硬件EMC規范講解

本規范簡(jiǎn)紹EMC的主要原則與結論，為硬件工程師們在開(kāi)發(fā)設計中拋磚引玉。值得收藏~

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器。EMC就圍繞這些問(wèn)題進(jìn)行研究。最基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來(lái)切斷干擾的傳輸途徑。廣義的電磁兼容控制技術(shù)包括抑制干擾源的發(fā)射和提高干擾接收器的敏感度，但已延伸到其他學(xué)科領(lǐng)域。

本規范重點(diǎn)在單板的EMC設計上，附帶一些必須的EMC知識及法則。在印制電路板設計階段對電磁兼容考慮將減少電路在樣機中發(fā)生電磁干擾。問(wèn)題的種類(lèi)包括公共阻抗耦合、串擾、高頻載流導線(xiàn)產(chǎn)生的輻射和通過(guò)由互連布線(xiàn)和印制線(xiàn)形成的回路拾取噪聲等。

在高速邏輯電路里，這類(lèi)問(wèn)題特別脆弱，原因很多：

1、電源與地線(xiàn)的阻抗隨頻率增加而增加，公共阻抗耦合的發(fā)生比較頻繁;

2、信號頻率較高，通過(guò)寄生電容耦合到步線(xiàn)較有效，串擾發(fā)生更容易;

3、信號回路尺寸與時(shí)鐘頻率及其諧波的波長(cháng)相比擬，輻射更加顯著(zhù)。

4、引起信號線(xiàn)路反射的阻抗不匹配問(wèn)題。

一、總體概念及考慮

1、五一五規則，即時(shí)鐘頻率到5MHz或脈沖上升時(shí)間小于5ns，則PCB板須采用多層板。

2、不同電源平面不能重疊。

3、公共阻抗耦合問(wèn)題。

模型：

由于地平面電流可能由多個(gè)源產(chǎn)生，感應噪聲可能高過(guò)模電的靈敏度或數電的抗擾度。

解決辦法：

①模擬與數字電路應有各自的回路，最后單點(diǎn)接地;

②電源線(xiàn)與回線(xiàn)越寬越好;

③縮短印制線(xiàn)長(cháng)度;

④電源分配系統去耦。

4、減小環(huán)路面積及兩環(huán)路的交鏈面積。

5、一個(gè)重要思想是：PCB上的EMC主要取決于直流電源線(xiàn)的Z

二、布局

下面是電路板布局準則：

1、 晶振盡可能靠近處理器

2、 模擬電路與數字電路占不同的區域

3、 高頻放在PCB板的邊緣，并逐層排列

4、 用地填充空著(zhù)的區域

三、布線(xiàn)

1、電源線(xiàn)與回線(xiàn)盡可能靠近，最好的方法各走一面。

2、為模擬電路提供一條零伏回線(xiàn)，信號線(xiàn)與回程線(xiàn)小與5：1。

3、針對長(cháng)平行走線(xiàn)的串擾，增加其間距或在走線(xiàn)之間加一根零伏線(xiàn)。

4、手工時(shí)鐘布線(xiàn)，遠離I/O電路，可考慮加專(zhuān)用信號回程線(xiàn)。

5、關(guān)鍵線(xiàn)路如復位線(xiàn)等接近地回線(xiàn)。

6、為使串擾減至最小，采用雙面#字型布線(xiàn)。

7、高速線(xiàn)避免走直角。

8、強弱信號線(xiàn)分開(kāi)。

四、屏蔽

1、屏蔽 > 模型：

屏蔽效能SE(dB)=反射損耗R(dB)+吸收損耗A(dB)

高頻射頻屏蔽的關(guān)鍵是反射，吸收是低頻磁場(chǎng)屏蔽的關(guān)鍵機理。

2、工作頻率低于1MHz時(shí)，噪聲一般由電場(chǎng)或磁場(chǎng)引起，(磁場(chǎng)引起時(shí)干擾，一般在幾百赫茲以?xún)?，1mhz以上，考慮電磁干擾。單板上的屏蔽實(shí)體包括變壓器、傳感器、放大器、DC/DC模塊等。更大的涉及單板間、子架、機架的屏蔽。

3、 靜電屏蔽不要求屏蔽體是封閉的，只要求高電導率材料和接地兩點(diǎn)。電磁屏蔽不要求接地，但要求感應電流在上有通路，故必須閉合。磁屏蔽要求高磁導率的材料做 封閉的屏蔽體，為了讓渦流產(chǎn)生的磁通和干擾產(chǎn)生的磁通相消達到吸收的目的，對材料有厚度的要求。高頻情況下，三者可以統一，即用高電導率材料(如銅)封閉并接地。

4、對低頻，高電導率的材料吸收衰減少，對磁場(chǎng)屏蔽效果不好，需采用高磁導率的材料(如鍍鋅鐵)。

5、磁場(chǎng)屏蔽還取決于厚度、幾何形狀、孔洞的最大線(xiàn)性尺寸。

6、磁耦合感應的噪聲電壓UN=jwB.A.coso=jwM.I1，(A為電路2閉合環(huán)路時(shí)面積;B為磁通密度;M為互感;I1為干擾電路的電流。降低噪聲電壓，有兩個(gè)途徑，對接收電路而言，B、A和COS0必須減小;對干擾源而言，M和I1必須減小。雙絞線(xiàn)是個(gè)很好例子。它大大減小電路的環(huán)路面積，并同時(shí)在絞合的另一根芯線(xiàn)上產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢。

7、防止電磁泄露的經(jīng)驗公式：縫隙尺寸λmin/20。好的電纜屏蔽層覆視率應為70%以上。

五、接地

1、300KHz以下一般單點(diǎn)接地，以上多點(diǎn)接地，混合接地頻率范圍50KHz～10MHz。另一種分法是： 0.05λ單點(diǎn)接地; 0.05λ多點(diǎn)接地。

2、好的接地方式：樹(shù)形接地

3、信號電路屏蔽罩的接地。

接地點(diǎn)選在放大器等輸出端的地線(xiàn)上。

4、對電纜屏蔽層，L 0.15λ時(shí)，一般均在輸出端單點(diǎn)接地。L0.15λ時(shí)，則采用多點(diǎn)接地，一般屏蔽層按0.05λ或0.1λ間隔接地?；旌辖拥貢r(shí)，一端屏蔽層接地，一端通過(guò)電容接地。

5、對于射頻電路接地，要求接地線(xiàn)盡量要短或者根本不用接線(xiàn)而實(shí)現接地。最好的接地線(xiàn)是扁平銅編織帶。當地線(xiàn)長(cháng)度是λ/4波長(cháng)的奇數倍時(shí)，阻抗會(huì )很高，同時(shí)相當λ/4天線(xiàn)，向外輻射干擾信號。

6、單板內數字地、模擬地有多個(gè)，只允許提供一個(gè)共地點(diǎn)。

7、接地還包括當用導線(xiàn)作電源回線(xiàn)、搭接等內容。

六、濾波

1、選擇EMI信號濾波器濾除導線(xiàn)上工作不需要的高頻干擾成份，解決高頻電磁輻射與接收干擾。它要保證良好接地。分線(xiàn)路板安裝濾波器、貫通濾波器、連接器濾波器。從電路形式分，有單電容型、單電感型、L型、π型。π型濾波器通帶到阻帶的過(guò)渡性能最好，最能保證工作信號質(zhì)量。

一個(gè)典型信號的頻譜：

2、選擇交直流電源濾波器抑制內外電源線(xiàn)上的傳導和輻射干擾，既防止EMI進(jìn)入電網(wǎng)，危害其它電路，又保護設備自身。它不衰減工頻功率。DM(差摸)干擾在頻率 1mhz時(shí)占主導地位。cm在> 1MHz時(shí)，占主導地位。

3、使用鐵氧體磁珠安裝在元件的引線(xiàn)上，用作高頻電路的去耦，濾波以及寄生振蕩的抑制。

4、盡可能對芯片的電源去耦(1-100nF)，對進(jìn)入板極的直流電源及穩壓器和DC/DC轉換器的輸出進(jìn)行濾波(uF)。

注意減小電容引線(xiàn)電感，提高諧振頻率，高頻應用時(shí)甚至可以采取四芯電容。電容的選取是非常講究的問(wèn)題，也是單板EMC控制的手段。

七、其它

單板的干擾抑制涉及的面很廣，從傳輸線(xiàn)的阻抗匹配到元器件的EMC控制，從生產(chǎn)工藝到扎線(xiàn)方法，從編碼技術(shù)到軟件抗干擾等。一個(gè)機器的孕育及誕生實(shí)際上是EMC工程。最主要需要工程師們設計中注入EMC意識。