關(guān)于EMI的實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)技巧詳解

前言

EMC（電磁兼容），包含EMI（電磁干擾）和EMS（電磁抗擾度）兩大部分。本文重點(diǎn)講述EMI的實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)技巧。

實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)技巧

環(huán)路要小

當(dāng)存在一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，一個(gè)由導(dǎo)電材料形成的環(huán)路充當(dāng)了天線，并且把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動(dòng)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(guò)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(hào)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(hào)最好能做到與地的回流路徑最短，回路面積越小，信號(hào)的抗干擾能力越強(qiáng)，對(duì)外的EMI也達(dá)到最小。敏感信號(hào)用地包住，這樣包地即提供了信號(hào)最短回流路徑，也能消除與其它相鄰信號(hào)的干擾。比如時(shí)鐘信號(hào)，高頻信號(hào)等，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)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(jí)連接的場(chǎng)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(shí)，會(huì)在GND鏈路形成一個(gè)板級(jí)環(huán)路。可以在GND中間串接一個(gè)電感或者鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離。

第三種環(huán)路，通過(guò)雙絞線電纜傳輸信號(hào)時(shí)，每對(duì)差分發(fā)射／接收都形成一個(gè)環(huán)路，因雙絞線緊密耦合，對(duì)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。

增加旁路電容

因CMOS電路在時(shí)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(shí)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(shí)鐘轉(zhuǎn)換過(guò)程中從電源至芯片電源引腳額電流浪涌是一個(gè)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(hào)接口等位置增加旁路電容，有助于濾除集成電路的開(kāi)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：

管控好阻抗匹配

高速信號(hào)通過(guò)一根傳輸線并在該傳輸線上遇到特征阻抗的變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射回信號(hào)源，另一部分信號(hào)將沿原來(lái)的方向繼續(xù)傳輸，反射的信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致輻射。

信號(hào)線和接地平面之間存在信號(hào)，輻射可以由信號(hào)走線或者接地平面的中斷所引起，所以要注意信號(hào)走線下方的接地平面是否完整。信號(hào)線下面的地要完整，要有完整的參考面。信號(hào)電流經(jīng)過(guò)一個(gè)低阻抗的路徑返還其驅(qū)動(dòng)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(duì)外輻射的靈敏度也會(huì)降低。如果兩個(gè)電路的參考電平不一致，就會(huì)產(chǎn)生功能問(wèn)題，如噪聲容限和邏輯開(kāi)關(guān)門(mén)限電平紊亂，這個(gè)接地噪聲電壓就會(huì)導(dǎo)致地環(huán)路干擾的產(chǎn)生。

PCB板疊構(gòu)設(shè)計(jì)：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(gè)均勻分布在整個(gè)板上的去耦電容。速度最快的關(guān)鍵信號(hào)應(yīng)當(dāng)放在臨近接地面的一邊，非關(guān)鍵信號(hào)則布放在靠近電源面。

做好阻抗管控，減少信號(hào)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(hào)做好包地處理。

常用4層板PCB疊構(gòu)處理如下：

做好屏蔽

屏蔽是最好的解決EMI問(wèn)題的有效方法。輻射源屏蔽，能夠極大限度的解決EMI問(wèn)題。在干擾源和干擾對(duì)象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播?？梢宰龊妙A(yù)留設(shè)計(jì)。下圖為5G WIFI增加金屬屏蔽蓋的處理：

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(dòng)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(chǎng)DEBUG技巧

以25MHz倍頻超標(biāo)頻點(diǎn)為例，如下圖所示：

超標(biāo)頻點(diǎn)，均是25MHz的倍頻點(diǎn)，分析整個(gè)產(chǎn)品的工作頻率，以太網(wǎng)的工作頻率是25MHz，或者CPU的時(shí)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(shí)鐘，需要增加串阻和對(duì)地電容。數(shù)據(jù)線增加22ohm／33ohm串阻降低峰值輻射。

B：CPU的時(shí)鐘輸入25MHz，晶振外殼接地，抑制EMI時(shí)鐘電路如下：

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

D：STB產(chǎn)品，25MHz倍頻點(diǎn)還會(huì)通過(guò)同軸接口輻射出來(lái)，需要在F頭上擰一個(gè)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(jí)對(duì)接，兩個(gè)不同的主板，通過(guò)排線／排針對(duì)接，排線／排針作為輻射源，對(duì)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(kāi)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。