EMC 測試、設計及排查技術（二）

EMC測試、設計及排查技術（二） Compliance Direction Systems Inc. Compliance Direction —— Direct to EM_Compliance （加拿大）容向系統科技有限公司容向 ——專注於電磁相容方向

內容 一、電磁相容測試標準及要求二、電磁相容設計技術三、電磁干擾【EMI】排查技術四、電磁敏感性【EMS】排查技術主讲：沈学其 Compliance Direction Systems Inc. 容向 —— 电磁兼容方向容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

電磁相容設計技術 電子產品EMI對策的變化 PCB的EMC設計：總論 PCB的EMC設計＃1：電流和回流 PCB的EMC設計＃2：電源濾波 PCB的EMC設計＃3：天線

傳統EMI對策 • 查找EMI問題的方法：頻譜儀＋近場探頭 • “探測火苗” • 採取的手段：遮罩＋濾波 • 把“火苗”捂在設備內部容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

傳統對策遇到新問題 • 需要考慮設備內部EMI問題，不能使用遮罩/濾波手段 • 板間 • 板內信號間 • 遮罩和濾波會增加重量、成本 • 信號頻率與干擾頻率一致，不能採用濾波 • 頻率提高，佈線、遮罩體、機箱等成為天線 • 高頻信號耦合到電纜，由電纜發射容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

EMC對策新理念 傳統對策新對策容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

新EMI對策的核心 • 全體人員認識EMI形成及抑制機理 • 全體人員：專案負責人、總體設計人員、硬體工程師、結構工程師、EMI工程師 • 認識EMI：借助先進的工具，迅速積累經驗 • 採取科學手段：滅火種，切斷火的蔓延路徑 • 建立科學的EMC管理體系 • 專案各階段EMC的評估 • 制訂針對各類設計人員的工藝要求 • 利用先進的工具，設立質量控制點，並建立完善的評估體系容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

及早考慮EMI/EMS/EMC • EMI/EMC是項系統工程 • 早考慮 ? 成本低，手段多，效率高 • 需要產品所有元件協同配合 • 專家的經驗? PCB設計的很多規則 • 設計能全部按照設計規則執行嗎？ • 所有的理論在所有場合都正確嗎？ • 仿真技術 • EMC仿真：需要SPICE模型，很難獲得 • 地平面、電源平面、濾波電容建模：精度與速度 • 及早引入測量技術 • 電磁場掃描技術、EMC預相容測試容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

新理念要求企業充分重視EMC • EMC是一項系統工程，不是EMC工程師一個人的事情 • 總體設計、單板設計階段就需要考慮 • 僅整機考慮：成本高，速度慢，問題複雜 • 為工程師制訂“工藝檔” • 把經驗總結為《電子產品設計規則》，成為《設計工藝檔》，避免犯類似錯誤 • EMC是產品質量的一個非常重要的指標 • 需要保證生產線的產品與設計原型一致容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

新理念要求：提高工程師素質是根本 • 我國的EMI問題剛剛得到重視 • 工程師經驗積累少、缺乏頻域測量手段 • 先進的設備，僅僅是一種手段，最終解決問題還是需要工程師豐富的經驗 • “容向系統”定期出版“典型案例分析” • “容向系統”提供專家級的技術服務 • 好的測量手段能幫助你迅速積累正確的經驗 • 對EMI產生和抑制機理的理解，是解決未來EMI問題的基礎容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

高速PCB？ • 與工作頻率無關，僅與所使用的器件有關 • fknee=1/(?*Tr)，Tr＝1ns，則fknee=320MHz 諧波幅度（電壓或電流）第一轉折頻點第二轉折頻點 1/?tr 1/?Td 頻率（對數）容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

線路板的兩種輻射機理 差模輻射共模輻射杆天線電流環容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

共模和差模對EMC測試的影響 對於EMC測試：共模輻射比差模輻射的影響要大100－1000倍例子：上升沿5ns的38MHz時鐘：容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

如何減小差模輻射？ E = 2.6 I A f 2 / D R I 電流 —— 信號線電流【原理圖設計階段考慮】減小負載 —— 使用驅動電路增加線路阻抗 —— 改變阻尼電阻值 I 電流 —— 電流回流【PCB設計階段考慮】容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

如何減小差模輻射？ E = 2.6 I A f 2 / D 控制諧波次數佈線 A 面積：控制電流回路面積【PCB設計】 f 頻率：合適的器件，阻尼電阻【原理圖設計】佈線阻抗【PCB設計】容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

降低電流【I】和頻率【f】 • 使用最合適的器件 • 利用阻尼電阻，減緩上升沿，同時保證SI和EMC 接510歐姆阻尼電阻有11個諧波分量有多於58個諧波分量容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

E = 1.26 I L f / D 使用尽量短的电缆共模滤波共模扼流圈减小共模电压共模滤波电缆屏蔽怎樣減小共模輻射 PCB的EMC設計：完善的電源濾波容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

PCB上EMC問題的主要原因 • 不均勻分佈的電流以及回流 • 過細的電源線或者地線【單/雙層板】 • 信號線的輻射（上升沿陡，Tr小的信號） • 信號線共用回流路徑 • 電源濾波 ——通過外接電纜輻射出去 • 不合理的濾波電容值 • 不合理的濾波電容放置位置 • 不合理的分層結構 • 天線效應 ——引起EMS問題容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

不均勻分佈的電流 • 電源線和地線上的電流 • 過細的電源線或者地線 • 單層/雙層板上多見 • 信號線上的電流 • 高速信號線【時鐘線】，瞬間需要大電流 • 數位匯流排【資料線、位址線等】容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

電源線上的電流 大功率器件電源分割時常見的問題：過孔上的大電流 VCC S1 GND 磁珠 VCC1 VCC1 VCC VCC/S2 過孔容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

信號線電流 —— 高頻時鐘 • 發送側串接22－220歐姆阻尼電阻，電阻越大干擾越小，但是敏感性變差。 • 採用點對點連接，不打過孔，走線平滑。 • 高頻時鐘（上升沿少於2ns的時鐘）盡可能有地線護送【護送地線要“良好接地”】容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

信號線電流 —— 數位匯流排 • 頻率在50MHz以上的高頻數位匯流排，應盡可能考慮匯流排中的每條信號線均串接一個22-300歐姆左右的阻尼電阻 • 頻率在75MHz以上時，必須串接阻尼電阻。阻尼電阻必須放在發送側並盡可能靠近發送器件。 • 盡可能在元件面 / 焊接面布，不打過孔。 • 連接至xxRAM的資料線的次序可以根據佈線需要打亂。 • 具有很強的電磁輻射！敏感信號應遠離！容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

不均勻分佈的電流回流 • 信號線換層 • 回流平面換層，垂直方向的回流？ • 跨越參考平面【地平面或者電源平面】的分割走線 • 人為的分割 • 無意的分割 • 單元電路連接部分的地線和電源線設計 • 背板和子板的接插件 • 板間連接電纜的地線和電源線容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

電流回流【多層板】 低頻：最小電阻【最短距離】高頻：最小阻抗【最小面積】容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

多層板信號線換層 • 如果存在兩個以上地層： • 在信號線換層多的區域，需要地層間有密集過孔 • 否則，表現出來的現象是附近某個地方有強輻射【把多個地層連接起來的過孔上】電流回流 S1 GND ？ S2 GND S3 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

多層板信號線換層 • 換層前後，參考平面分別是電源和地時： • 在信號線換層多的區域，需要適當的旁路電容構成較好的電流回路 • 否則，表現出來的現象是附近濾波電容處有強輻射【濾波電容起了回流作用】電流回流 S1 GND ？ VCC S2 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題—— 跨越分割 • 參考平面的分割 • 地分割 • 電源分割 • 焊接面上跨越電源分割的佈線 • 4層板（S1/G/P/S2)或 • 6層板S1/G/S2/S3/P/S4 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流——類比/數位、射頻/數位 類比區域類比區域受到數位電路的干擾數位區域容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 安全間距 • 信號線共用回流路徑（EMI以及感性串擾） • 在數位電路中，感性串擾 > 容性串擾容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

案例——感性串擾 接插件過孔安全間距過大，破壞了地平面容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 密集過孔 • 密集過孔，破壞地平面，無意的分割 • 跨越分割的信號線，會產生感性串擾和共模EMI 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 密集過孔 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 密集過孔 • BGA等大晶片附近會有很多阻尼電阻，過多過孔導致BGA晶片的地很不完整回流信號線容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 多電源晶片 • 核電壓1.8V，I/O電壓2.5V • 跨越1.8V電源的佈線： • 增加回流面積 • 干擾1.8V電源 • 對策： • 佈線不要跨越 • 減小分割區域 1.8V電源回流 I/O 回流 I/O 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

BGA晶片核電壓分割引起EMI BGA晶片的匯流排的工作頻率為125MHz 焊接面布有信號線倒數第二層是電源層 1.8V電源電路 BGA晶片 RJ45電纜上的EMI 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

單面板/雙面板PCB • 單面或雙面板，沒有電源面和地線面，EMI控制難度大 • 佈局：考慮佈線方便以及電流均勻 • 布地線、電源線，布放濾波電容 • 電源線應盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環面積，也有助於減小電路的串擾。 • 布關鍵信號線（時鐘信號等）： • 靠近地回路，形成較小的回流面積。 • 布其他信號線：避免大面積無地信號線組。 • 地敷銅，良好敷銅，能達到4層板的效果！容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

單面板/雙面板PCB地線網格 雙層電路板的走線優先考慮地線的規劃網格大小：x < 6cm，且 y < 6cm 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

單層或雙層板如何減小環路的面積 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

68HC11 E时钟 B 74HC00 A 连接AB 雙層板不良地線舉例容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

回流問題 —— 電纜或板間連接器 • 地線應該盡可能均勻分佈於信號線中間容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

連接器上的電流回流 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

板間電纜上的電磁輻射 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

△I 雜訊電流是EMI的根源 • 信號發生0-1的變換時，該門電路中的電晶體將發生導通和截止狀態的轉換，會有電流從所接電源流入門電路，或從門電路流入地線，這個變化的電流就是△I雜訊的源，亦稱為△I雜訊電流。 • 由於電源線和地線存在一定的阻抗，其電流的變化將通過阻抗引起尖峰電壓，並引發其電流電壓的波動，這個電源電壓變化就是△I雜訊電壓，會引起誤操作，並產生傳導騷擾和輻射騷擾。 • 在電路中,當器件的眾多信號管腳同時發生0－1變換時,不論是否接有容性負載,都會產生很大的△I雜訊電流,使得器件外部的工作電源電壓發生突變。容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

地線和電源線上的雜訊 VCC ICC R2 R4 R1 Q3 Q2 I驅動 Q1 被驅動電路 R3 Q4 I充電 Vg Ig I放電容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

電源線、地線雜訊電壓波形 輸出 ICC VCC I g Vg 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

去耦技術： 安裝去耦電容來提供一個電流源；補償邏輯器件工作時所產生的△I雜訊電流；去耦的目的保證直流工作電壓的穩定；確保各邏輯器件正常工作。去耦電容對△I雜訊電流的抑制作用容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

電源濾波 • 目的：把晶片產生的EMI控制在最小的區域 • 濾波頻率和電容值 • 幾十MHz及以下的濾波，電解電容【uF】 • 幾十至300MHz的濾波，每個供電組一個0.1 / 0.01uF • 300MHz以上，電源層和地層的等效陣列電容，幾十pF；或者在產生高頻干擾的晶片上並接pF級的濾波電容。 • 濾波電容布放 • 就近連接原則：盡可能靠近晶片【除低頻濾波外】 • 最佳位置：焊接面容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

EMC 測試、設計及排查技術（二）