降低EMI的高速PCB設(shè)計注意事項

本文檔是基于對高速信號和電源開關(guān)的電磁干擾的實際觀察編寫的，這些干擾可能導(dǎo)致認(rèn)證過程中的失敗。產(chǎn)品中使用的組件的布局和原理圖設(shè)計建議可能在數(shù)據(jù)表中提供，但實際觀察和解決方案可能會有所不同。

本文檔涵蓋 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI 和以太網(wǎng)等高速信號。9 kHz 以上頻率范圍內(nèi)的輻射應(yīng)在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制范圍內(nèi)。來自設(shè)備的輻射通常是 PCB 上高頻時鐘的多個諧波。與差分時鐘相比，單端時鐘輻射更多，因為單端信號的電壓電平和功率更高。強(qiáng)烈建議在任何高速單端時鐘的源端使用系列 0 歐姆電阻器。

在認(rèn)證過程中，增加串聯(lián)電阻值有助于控制時鐘中存在的過沖和下沖，這是輻射的主要原因。增加串聯(lián)電阻的值有助于減少過沖和下沖。串聯(lián)終端電阻的最大值可以通過接收器的建立和保持時間違規(guī)來確定。還建議盡可能不要使用重復(fù)頻率。

例如，如果將兩個開關(guān)部件用作電源穩(wěn)壓器，則確保兩者的開關(guān)頻率不同，因為輻射總和會超過輻射的禁止限制。時鐘信號的較長長度導(dǎo)致輻射功率增加。例如，較長的 HDMI 電纜將充當(dāng)天線，因此這種情況下 HDMI 接口的輻射會更高。

布局在輻射中起著重要作用。確保時鐘信號的設(shè)計滿足特性阻抗要求，并在時鐘走線周圍提供連續(xù)接地，以避免阻抗失配。非常準(zhǔn)確地遵循芯片制造商的布局指南，并確保制造商從輻射角度審查特定部分的原理圖和布局。芯片制造商可能會根據(jù)他們在與芯片相關(guān)的認(rèn)證失敗方面的經(jīng)驗提出一些建議來添加到新設(shè)計中。

1. HDMI（高清多媒體接口）

HDMI 接口導(dǎo)致的 EMI 故障在嵌入式產(chǎn)品中最為常見。HDMI 輻射出現(xiàn)在 148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz 和 891MHz 的基波上，通常高達(dá)五次諧波。

如果未經(jīng)認(rèn)證，輻射源可能來自 HDMI 電纜、PCB 設(shè)計或顯示器本身。共模扼流圈和終端電阻/電容有助于消除 PCB 的輻射，但常見的錯誤發(fā)生在 HDMI 電纜選擇上。來自不同制造商的不同電纜提供不同級別的發(fā)射，即使它們被屏蔽。因此，從 Molex 或 TE 等值得信賴的供應(yīng)商處選擇電纜非常重要。當(dāng)然選擇的電纜應(yīng)該是屏蔽的并且有內(nèi)置的鐵氧體磁芯。建議攜帶 3-4 根不同的電纜（來自不同的品牌）進(jìn)行預(yù)掃描，以驗證每根電纜的性能。

以下技術(shù)有助于減少 HDMI 信號的輻射：

- 共模扼流圈應(yīng)選擇截止頻率高于基頻5-6倍。在 148.5MHz 的情況下，1GHz 以上的截止頻率應(yīng)該是理想的。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號應(yīng)確保接地過孔位于信號附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過孔應(yīng)作為信號向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案，電纜屏蔽層與外殼適當(dāng)端接，使用屏蔽連接器以減少干擾。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長度匹配（10mil 對內(nèi)和 100mil 對間）、阻抗匹配（100 歐姆）、實心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過孔、45 度彎曲是最佳實踐。

2. MIPI DSI and CSI（移動行業(yè)處理器接口）

MIPI 信號 （CSI/DSI） 是專門為移動行業(yè)設(shè)計的，因此它們是非常低功率的差分信號，并且不太可能輻射。MIPI 信號時鐘因分辨率參數(shù)而異。

傳輸 MIPI 信號的 FPC 電纜可能會產(chǎn)生輻射。在定制電纜的情況下，我們在兩側(cè)添加屏蔽或接地可以立即提供幫助，但它可能會影響電纜的柔韌性。最好的方法是使用直接圖層上的陰影地面作為參考地面。具有更高帶寬的偏心共模扼流圈將有助于消除 PCB 中的共模噪聲。MIPI 信號對于 D-PHY 具有 80Mbps-2.5Gbps 的數(shù)據(jù)速率，對于 C-PHY 具有 183Mbps -5.7Gbps 的數(shù)據(jù)速率。因此，提供一個保護(hù)環(huán)以及與其他信號至少 40 mil 的隔離是非常重要的。

以下技術(shù)有助于減少 MIPI 信號的輻射：

- 為 D-PHY 選擇截止頻率超過 2GHz 的共模扼流圈。C-PHY 可使用特殊濾波器來傳遞三重奏信號。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號應(yīng)確保接地過孔位于信號附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過孔應(yīng)作為信號向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 對于 FPC 上的 EMI 薄膜，確保薄膜的末端連接到 FPC 上裸露的信號地。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長度匹配（線對內(nèi) 25 密耳和線對間 55 密耳）、阻抗匹配（少數(shù)情況下為 100 歐姆/85 歐姆）、實心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過孔、 45 度彎曲是遵循的最佳做法。

3.以太網(wǎng)

以太網(wǎng)信號上的輻射與雙絞線電纜的長度成正比。屏蔽 CAT5 電纜和電纜上的鐵氧體磁芯將有助于減少干擾。

當(dāng)電纜上存在的共模噪聲通過機(jī)箱接地返回噪聲時，差分 MDI 信號會輻射。

來自單端 MII 和電源部分的噪聲會通過機(jī)箱接地耦合到雙絞線，從而產(chǎn)生不需要的輻射。

以下技術(shù)有助于減少以太網(wǎng)信號的輻射：

- 以太網(wǎng)電纜上的鐵氧體磁芯可以降低 EMI。在認(rèn)證過程中保留不同類型的 CAT5 電纜。

- MDI 信號應(yīng)與 MII 信號良好隔離（至少相隔 40 密耳）。

- 保持單端 MII 信號的最小長度。

- 空隙應(yīng)保持在所有層的磁性元件下方。

- MDI 和 MII 信號從一層傳遞到另一層應(yīng)確保接地通孔位于信號附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過孔應(yīng)作為信號向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案，電纜屏蔽層使用屏蔽 RJ 45 連接器與外殼適當(dāng)端接，以減少干擾。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長度匹配（10mil 對內(nèi)和 100mil 對間）、阻抗匹配（100 歐姆）、實心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過孔、45 度彎曲是最佳實踐。

4. DC-DC電源產(chǎn)生

對于高速 PCB 設(shè)計，嘈雜的電源是 EMI-EMC 輻射的主要貢獻(xiàn)者之一。穩(wěn)定且噪聲較小的電源肯定有助于降低 EMI。

用于高速接口的處理器、內(nèi)存和橋接芯片在非常低的電壓下工作。在設(shè)計中選擇 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器以獲得高輸出電流和效率。但是這些開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)頻率、紋波（過沖和下沖）噪聲會導(dǎo)致輻射。地面中噪聲信號的耦合會增加輻射，因為地面將與電纜一起傳播，電纜可以充當(dāng)高頻噪聲的天線。

如果系統(tǒng)實際功耗較高（》10W）且產(chǎn)品涉及較長的電纜，則建議在輸入直流電源處使用共模扼流圈和 LC 濾波。在線計算器可用于計算需要衰減輻射功率的特定頻率的 L 和 C 值。如果空間沒有限制，電感值越高越好。

通常，在開關(guān)頻率的過沖和下沖處觀察到的高頻（振鈴）更容易輻射。

緩沖器調(diào)整將有助于減少這種過沖和下沖功率。使用更大的封裝或高額定功率的電阻器，因為高頻噪聲會被繞過，而較小的封裝可能會增加 PCB 的溫度。緩沖電路應(yīng)安裝在電感的開關(guān)節(jié)點處。

高速 PCB 設(shè)計的注意事項

·表面貼裝部分應(yīng)優(yōu)先于通孔部分。像電容器這樣的通孔部件在 80MHz 以上時會變得更具電感性，這可能會導(dǎo)致更高頻率的輻射/分類問題。

· 保持高速信號走線盡可能小，并盡可能提供接地以減少環(huán)路電感。

· 盡量避免堆疊中的相鄰信號層或使用正交布線來減少電容耦合。

· 將去耦電容放置在非?？拷?IC 引腳的位置。這將有助于在電源和接地之間更快地切換。

· 信號采用星形布線，電源采用單點布線。

· 在電源輸出上使用鐵氧體磁珠。在鐵氧體磁珠周圍放置電容器將充當(dāng)高頻噪聲的低通濾波器。

· 在每個》1MHz 的時鐘輸出上保持0E 系列終端電阻。這將有助于在出現(xiàn)干擾問題時進(jìn)行調(diào)整。

· 對于晶體，請根據(jù)數(shù)據(jù)表選擇一個考慮負(fù)載和雜散電容的并聯(lián)電容器。它們是基本的輻射源，因此請遵循 IC 對晶體布線的建議。此外，盡量將晶體/振蕩器保持在 PCB 的中心，而不是邊緣。

· PCB 邊緣的走線不應(yīng)以 90 度角走線。

· 保留射頻部分的屏蔽設(shè)置。FCC（對于模塊化認(rèn)證）是強(qiáng)制性的。

· 高頻方波由多個高頻正弦波組成。因此，請確保此類關(guān)鍵信號的周圍應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕拥亍?/p>

· 確保連續(xù)接地層的過孔不應(yīng)形成與非常薄的銅區(qū)域連接的島。這可以增加信號的接地返回路徑。

· FR4 材料最好具有《5Gbps 時鐘速度和低成本。對于高于 5Gbps 的數(shù)據(jù)，請使用 Nelco、Megatron、Rogers 等其他材料。

· 其他信號與高速信號之間保持 》3W 間距

· 與接地層相比，電源層應(yīng)位于 PCB 邊緣內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗法則，最好選擇 20H。（H=層間介電厚度）

概括

本文檔基于對高速 PCB 設(shè)計中 EMI 降低的實際觀察。EMI 預(yù)防措施對認(rèn)證非常有幫助。高速接口的輻射因設(shè)計而異，因此建議在設(shè)計中使用有助于在認(rèn)證過程中進(jìn)行調(diào)整的規(guī)定。

本文檔涵蓋了 PCB 上常用的高速信號的預(yù)防措施。幾乎所有產(chǎn)品都觀察到 HDMI 接口導(dǎo)致的 EMI 問題。串聯(lián)、并聯(lián)端接、扼流圈對減少輻射沒有多大幫助。HDMI 電纜和 HDMI 顯示器的變化會改變輻射功率。長電纜將充當(dāng)高速接口的天線，因此如果產(chǎn)品連接了多條長電纜（例如，汽車產(chǎn)品），則需要采取許多預(yù)防措施。

作者：Kinjan Patel ，Divyesh Patel

審核編輯：郭婷