗干擾能力越強(qiáng),對外的EMI也達(dá)到最小。敏感信號用地包住,這樣包地即提供了信號最短回流路徑,也能消除與其它相鄰信號的干擾。比如時鐘信號,高頻信號等,在PCB設(shè)計時進(jìn)行包地處理,并打些地孔,可有效降低EMI。包地處理如下:

第二種環(huán)路,出現(xiàn)在板級連接的場合。如智能機(jī)頂盒產(chǎn)品,在STB主板和EOC主板或者WIFI模塊連接時,會在GND鏈路形成一個板級環(huán)路。可以在GND中間串接一個電感或者鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離。

第三種環(huán)路,通過雙絞線電纜傳輸信號時,每對差分發(fā)射/接收都形成一個環(huán)路,因雙絞線緊密耦合,對于鏈路的電纜部分而言環(huán)路面積很小。需要保持緊密耦合,減小環(huán)路面積。

2) 增加旁路電容

因CMOS電路在時鐘轉(zhuǎn)換期間吸收的電流要高出平均流耗10mA的標(biāo)準(zhǔn),而在時鐘轉(zhuǎn)換周之間的流耗非常低甚至為零。所以輻射限制方法是電壓和電流的峰值,不是平均值。在時鐘轉(zhuǎn)換過程中從電源芯片電源引腳額電流浪涌是一個主要的輻射源,近端位置增加旁路電容,那芯片所需的電流直接由該電容器提供,避免了電流浪涌的產(chǎn)生,減小了噪聲。在芯片電源管腳、I/O口、重要信號接口等位置增加旁路電容,有助于濾除集成電路的開關(guān)噪聲。芯片電源管腳增加旁路電容(0.1uF)處理,電容要靠近管腳擺放,如下:

3) 管控好阻抗匹配

高速信號通過一根傳輸線并在該傳輸線上遇到特征阻抗的變化時,一部分信號會被反射回信號源,另一部分信號將沿原來的方向繼續(xù)傳輸,反射的信號將會導(dǎo)致輻射。

信號線和接地平面之間存在信號,輻射可以由信號走線或者接地平面的中斷所引起,所以要注意信號走線下方的接地平面是否完整。信號線下面的地要完整,要有完整的參考面。信號電流經(jīng)過一個低阻抗的路徑返還其驅(qū)動源,能夠有效減小輻射,而且由于地層的屏蔽作用,使得電路對外輻射的靈敏度也會降低。如果兩個電路的參考電平不一致,就會產(chǎn)生功能問題,如噪聲容限和邏輯開關(guān)門限電平紊亂,這個接地噪聲電壓就會導(dǎo)致地環(huán)路干擾的產(chǎn)生。

PCB板疊構(gòu)設(shè)計:在多層PCB中,推薦把電源面和接地面盡可能近的放置在相鄰的層中,它等效于一個均勻分布在整個板上的去耦電容。速度最快的關(guān)鍵信號應(yīng)當(dāng)放在臨近接地面的一邊,非關(guān)鍵信號則布放在靠近電源面。

做好阻抗管控,減少信號反射,降低輻射,如差分100ohm阻抗,USB 90ohm阻抗,DDR 50ohm阻抗,RF 50ohm 阻抗,EOC 同軸75ohm阻抗等,重要信號做好包地處理。

常用4層板PCB疊構(gòu)處理如下:

4) 做好屏蔽

屏蔽是最好的解決EMI問題的有效方法。輻射源屏蔽,能夠極大限度的解決EMI問題。在干擾源和干擾對象之間插入一金屬屏蔽物,以阻擋干擾的傳播。可以做好預(yù)留設(shè)計。下圖為5G WIFI增加金屬屏蔽蓋的處理:

5) 電源處理

電源DC-DC芯片的VIN管腳,合理配置電容,減小輸入電源的EMI;在輸出端合理配置電感或鐵氧體磁珠,這樣電路動態(tài)功率將從近端的電容獲取,而不是從遠(yuǎn)端的電源獲取,降低了噪聲干擾。電源平面和地平面盡量完整,不要瑣碎孤銅。下圖為TI DC-DC三路電源芯片VIN管腳的處理,近端位置擺放10uF電容:

實(shí)戰(zhàn)現(xiàn)場DEBUG技巧

以25MHz倍頻超標(biāo)頻點(diǎn)為例

如下圖所示:

555.png

666.png

超標(biāo)頻點(diǎn),均是25MHz的倍頻點(diǎn),分析整個產(chǎn)品的工作頻率,以太網(wǎng)的工作頻率是25MHz,或者CPU的時鐘為25MHz,就要想辦法進(jìn)行抑制解決。

解決措施;

A:以太網(wǎng)25MHz工作頻點(diǎn),包括MII接口TX、RX時鐘,需要增加串阻和對地電容。數(shù)據(jù)線增加22ohm/33ohm串阻降低峰值輻射。

B:CPU的時鐘輸入25MHz,晶振外殼接地,抑制EMI時鐘電路如下:

C:以太網(wǎng)100Base-T對接,變壓器或者AC耦合方式進(jìn)行隔離,差分線上增加對地電容吸收諧波干擾。

D:STB產(chǎn)品,25MHz倍頻點(diǎn)還會通過同軸接口輻射出來,需要在F頭上擰一個螺帽將F頭與金屬外殼充分接觸,輻射頻點(diǎn)導(dǎo)到大地已達(dá)到抑制EMI效果。

E:板級對接,兩個不同的主板,通過排線/排針對接,排線/排針作為輻射源,對接接口增加去耦電容,如果是排線可以增加磁環(huán),用于消除電路內(nèi)由于開關(guān)引起瞬變電流或寄生振蕩產(chǎn)生的高頻振蕩。

F:在輻射源上增加屏蔽蓋,以阻擋干擾的傳播。

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