中心議題:
- 理解EMC設(shè)計(jì)技巧
- 解決EMC設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)難題
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本次大講臺(tái)的前幾部分我們從EMC元器件的選擇與應(yīng)用技巧、EMC四大設(shè)計(jì)技巧、EMC的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)及EMC/EMI之綜合設(shè)計(jì)解決方案四方面對(duì)電磁兼容器件選型與設(shè)計(jì)技巧的知識(shí)進(jìn)行了比較系統(tǒng)全面的講解。本講將以問答的形式,從PCB設(shè)計(jì)技巧及抗干擾措施、屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)、手持產(chǎn)品干擾源定位及解決方案等角度探討電磁兼容設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)技巧及實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)中的難題,以幫助工程師進(jìn)一步理解電磁兼容器件選型方法與設(shè)計(jì)技巧,更好地進(jìn)行產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)。
理解EMC設(shè)計(jì)技巧
Q1:PCB設(shè)計(jì)中濾波時(shí)選用電感值和電容值的方法是什么?
A1:電感值的選用除了考慮所想濾掉的噪聲頻率外,還要考慮瞬時(shí)電流的反應(yīng)能力。如果LC的輸出端會(huì)有機(jī)會(huì)需要瞬間輸出大電流,則電感值太大會(huì)阻礙此大電流流經(jīng)此電感的速度,增加紋波噪聲(ripple noise)。 電容值則和所能容忍的紋波噪聲規(guī)范值的大小有關(guān)。紋波噪聲值要求越小,電容值會(huì)較大。而電容的ESR/ESL也會(huì)有影響。 另外,如果這LC是放在開關(guān)式電源(switching regulation power)的輸出端時(shí),還要注意此LC所產(chǎn)生的極點(diǎn)零點(diǎn)(pole/zero)對(duì)負(fù)反饋控制(negative feedback control)回路穩(wěn)定度的影響。
Q2:PCB設(shè)計(jì)中模擬電源處的濾波經(jīng)常是用LC電路。但是為什么有時(shí)LC比RC濾波效果差?
A2:LC與RC濾波效果的比較必須考慮所要濾掉的頻帶與電感值的選擇是否恰當(dāng)。 因?yàn)殡姼械母锌?reactance)大小與電感值和頻率有關(guān)。如果電源的噪聲頻率較低,而電感值又不夠大,這時(shí)濾波效果可能不如RC。但是,使用RC濾波要付出的代價(jià)是電阻本身會(huì)耗能,效率較差,且要注意所選電阻能承受的功率。
Q3:在設(shè)計(jì)PCB板時(shí),有如下兩個(gè)疊層方案: 疊層1 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 》電源+1.5V 》信號(hào) 》電源+2.5V 》信號(hào) 》電源+1.25V 》電源+1.2V 》信號(hào) 》電源+3.3V 》信號(hào) 》電源+1.8V 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 疊層2 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 》電源+1.5V 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 》電源+1.25V +1.8V 》電源+2.5V +1.2V 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 》電源+3.3V 》信號(hào) 》地 》信號(hào) 哪一種疊層順序比較優(yōu)選?對(duì)于疊層2,中間的兩個(gè)分割電源層是否會(huì)對(duì)相鄰的信號(hào)層產(chǎn)生影響?這兩個(gè)信號(hào)層已經(jīng)有地平面給信號(hào)作為回流路徑。
A3:應(yīng)該說兩種層疊各有好處。第一種保證了平面層的完整,第二種增加了地層數(shù)目,有效降低了電源平面的阻抗,對(duì)抑制系統(tǒng)EMI有好處。 理論上講,電源平面和地平面對(duì)于交流信號(hào)是等效的。但實(shí)際上,地平面具有比電源平面更好的交流阻抗,信號(hào)優(yōu)選地平面作為回流平面。但是由于層疊厚度因素的影響,例如信號(hào)和電源層間介質(zhì)厚度小于與地之間的介質(zhì)厚度,第二種層疊中跨分割的信號(hào)同樣在電源分隔處存在信號(hào)回流不完整的問題。
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Q4:若干PCB組成系統(tǒng),各板之間的地線應(yīng)如何連接?
A4:各個(gè)PCB板子相互連接之間的信號(hào)或電源在動(dòng)作時(shí),例如A板子有電源或信號(hào)送到B板子,一定會(huì)有等量的電流從地層流回到A板子 (此為Kirchoff current law)。這地層上的電流會(huì)找阻抗最小的地方流回去。所以,在各個(gè)不管是電源或信號(hào)相互連接的接口處,分配給地層的管腳數(shù)不能太少,以降低阻抗,這樣可以降低地層上的噪聲。另外,也可以分析整個(gè)電流環(huán)路,尤其是電流較大的部分,調(diào)整地層或地線的接法,來控制電流的走法(例如,在某處制造低阻抗,讓大部分的電流從這個(gè)地方走),降低對(duì)其它較敏感信號(hào)的影響。
Q5:PCB設(shè)計(jì)中如何解決高速布線與EMI的沖突?
A5:因EMI所加的電阻電容或ferrite bead, 不能造成信號(hào)的一些電氣特性不符合規(guī)范。 所以, 最好先用安排走線和PCB疊層的技巧來解決或減少EMI的問題, 如高速信號(hào)走內(nèi)層。 最后才用電阻電容或ferrite bead的方式, 以降低對(duì)信號(hào)的傷害。
Q6:PCB設(shè)計(jì)中,如何避免串?dāng)_?
A6:變化的信號(hào)(例如階躍信號(hào))沿傳輸線由A到B傳播,傳輸線C-D上會(huì)產(chǎn)生耦合信號(hào),變化的信號(hào)一旦結(jié)束也就是信號(hào)恢復(fù)到穩(wěn)定的直流電平時(shí),耦合信號(hào)也就不存在了,因此串?dāng)_僅發(fā)生在信號(hào)跳變的過程當(dāng)中,并且信號(hào)沿的變化(轉(zhuǎn)換率)越快,產(chǎn)生的串?dāng)_也就越大??臻g中耦合的電磁場(chǎng)可以提取為無數(shù)耦合電容和耦合電感的集合,其中由耦合電容產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)在受害網(wǎng)絡(luò)上可以分成前向串?dāng)_和反向串?dāng)_Sc,這個(gè)兩個(gè)信號(hào)極性相同;由耦合電感產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)也分成前向串?dāng)_和反向串?dāng)_SL,這兩個(gè)信號(hào)極性相反。耦合電感電容產(chǎn)生的前向串?dāng)_和反向串?dāng)_同時(shí)存在,并且大小幾乎相等,這樣,在受害網(wǎng)絡(luò)上的前向串?dāng)_信號(hào)由于極性相反,相互抵消,反向串?dāng)_極性相同,疊加增強(qiáng)。串?dāng)_分析的模式通常包括默認(rèn)模式,三態(tài)模式和最壞情況模式分析。默認(rèn)模式類似我們實(shí)際對(duì)串?dāng)_測(cè)試的方式,即侵害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器由翻轉(zhuǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng),受害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器保持初始狀態(tài)(高電平或低電平),然后計(jì)算串?dāng)_值。這種方式對(duì)于單向信號(hào)的串?dāng)_分析比較有效。三態(tài)模式是指侵害網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器由翻轉(zhuǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng),受害的網(wǎng)絡(luò)的三態(tài)終端置為高阻狀態(tài),來檢測(cè)串?dāng)_大小。這種方式對(duì)雙向或復(fù)雜拓樸網(wǎng)絡(luò)比較有效。最壞情況分析是指將受害網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)器保持初始狀態(tài),仿真器計(jì)算所有默認(rèn)侵害網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)受害網(wǎng)絡(luò)的串?dāng)_的總和。這種方式一般只對(duì)個(gè)別關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,因?yàn)橐?jì)算的組合太多,仿真速度比較慢。
Q7:在電路板尺寸固定的情況下,如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能,就往往需要提高PCB的走線密度,但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng),同時(shí)走線過細(xì)也使阻抗無法降低,請(qǐng)介紹在高速(>100MHz)高密度PCB設(shè)計(jì)中的技巧?
A7:在設(shè)計(jì)高速高密度PCB時(shí),串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的,因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)序(timing)與信號(hào)完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方:
1.控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。
2.走線間距的大小。一般??吹降拈g距為兩倍線寬??梢酝高^仿真來知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響,找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。
3.選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?
4.避免上下相鄰兩層的走線方向相同,甚至有走線正好上下重迭在一起,因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。
5.利用盲埋孔(blind/buried via)來增加走線面積。但是PCB板的制作成本會(huì)增加。 在實(shí)際執(zhí)行時(shí)確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長,不過還是要盡量做到。
除此以外,可以預(yù)留差分端接和共模端接,以緩和對(duì)時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。
Q8:設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱時(shí),根據(jù)哪些因素選擇屏蔽材料?
A8:從電磁屏蔽的角度考慮,主要要考慮所屏蔽的電場(chǎng)波的種類。對(duì)于電場(chǎng)波、平面波或頻率較高
的磁場(chǎng)波,一般金屬都可以滿足要求,對(duì)于低頻磁場(chǎng)波,要使用導(dǎo)磁率較高的材料。
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Q9:機(jī)箱的屏蔽效能除了受屏蔽材料的影響以外,還受什么因素的影響?
A9:受兩個(gè)因素的影響,一是機(jī)箱上的導(dǎo)電不連續(xù)點(diǎn),例如孔洞、縫隙等;另一個(gè)是穿過屏蔽箱的導(dǎo)線,如信號(hào)電纜、電源線等。
Q10:屏蔽磁場(chǎng)輻射源時(shí)要注意什么問題?
A10:由于磁場(chǎng)波的波阻抗很低,因此反射損耗很小,而主要靠吸收損耗達(dá)到屏蔽的目的。因此要選
擇導(dǎo)磁率較高的屏蔽材料。另外,在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要使屏蔽層盡量遠(yuǎn)離輻射源(以增加反射損耗),
盡量避免孔洞、縫隙等靠近輻射源。
解決EMC設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)難題
Q11:設(shè)計(jì)的DCDC電路,電感在工作的時(shí)候會(huì)叫,有噪音,但是電路工作正常,也不發(fā)熱,這種情況會(huì)不會(huì)影響可靠性,電感的選擇是不是有問題?
A11:發(fā)生噪音現(xiàn)象的原因是電磁干擾,說明電感漏磁出來與其他線路結(jié)合起來形成了噪聲,剛好是在這個(gè)頻率,這種情況可以選擇不同形式的電感來解決。比如電感是由下往上繞的,沒有磁屏蔽的結(jié)構(gòu),則可以選擇橫向的,來解決這個(gè)問題。
Q12:某個(gè)手持測(cè)試產(chǎn)品,可以電池供電,同時(shí)也可以采取外置適配器供電方式。適配器單獨(dú)帶負(fù)載輻射發(fā)射(RE)測(cè)試可以通過,手持產(chǎn)品在電池供電情況下輻射發(fā)射(RE)也可以通過,并且余量都比較大,但是在帶外置適配器的情況下,卻在160M頻率左右超標(biāo)較多,不能通過認(rèn)證。是何原因?怎么定位干擾源?耦合途徑?定位清楚如何解決? A12:本身這個(gè)問題干擾源有兩個(gè)可能,適配器的開關(guān)頻率,手持測(cè)試產(chǎn)品本身的晶振以及內(nèi)部的開關(guān)電源頻率。單獨(dú)測(cè)試沒有超標(biāo),搭配測(cè)試超標(biāo)說明耦合途徑是產(chǎn)品的電源電纜。
定位時(shí)可以有多個(gè)辦法:
1、在電源輸出線纜(也就是產(chǎn)品電源輸入線)的兩端分別加磁環(huán)試驗(yàn),如果靠近適配器相對(duì)下降比較大,說明是適配器導(dǎo)致,否則原因就是由手持產(chǎn)品內(nèi)部干擾源導(dǎo)致;
2、在手持產(chǎn)品的電源輸入接口共模電感采取頻譜儀測(cè)試看那一端干擾幅度大,如果是共模電感里側(cè)的干擾大,則說明是手持產(chǎn)品的干擾;
3、如果懷疑外部適配器,干脆直接替換測(cè)試,如果沒有這個(gè)頻點(diǎn),就說明是適配器問題。
通過上面方法定位后發(fā)現(xiàn),確實(shí)是電源適配器問題。盡管開關(guān)電源頻率只有KHZ級(jí)別,但往往干擾能夠到幾十、幾百M(fèi)HZ,同時(shí)電源適配器負(fù)載不同,空間輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果也會(huì)不一樣。
Q13:在設(shè)計(jì)一款手機(jī)充電器用高頻變壓器時(shí),在頻率0.3M~3M遇到EMC超標(biāo)問題(在輸入240v,輸出500mA的情況下),是否有改善對(duì)策降低EMC干擾?現(xiàn)狀為12dB,要改善至4dB以下),具體情況如下:
(1)使用EF12.6 CORE
(2)繞組結(jié)構(gòu)如下
NP (輸入) 210TS 0.1mm(wire) 密卷 感值:4.56mH±12%
sld (屏蔽) 22TS 0.2mm(wire) 滿一層
NS (輸出) 12TS 0.3mm(三層絕緣線) 密卷
NB (反饋) 3TS 0.1mm(wire) 中間密繞
(3)磁芯使用金具接地
A13:此案子如果加一個(gè)Y電容就可解決上述EMC問題,但是考慮到成本問題,也可以從改變變壓器繞線方式的角度來解決,在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上將初級(jí)改為“Z”形繞法(“Z”形繞法就是在繞初級(jí)時(shí),繞好一層后,包一層膠帶,并將第二層的起頭線,即第一層繞線的收尾端,重新放回到第一層繞線的起頭的一側(cè),如此重復(fù)繞線即可),進(jìn)一步減小分布電容。