電源和接口的EMC設(shè)計(jì)考慮

在PCB設(shè)計(jì)中，電磁兼容性(EMC)異常重要，關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的成敗，稍早前本加油站發(fā)表了兩篇相關(guān)文章，對這個(gè)問題所涉及到的方方面面，做了一個(gè)全面的梳理：

如何在PCB板設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)電磁兼容性？

本文將重點(diǎn)講解電源部分設(shè)計(jì)在EMC方面的考慮。

1. 概述

在MCU硬件系統(tǒng)中，電源和接口的硬件設(shè)計(jì)是非常重要和必不可少的部分。

同時(shí)，電源和接口的EMC設(shè)計(jì)在產(chǎn)品和項(xiàng)目是非常常見和容易出現(xiàn)問題的兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

本文簡要介紹和討論了關(guān)于電源和接口在EMC設(shè)計(jì)和布局布線的考慮。

2. 電源EMC設(shè)計(jì)考慮

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

在MCU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常用到的電源包括LDO和DC-DC Buck/Boost電路。

DC-DC電路又可以分為PWM工作模式，PFM工作模式和PWM-PFM混合工作模式。

LDO電源電路具有電源輸出紋波小，負(fù)載響應(yīng)快，靜態(tài)功耗低，噪聲抑制比高和外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。但相應(yīng)地，也存在Vdrop壓降和電源轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)。

DC-DC Buck/Boost電路具有電源轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬和輸出電流大等特點(diǎn)。但同時(shí)由于電路的開關(guān)特性而具有電源輸出紋波噪聲大，負(fù)載響應(yīng)較慢和外圍電路復(fù)雜成本高等缺點(diǎn)。

在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇合適的電源類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

同時(shí)，從電磁兼容性的角度來講，有以下幾點(diǎn)需要注意：

選擇低ESR的電源輸出電容，以降低輸出電源紋波，并提高負(fù)載響應(yīng)速度；

選擇低ESR和帶shield屏蔽的電感，以降低紋波和EMI噪聲；

PWM-PFM工作模式可根據(jù)負(fù)載的要求和動態(tài)變化，進(jìn)行合理選擇和切換。
PWM模式下，紋波噪聲小，重負(fù)載時(shí)效率高；
PFM模式下，靜態(tài)功耗小，輕負(fù)載時(shí)效率高，負(fù)載響應(yīng)速度快，但紋波噪聲較大。

2.2 電源電路PCB layout設(shè)計(jì)

電源電路PCB Layout設(shè)計(jì)時(shí)，一些布局布線的設(shè)計(jì)規(guī)則和方法可以作為參考，如下所示：

電源輸入和輸出濾波電容布局時(shí)，首先要將小容值電容放在靠近電源輸入或輸出的位置，然后依次是大容值濾波電容。因?yàn)樾∪葜悼梢蕴峁┛焖俚捻憫?yīng)時(shí)間，能濾除電源中高頻干擾部分，大容值的體電容能夠?yàn)V除低頻干擾并提供負(fù)載瞬間大電流的蓄儲能力。
其次，濾波電容應(yīng)擺放在電源輸入端或輸出端與芯片電源引腳之間的路徑上，保證電源輸入或輸出必然經(jīng)過濾波電容。
再次，也需保證濾波電容的GND距離芯片GND引腳之間的距離最短，以最大程度地縮短回流路徑，降低GND網(wǎng)絡(luò)阻抗；

增加電源輸入或輸出端換層時(shí)過孔數(shù)量，以減少電源阻抗；

盡量減少GND換層，保證GND在芯片的TOP層有完整的地平面，以減少地阻抗；

電源輸入和輸出的回流路徑保持最小。

圖 1. DC-DC電源最小化回流路徑

如下圖所示，電源電路優(yōu)化過程包括如下幾方面的優(yōu)化：

去掉元器件引腳間的殘留銳角銅皮；

增加電源輸入過孔數(shù)量，確保先經(jīng)過輸入濾波電容，并提高與電感的隔離度；

優(yōu)化地平面的回流路徑，使得電源環(huán)路面積最小；

盡可能加粗電源走線，保證電源走線的低阻抗特性；

優(yōu)化輸出電容的接地，確保在最小的回流路徑上。

圖2. DC-DC電源優(yōu)化過程

在使用內(nèi)電層作為電源層平面或者走線時(shí)，有以下需要關(guān)注的要點(diǎn)：

電源層分割時(shí)，應(yīng)考慮整板電源層內(nèi)縮，即保證電源層在PCB電路板邊緣要相對于GND層內(nèi)縮。這樣可有效減少PCB電路板的EMI輻射。

電源層分割或走電源線時(shí)，應(yīng)注意盡量減少避空的過孔，保證電源平面或電源線的低阻抗特性。

在接口或者高隔離要求的電路中，要保證GND層和電源層的同時(shí)隔離。例如RS485電路，它采用光耦隔離電路來提高板級隔離度，同時(shí)要將隔離電路下面的GND層和電源層進(jìn)行避空隔離。

電源層的電源域進(jìn)行換層時(shí)，需要在就近的地方放置電源濾波電容，并增加過孔的數(shù)量，保證電源工作在最大負(fù)載時(shí)的載流能力。

圖3. DC-DC電源走內(nèi)電層的情況

3. 接口電路EMC設(shè)計(jì)考慮

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們通常會設(shè)計(jì)諸如USB, HDMI,RJ-45, RS422/485和音頻輸入等接口，以滿足汽車，工業(yè)和消費(fèi)級客戶的不同應(yīng)用需求。

從EMC設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，需要從電路濾波設(shè)計(jì)和GND分割隔離處理等方面進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)。

接口電路濾波設(shè)計(jì)，例如USB接口加共模抑制電感，RJ-45接口加LC濾波電路等。

如下圖所示，以RS485接口為例，對比介紹了接口的隔離設(shè)計(jì)，主要采取了以下措施以滿足EMC設(shè)計(jì)的要求。

電路設(shè)計(jì)中增加了光耦隔離設(shè)計(jì)；

采用單點(diǎn)接地連接的方式，在每一層GND都進(jìn)行信號板級GND和接口GND進(jìn)行分割處理，保證足夠的分割間隙；

保持跨越GND分割間隙的走線最短。

圖4. RS485接口采用隔離設(shè)計(jì)之前的Layout

圖5. RS485接口隔離設(shè)計(jì)之后的Layout

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來源： 恩智浦MCU加油站
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審核編輯 黃宇