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1、本资料来源 PCBlayoutEMI设计 检查 规则 目录 1 概述2 EMI噪音的模型 差模与共模3 PCBlayoutEMI设计方法 滤波接地屏蔽4 13条经典EMI设计 检查 规则5 每条规则详细说明 经验告诉我们 通过修改PCBlayout而成功解决EMI的案例很多 PCB已成为EMI设计的关键 我们总结多年的经验 得出13条经典的设计规则 希望通过理解和运用13条经典EMI规则 并在PCBlayout过程中进行控制 减少PCB多次修改 缩短layout的时间 本规则针对高速数字信号PCB设计 适用于2层和多层板 但2层板更难实现部分的要求 一 概述 二 EMI噪声的模型 差模与共模
2、图一 信号回路的磁场耦合分析 差模 共模 二 EMI噪音的模型 差模共模 哪个是差模 哪个是共模 I表示电流强度 f表示共模电流的频率 L表示电缆 PCB走线长度 d表示测量天线到电缆的距离 共模计算公式 E 1 26 10 6 d f I L 共模辐射与PCB哪些因素有关 差模计算公式 I表示电流强度 f表示差模电流的频率 A表示差模电流环路面积 d表示测量天线到电缆的距离 差模辐射与PCB哪些因素有关 二 EMI噪音的模型 差模与共模 差模干扰发生原因和解决方法 信号流出至信号流入形成信号环路 每个环路都相当于一个天线 这是差模干扰发生原因 也是PCB设计中EMI控制的关键 设计时要了解每
3、一关键信号的流向 关键信号要靠近回流路径布线 确保其环路面积最小 减小差模辐射常用的方法 1 降低电路的工作频率 2 减小信号电流的环路面积A 3 减小信号的电流强度 共模辐射是EMI最主要的干扰 通常是由于电路板地的 不平整 导致的 或者连接cable线两端地电位的高低差而导致连接线变成辐射天线 电路板则是由于地阻抗而引起电位高低不平 从而能量由高到底有了辐射的条件 所以PCB排版时要特别的注意PCB地阻抗的问题 从而减小其产生的干扰 减小共模辐射常用的方法 1 降低地阻抗以减小地电位差 2 使用去耦电容 3 使用铁氧体磁环 4 使用共模滤波器 电源 信号 共模干扰发生原因和解决方法 三 P
4、CBlayoutEMI设计方法 滤波接地屏蔽 对于EMI控制 主要采用三种措施 滤波 接地 屏蔽 这三种方法虽然有着独立的作用 但是相互之间是有关联的 良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求 而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些 屏蔽 按照屏蔽的机理 分电场屏蔽 磁场屏蔽 电磁场屏蔽 滤波 通常采用去耦电容 EMI滤波器 磁性元件来实现 接地 尽量保持地平面完整 所有器件的接地脚尽快接到地平面 四 13条经典EMI设计 检查 规则 12 电源退耦电容的位置检查 13 供电连线和地线回路的检查 电源检查 1 跨电源和地层的信号线检查 2 不连续的信号回路检查 3 信号线包地的检查 4 包地线
5、上相邻2个地孔的距离 5 信号层板边缘的地孔检查 6 PCB布线长度检查 7 过孔数量检查 8 走线离板边的距离检查 9 连接到连接器上Filter检查 10 差分信号的检查 11 串扰检查 信号 电流 回路检查 布线检查 五 每条规则详细说明 1 跨电源和地层的信号线检查 对信号回流不能认为必须在走线正下方的参考平面 回流的途径是多方面 参考地平面 电源平面 相邻的地线 介质 甚至空气 我们知道 交流信号会自动选阻抗最小路径返回驱动端 但究竟哪个占主 要看它和信号走线的耦合程度 耦合最强的将为信号提供最主要回流途径 如在多层PCB 参考平面很近 耦合了绝大部分的电磁场 99 以上信号能量将集
6、中在最近的参考平面回流 信号回流路径 地或电源做交流信号回路 理想信号回流示意图 电容 五 每条规则详细说明 1 跨电源和地层的信号线检查 换层电容 连接电源和地层 位置安装在顶层或底层 EMI设计规则一 如是四层板 在跨电源和地层的信号线附近放置换层电容 形成信号回路 高速信号应尽量避免换层 五 每条规则详细说明 1 跨电源和地层的信号线检查 规则细则 1 高速数字信号 10MHz以上 如通过Via跨电源和地层 必须增加换层电容 2 换层电容距离信号Via不得超过200mil 5mm 3 一个换层电容可以作为多个信号的回路 根据离信号的距离决定放置多少个电容 五 每条规则详细说明 1 跨电源
7、和地层的信号线附近放置换层电容案例 剪裁于40 LCNP90 MAD4XG 放大 换层电容 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查 EMI设计规则二 对高速信号走线区域最大限制地保持地层和电源层的完整 使地层或电源层成为其最好信号回路 并保证回流路径最佳 地层作为信号回流路径 TOP层走线 BOTTOM层走线 电源层作为信号回流路径 信号回路 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查检查 高速信号线换层造成回流路径变换 下图无换层电容 信号回流路径不理想 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查检查 图解 在BOTTOM层的CLK 和CLK 因电源层的分割 使电源层无法成为
8、其回路 高速信号线出现跨岛 回流路径不理想 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查 规则细则 1 如高速信号通过Via跨越了电源和地层 放置换层电容且离信号Via不超过200mil 从而实现连续信号回路 同规则一 2 采用包地来实现信号回路时 信号线离地网络不超过10mil 信号通过Via换层时 回流路径改变 放置过层电容 实现连续回路 线间距应小于10mil 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查的案例一 换层电容 通过放置换层电容 实现信号连续回路 同规则一 剪裁于40 LCNP90 MAD4XG 五 每条规则详细说明 2 不连续的信号回路检查的案例二 走线过孔太集中 镜像
9、层形成槽孔 造成参考平面不连续 信号回路 五 每条规则详细说明 3 信号线包地检查 空间受限包地无法再深入 EMI设计规则三 为高速 敏感 信号提供良好的信号回路 减少回路面积 同时 起到隔离和屏蔽的作用 2层板特别常用 五 每条规则详细说明 3 信号线包地检查 规则细则 1 高速信号 CLKI2SDDRHDMI 和音视频敏感信号需要包地 2 信号线离地网络最大距离为10mil 3 包地线离信号的Pad距离为200mil视为有效包地 4 包地线要有足够的宽度而且要通过VIA接到地层 200mil 线间距应小于10mil 五 每条规则详细说明 3 信号线包地检查的案例 信号线包地 五 每条规则详
10、细说明 3 信号线包地检查的案例 案例 黄色走线即I2S信号线 PHILIPS机型MT22机芯 I2S信号走线很长 而且走线靠近高频头 49M内部频率的4倍频 对self pollution产生影响 采用包地处理和接地后已解决 五 每条规则详细说明 4 包地线上相邻2个地孔的距离 EMI设计规则四 对高速信号包地线相邻过孔距离不超过400mil 400mil 五 每条规则详细说明 4 包地线上相邻2个地孔的距离检查的案例一 DDR芯片 高速信号线相邻过孔距离不超过400mil 剪裁于 40 00MS68 MAA2XG 双面板DDR 五 每条规则详细说明 4 包地线上相邻2个地孔的距离检查案例二
11、 相邻过孔距离不超过400mil 五 每条规则详细说明 5 信号层板边缘的地孔检查 规则细则 1 接地孔尽量接近地平面边缘 接地孔距离地边缘最大不超过200mil 2 地线上的相邻2个地孔的距离最大为400mil 同规则4 3 尽量保证高速PCB板TOPorBOTTOM四周是地环 通过VIA接到地层 200mil TOPorBOTTOM的地环 EMI设计规则五 TOP和BOTTOM层四周保留一定宽度的地环 通过VIA连接起来 五 每条规则详细说明 5 地平面边缘的地孔检查的案例 TOPorBOTTOM的地环 五 每条规则详细说明 6 PCB布线长度检查 规则细则 1 频率越高 L要求越短 2
12、PCB长度要短于某一特定频率的1 4波长 EMI设计规则六 高速信号的走线越短越好 五 每条规则详细说明 大多数天线的长度是等于某一特定频率的1 4或1 2波长 因此在EMC的规范中 要求导线或走线的长度少于 20 否则它突然地变成一根高效能的天线 例如 假设有一根10cm的走线在频率超过150MHz时 将形成一根有效率的辐射天线 因为在150MHz时 其波长 2m 所以 20 10cm等于走线的长度 若频率大于150MHz 其波长 将变小 其1 4 或1 2 值将接近于走线的长度10cm 随着频率的提高 逐渐形成一根完美的天线 6 PCB布线长度检查 我们知道波长和频率之间的物理关系 300
13、 f PCB介电常数4 5 4 8 五 每条规则详细说明 6 PCB布线长度检查 这里指的频率包括两方面信号 一 信号频率足够高 二 信号边沿足够小 我们知道 高速开关信号的EMI发射带宽的计算公式 f 1 Tr f为开关电路产生的最高EMI频率 单位为GHzTr为信号的上升时间或者下降时间 单位为ns 如上升时间为1ns 它所产生的最高EMI频率为350MHz 而降为为500ps 那么最高EMI频率为700MHz 因此 我们在layout时重点关注频率高和上升或者下降时间快的信号 如CLOCKI2SDDRLVDS等高速数字信号 五 每条规则详细说明 6 PCB布线长度检查的案例 DDR部分
14、五 每条规则详细说明 7 过孔数量检查 规则细则 随着频率升高 过孔的数量要减少 对于高速信号 尽量不做过孔 一般信号的过孔数量最多不能超过5个 EMI设计规则七 高速信号走线的过孔越少越好 五 每条规则详细说明 7 过孔数量检查的案例 DDR部分 五 每条规则详细说明 8 走线离板边的距离检查 规则细则 1 PCB的信号网络 除GND 其走线离板边的距离大于40mil 2 地平面边缘要比电源平面边缘宽80mil 40mil 电源层 地层 80mil EMI设计规则八 高速信号的走线离板边缘保留一定距离 五 每条规则详细说明 8 走线离板边的距离检查的案例一 走线太靠边 不理想 五 每条规则详
15、细说明 8 走线离板边的距离检查的案例二 最外加地线保护 0 5mm线宽并加小接地孔 五 每条规则详细说明 9 连接到连接器上的Filter RLCF 安装位置检查 规则细则 在插座上每个控制信号 I O 网络放置Filter LCRF Filter距离连接器的距离不得大于1400mil EMI设计规则九 在插座每个I O信号脚增加Filter 使干扰信号不能通过连接线辐射出去 1400mil 备注 对于从IC出来的干扰 Filter应接近IC放置 五 每条规则详细说明 9 连接到连接器上的Filter RLCF 安装位置检查的案例 在插座的根部放置电容器C 在LVDS插座的根部放置电容器C
16、五 每条规则详细说明 10 差分信号的检查 规则细则 1 差分组内的长度差建议不能超过80mil 3 2组平行线间的距离大于3倍组内距离 4 组内不平行部分的长度的最大值为80mil 5 增加Filter滤波 共模电感靠近IC输出 电容靠近插座输出引脚 EMI设计规则十 差分信号layout注意 1 阻抗配合 HDMI阻抗要求100欧 2 组内和组间等长 3 组内紧密耦合 组间远离防止串扰 4 高速信号不走过孔 TOP布线 5 底层保留完整地平面 五 每条规则详细说明 10 差分信号的检查的案例一 LVDS差分信号 五 每条规则详细说明 10 差分信号的检查的案例而二 HDMI HDMI差分信号 五 每条规则详细说明 11 串扰检查 规则细则 1 串扰电压的大小与两线的间距成反比 而与两线的平行长度成正比 所以 干扰信号距离其他走线间距大于10mil 2 对干扰信号采用包地方法 起隔离和屏蔽作用 减少串扰 EMI设计规则十一 频率越高和数字信号边缘翻转速率越快 对串扰影响越大 五 每条规则详细说明 11 串扰检查 对干扰源采用包地方法 起到隔离和屏蔽作用 五 每条规则详细说明 11 串
