EMC 和 ESD一：PCB 的 EMC 设计 1 PCB 的 EMC 简单对策 同系统 EMC 的解决措施一样 ,PCB 的 EMC 也要针对其三要素(干扰源、耦合途径、敏感装置)对症下药: 降低 EMI 强度 切断耦合途径 提高自身的抗扰能力 针对 PCB 的耦合途径之一传导干扰 ,我们通常采用扩大线间距、滤波等措施; 针对 PCB 的耦合途径之二辐射干扰 ,我们通常主要采取控制表层布线,增加屏蔽等手段; 2、 单板层设置的一般原则 A元器件下面(顶层、底层)为地平面,提供器件屏蔽层以及顶层布线提供回流平面; B所有信号层尽可能与地平面相邻(确保关键信号层与地平面相邻),关键信号不跨分割; C尽量避免两信号层直接相邻; D主电源尽可能与其对应地相邻 ; E兼顾层压结构对称; 具体 PCB 的层设置时,要对以上原则进行灵活掌握 (?),根据实际单板的需求,确定层的排布,切忌生搬硬套.以下为为单板层排布方案,供大家参考: 层数 电源 地 信号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4 1 1 2 S1 G1 P1 S2 6 1 2 3 S1 G1 S2 P1 G2 S3 6 1 1 4 S1 G1 S2 S3 P1 S4 8 1 3 4 S1 G1 S2 G2 P1 S3 G3 S4 8 2 2 4 S1 G1 S2 P1 G2 S3 P2 S4 10 2 3 5 S1 G1 P1 S2 S3 G2 S4 P2 G3 S5 10 1 3 6 S1 G1 S2 S3 G2 P1 S4 S5 G3 S6 12 1 5 6 S1 G1 S2 G2 S3 G3 P1 S4 G4 S5 G5 G6 12 2 4 6 S1 G1 S2 G2 S3 P1 G3 S4 P2 S5 G4 S6 以六层板为例,以下有 3 种方案: AS1 G1 S2 S3 P1 S4 B S1 G1 S2 P1 G2 S3 C S1 G1 S2 G2 P1 S3 优先考虑方案 B,并优先考虑布线层 S2,其次是 S3、S1; 在成本较高时,可采用方案 A,优选布线层 S1,S2,其次是 S3,S4; 对于局部、少量信号要求较高的场合,方案 C 比方案 A 更合适;(为什么?) (注意,在考虑电源、地平面的分割情况下,实际情况因分割等因素可能有所出入) 3电源、地系统的设计 31 滤波设计 311 滤波电路的基本概念 滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈等构成的频率选择性网络,低通滤波器是 EMC 抑制技术中普遍应用的滤波器 ,低频信号可以很小的衰减通过,而高频信号则被滤除. 312 电源滤波 电源的滤波有三层: A 电源经滤波处理后,分别跨入单板各模块 ,此部分中间的电源通路滤波处理 B 板级滤波:储能、滤波电容 C 元件级滤波:去耦电容 3121 典型分散式供电单板电源的设计 A按照原理框图布局,电源流向清晰 ,避免输入、输出交叉布局; B先防护,后滤波,防护通道线宽 50MIL; C各功能模块相对集中、紧凑(如模块电源的 CASE 管脚上电容靠近 CASE 管脚放置,且CASE 管脚到电容的连线短而粗), 严禁交叉、错位; D整个电流通路布线(或铜箔)线宽满足栽流能力要求,且50MIL(我司可适当减小) E电源输入到 DC/DC 的输入侧,除对应的平面外,一般采用内电层挖空处理,接口电源电源对应区域无其它走线、平面穿过; FVCC 输出滤波电路靠近 DC/DC 输出位置; 3122 单板内部电源的设计 A板内分支电源的设计 板内分支电源常用的为派型滤波、LC 滤波或 DC/DC 变换 ,此类分支电源的设计要求为: (1) 靠近使用该电源的电路布局;滤波电路布局要紧凑; (2) 整个电源通道的线宽要满足载流需求; B关键芯片的电源设计 对于一些功耗大、高频、高速器件,其电源要求: (1) 在该芯片周围均匀放置 1-4 个电容(储能); (2) 对于芯片手册指定的电源管脚, 必须就近放置去藕电容 ,对去藕无特殊需求的情况下,可酌情考虑放置适当的去藕电容; (3) 滤波电容靠近 IC 的电源管脚放置,位置、数量适当; 32 地设计 321 常见接地方式及其特点: A 单点串联接地 B 单点并联接地 C 多点接地 D 混合接地 单点接地的好处是接地线比较明确清楚,但在高频时阻抗大,可能影响 IC 自身的稳定工作,更多的时候是产生共阻抗干扰耦合到相邻的共地线 IC 上.我司现在根据单板的工作频率酌情处理,但在频率较高时,建议尽量减少使用单点接地(硬件提供此类要求). 多点接地的优点是 IC 工作有各自的电流回路,不会产生共地线阻抗的互扰问题,同时接地线很短,减少地线阻抗.但其不足之处为:单板高频回路数量剧增,这些高频电流回路对磁场很敏感(EMS 能力差),所以在进行设计时需要注意 . 混合接地结合了两者特点,低频电流单点接地,高频电流将沿着各自 IC 的接地电容回流,相互独立.(需要 LAYOUT 人员丰富自己的硬件知识) 322 单板中各种地的命名和意义 PGND:机壳地 .和系统或插框的金属外壳相连,即和系统的基准地(大地) 相连,主要作用是为异地系统之间的相互通信提供统一的信号基准,同时为各种防护滤波电路通路电流的旁路点. GND:系统地.为系统或插框内各个单板之间的通信提供基准 (参考),多板集成时,主要存在主板上,一般形式为平面方式.单板上为 DGND 和 GND 连接 . DGND:数字信号地.是单板上各种数字电路和 IC 工作的基准. AGND:模拟信号地.是单板上各种模拟电路和 IC 工作的基准. (单板接地建议) 33 电源、地的分割 电源平面的设置需要满足以下条件: A 单一电源或多种互不交错的电源 ; B 相邻层的关键信号不跨分割区; (地平面的设置除满足电源平面的要求外,还要考虑回流的距离) C 元件面的下面(等 2 层或倒数第 2 层)有相对完整的平面; D 高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面 ; E 关键电源有一对应地平面相邻; 34 20H 规则 什么是 20H 规则? 由于电源层与地层之间的电场是变化的,在板的边缘会向外辐射电磁干扰.我们称之为电源、地的边沿效应. 将电源层对地层适当内缩,可有效减少电源层与地层之间的对外 EMI 辐射,降低电源、地的边沿效应.以电源和地之间的介质厚度(H)为单位,若内缩 20H 则可以将 70%的电场限制在接地层边沿内;内缩 100H 则可以将 98%的电场限制在内. 同理,普遍要求关键布线区域相对参考平面内缩 3H 以上. 4PCB 布局与 EMC 布局的基本原则: A参照原理功能框图,基于信号走向 ,按照功能模块划分 B数字电路与模拟电路、高速电路与低速电路、干扰源与敏感电路分开布局 C敏感信号、强辐射信号回路面积最小 D晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件或敏感器件远离单板对外接口连接器、敏感器件装置,推荐距离1000MIL E隔离器件、A/D 器件输入、输出互相分开 ,无耦合通路( 如相邻的参考平面),最好跨接于对应的分割区 41 滤波电容的布局 A单板接口位置应放置适量的储能电容 ; B所有分支电源接口电路; C存在较大电流变化的区域,如电源模块的输入与输出端、风扇、继电器等; DPCB 电源接口电路(滤波); E去藕电容靠近电源,同时位置、数量适当; 42 接口电路布局 A接口信号的滤波、防护、和隔离等器件靠近接口连接器放置,先防护,后滤波 B接口变压器、光藕等隔离器件做到初次级完全隔离 C变压器与连接器之间的信号网络无交叉 D变压器对应的 BOTTOM 层区域尽可能没有其它器件放置 E接口 IC(网口、通信口 (高速)、串口等)尽量靠近变压器或连接器放置 F相应,网口、通信口(高速)、串口的接收、发送端匹配电阻靠近对应的接口 IC 放置 43 时钟电路布局 A时钟电路(晶振、时钟驱动电路等)离对外接口电路1000MIL B多负载时,晶振、时钟驱动电路要与对应负载呈星型排布 C时钟驱动器靠近晶振放置,推荐曼哈顿距离1000MIL D时钟输出的匹配电阻靠近晶振或时钟驱动电路的输出脚,推荐距离1000MIL E晶振、时钟驱动电路必须进行 LC 或派型滤波,滤波电路的布局遵照电源滤波电路布局要求 F时钟驱动电路远离敏感电路 G不同的晶振及时钟电路不相邻放置 44 其它模块布局的基本原则 A看门狗电路及复位电路远离接口 B隔离器件如磁珠、变压器、光藕放在分割线上,且两侧分开 C扣板连接器周围的滤波电容布局数量、位置合理 D板内散热器接地(推荐多点接地),且远离接口,推荐距离1000MIL; EA/D、D/A 器件放在模拟、数字信号分界处,避免模拟、数字信号布线交叠 F同一差分线对上的滤波器件同层、就近、并行、对称放置 5 PCB 布线与 EMC 布线基本原则 A走线短,间距宽,过孔少, 无环路 B有延时要求的走线,其长度符合要求 C无直角,对关键信号线优先采用元弧倒角 (差别不大) D相邻层信号走线互相垂直或相邻层的关键信号平行布线 1000MIL E走线线宽无跳变或满足阻抗一致 51 电源、地的布线要求 A无环路地,电源及对应地构成的回路面积小 B共用一个电源、地过孔的管脚数4 C滤波电容的电源、地走线宽度、长度需优先 D屏蔽地线接地过孔间距 3000MIL 52 接口电路布线 A接口变压器等隔离器件初、次级互相隔离 ,无相邻平面等耦合通路,对应参考平面隔离宽度100MIL B接口电路的布线要遵循先防护、后滤波的原则顺序 C接口电路的差分线遵守: 并行、同层、等长;(不同线对满足 3W 原则) DPGND 以外的参考平面与接口位置的 PGND 平面无重叠 E板边接插件孔金属化,并接 PGND F跨分割的复位线在跨分割处加桥接措施( 地线或电容) G接口 IC 的电源、地参考器件手册处理 ,如果需要分割时,数字部分不能扩展到外接接口信号线附近 53 时钟电路布线 A表层无时钟线或布线长度 500MIL, 关键时钟表层布线 200MIL,并且要有完整地平面作回流,跨分割位置已做桥接处理 B晶振及时钟驱动电路区域相邻层无其它布线穿过 C与电源滤波电路布线要求相同 D时钟线周围避免有其它信号线 (推荐满足 3W) E不同时钟信号之间拉大距离(满足 5W) F当时钟信号换层且回流参考平面也改变时,推荐在时钟线换层过孔旁布一接地过孔 G时钟布线与 I/O 接口、端子的间距1000MIL H时钟线与相邻层平行布线的平行长度 1000MIL I 时钟线无线头,若出于增加测试点的需要 ,则线头长度500MIL 54 其他布线要求 A单板已做传输线阻抗控制及匹配处理 B无孤立铜皮,散热片/器做接地处理 C地址总线(尤其是低 3 位的地址总线 A0、A1 、A2)参照时钟布线要求 D差分线除保持基本原则外 ,不能有其它线在中间 E关键信号走线未跨分割(包括过孔,焊盘导致的参考平面缝隙) F滤波器等器件的输入、输出信号线未互相平行、交叉走线 G关键信号线距参考平面边沿 3H I. 电源1A 的电源所用的表贴器件的焊盘要至少有 2 个连接到相应的电源平面二：PCB 布线是 ESD 防护的一个关键要素，合理的 PCB 设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在 PCB 设计中，由于采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极管来抑止因ESD 放电产生的直接电荷注入，因此 PCB 设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰(EMI)电磁场效应。本文将提供可以优化 ESD 防护的 PCB 设计准则