emc 測試、設計及排查技術（二）

EMC 測試、設計及排查技術

（二）

Compliance Direction Systems Inc.

Compliance Direction —— Direct to EM_Compliance

（加拿大）容向系統科技有限公司容向 —— 專注於電磁相容方向

容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

內容一、電磁相容測試標準及要求二、電磁相容設計技術三、電磁干擾【 EMI】排查技術四、電磁敏感性【 EMS】排查技術

電磁相容設計技術

電子產品 EMI 對策的變化PCB 的 EMC設計：總論PCB 的 EMC設計＃ 1：電流和回流PCB 的 EMC設計＃ 2：電源濾波PCB 的 EMC設計＃ 3：天線


傳統 EMI 對策查找 EMI問題的方法：頻譜儀＋近場探頭“探測火苗”採取的手段：遮罩＋濾波把“火苗”捂在設備內部


傳統對策遇到新問題需要考慮設備內部 EMI問題，不能使用遮罩 /濾波手段板間板內信號間遮罩和濾波會增加重量、成本信號頻率與干擾頻率一致，不能採用濾波頻率提高，佈線、遮罩體、機箱等成為天線高頻信號耦合到電纜，由電纜發射


EMC 對策新理念

傳統對策新對策


新 EMI對策的核心全體人員認識 EMI形成及抑制機理全體人員：專案負責人、總體設計人員、硬體工程師、結構工程師、 EMI工程師

認識 EMI：借助先進的工具，迅速積累經驗採取科學手段：滅火種，切斷火的蔓延路徑建立科學的 EMC管理體系專案各階段 EMC的評估制訂針對各類設計人員的工藝要求利用先進的工具，設立質量控制點，並建立完善的評估體系


及早考慮 EMI/EMS/EMCEMI/EMC 是項系統工程早考慮 ? 成本低，手段多，效率高需要產品所有元件協同配合

專家的經驗 ? PCB 設計的很多規則設計能全部按照設計規則執行嗎？所有的理論在所有場合都正確嗎？

仿真技術 EMC仿真：需要 SPICE模型，很難獲得地平面、電源平面、濾波電容建模：精度與速度及早引入測量技術電磁場掃描技術、 EMC預相容測試


新理念要求企業充分重視 EMCEMC是一項系統工程，不是 EMC工程師一個人的事情總體設計、單板設計階段就需要考慮僅整機考慮：成本高，速度慢，問題複雜為工程師制訂“工藝檔”把經驗總結為《電子產品設計規則》，成為《設計工藝檔》，避免犯類似錯誤

EMC是產品質量的一個非常重要的指標需要保證生產線的產品與設計原型一致


新理念要求：提高工程師素質是根本我國的 EMI 問題剛剛得到重視工程師經驗積累少、缺乏頻域測量手段先進的設備，僅僅是一種手段，最終解決問題還是需要工程師豐富的經驗“容向系統”定期出版“典型案例分析”“容向系統”提供專家級的技術服務

好的測量手段能幫助你迅速積累正確的經驗對 EMI產生和抑制機理的理解，是解決未來EMI問題的基礎


電子產品 EMI 對策的變化PCB 的 EMC設計：總論

PCB 的 EMC設計＃ 1：電流和回流PCB 的 EMC設計＃ 2：電源濾波PCB 的 EMC設計＃ 3：天線


高速 PCB ？與工作頻率無關，僅與所使用的器件有關fknee=1/(?*Tr) ， Tr ＝ 1ns ，則 fknee=320MHz

1/?Td 1/?tr 頻率（對數）

諧波幅度

（電壓或電流）

第一轉折頻點

第二轉折頻點


線路板的兩種輻射機理

差模輻射共模輻射

電流環杆天線


共模和差模對 EMC測試的影響

共模電流10 米電纜上

0.0015mA的電流

差模電流3×3cm的電流環路

上 15mA的電流 B 極限值@10 米dBuV/m

諧波 MHz

E 場 dBuV

諧波 MHz

E 場 dBuV

38 33 38 33 30

114 33 114 33 33

266 33 266 33 33

494 33 494 33 35.5

對於 EMC測試：共模輻射比差模輻射的影響要大 100 － 1000 倍

例子：上升沿 5ns 的 38MHz 時鐘：


如何減小差模輻射？E = 2.6 I A f 2 / D

I 電流 —— 信號線電流【原理圖設計階段考慮】減小負載 —— 使用驅動電路增加線路阻抗 —— 改變阻尼電阻值I 電流 —— 電流回流【 PCB設計階段考慮】

R


如何減小差模輻射？E = 2.6 I A f 2 / D

控制諧波次數

佈線

f 頻率：合適的器件，阻尼電阻【原理圖設計】佈線阻抗【 PCB 設計】

A 面積：控制電流回路面積【 PCB設計】


降低電流【 I 】和頻率【 f 】使用最合適的器件利用阻尼電阻，減緩上升沿，同時保證 SI 和 EMC

有多於 58個諧波分量

有 11個諧波分量

接 510 歐姆阻尼電阻


怎樣減小共模輻射 E = 1.26 I L f / D

共模滤波

共模扼流圈

减小共模电压

使用尽量短的电缆共模滤波

电缆屏蔽

PCB 的 EMC設計：完善的電源濾波


PCB 上 EMC問題的主要原因不均勻分佈的電流以及回流過細的電源線或者地線【單 / 雙層板】信號線的輻射（上升沿陡， Tr 小的信號）信號線共用回流路徑電源濾波 —— 通過外接電纜輻射出去不合理的濾波電容值不合理的濾波電容放置位置不合理的分層結構天線效應 —— 引起 EMS問題


電子產品 EMI 對策的變化PCB 的 EMC設計：總論

PCB 的 EMC設計＃ 1：電流和回流PCB 的 EMC設計＃ 2：電源濾波PCB 的 EMC設計＃ 3：天線


不均勻分佈的電流電源線和地線上的電流過細的電源線或者地線單層 / 雙層板上多見

信號線上的電流高速信號線【時鐘線】，瞬間需要大電流數位匯流排【資料線、位址線等】


電源線上的電流

VCC1

VCC大功率器件

VCC/S2

S1

GND磁珠

VCC VCC1

過孔

電源分割時常見的問題：過孔上的大電流


信號線電流 —— 高頻時鐘發送側串接 22 － 220 歐姆阻尼電阻，電阻越

大干擾越小，但是敏感性變差。採用點對點連接，不打過孔，走線平滑。高頻時鐘（上升沿少於 2ns的時鐘）盡可能有地線護送【護送地線要“良好接地”】


信號線電流 —— 數位匯流排頻率在 50MHz 以上的高頻數位匯流排，應盡可能考慮匯流排中的每條信號線均串接一個 22-300 歐姆左右的阻尼電阻頻率在 75MHz 以上時，必須串接阻尼電阻。阻尼電阻必須放在發送側並盡可能靠近發送器件。盡可能在元件面 / 焊接面布，不打過孔。連接至 xxRAM的資料線的次序可以根據佈線需要打亂。具有很強的電磁輻射！敏感信號應遠離！


不均勻分佈的電流回流信號線換層回流平面換層，垂直方向的回流？

跨越參考平面【地平面或者電源平面】的分割走線人為的分割無意的分割單元電路連接部分的地線和電源線設計背板和子板的接插件板間連接電纜的地線和電源線


電流回流【多層板】

低頻：最小電阻【最短距離】

高頻：最小阻抗【最小面積】


多層板信號線換層如果存在兩個以上地層：在信號線換層多的

區域，需要地層間有密集過孔

否則，表現出來的現象是附近某個地方有強輻射【把多個地層連接起來的過孔上】

S1

GND

S2

S3

GND

？

電流回流


多層板信號線換層換層前後，參考平面分別是電源和地時：在信號線換層多的區

域，需要適當的旁路電容構成較好的電流回路

否則，表現出來的現象是附近濾波電容處有強輻射【濾波電容起了回流作用】

S1

GND

S2

VCC

？

電流回流


回流問題—— 跨越分割

參考平面的分割地分割電源分割

焊接面上跨越電源分割的佈線4 層板（ S1/G/P/

S2) 或6 層板 S1/G/S2/

S3/P/S4


回流——類比 / 數位、射頻 / 數位

類比區域

數位區域類比區域受到數位電路的干擾


回流問題 —— 安全間距信號線共用回流路徑（ EMI 以及感性串擾）在數位電路中，感性串擾 > 容性串擾


案例——感性串擾

接插件過孔安全間距過大，破壞了地平面


回流問題 —— 密集過孔密集過孔，破壞地平面，無意的分割跨越分割的信號線，會產生感性串擾和共模 EMI


回流問題 —— 密集過孔


回流問題 —— 密集過孔BGA等大晶片附近會有很多阻尼電阻，過多過孔導致 BGA 晶片的地很不完整

信號線

回流


回流問題 —— 多電源晶片核電壓 1.8V ， I/O電壓2.5V

跨越 1.8V電源的佈線：增加回流面積干擾 1.8V 電源

對策：佈線不要跨越減小分割區域

1.8V 電源

I/O

I/O

回流

回流


BGA 晶片核電壓分割引起 EMI

1.8V電源電路

BGA 晶片的匯流排的工作頻率為 125MHz

焊接面布有信號線

倒數第二層是電源層

RJ45 電纜上的 EMI

BGA晶片


單面板 / 雙面板 PCB單面或雙面板，沒有電源面和地線面， EMI控制難度大佈局：考慮佈線方便以及電流均勻布地線、電源線，布放濾波電容電源線應盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環面積，也有助於減小電路的串擾。

布關鍵信號線（時鐘信號等）：靠近地回路，形成較小的回流面積。

布其他信號線：避免大面積無地信號線組。地敷銅，良好敷銅，能達到 4 層板的效果！


單面板 / 雙面板 PCB地線網格

雙層電路板的走線優先考慮地線的規劃

網格大小： x < 6cm ，且 y < 6cm


單層或雙層板如何減小環路的面積


雙層板不良地線舉例

68HC11

74HC00

A

B

连接 AB

E 时钟


回流問題 —— 電纜或板間連接器地線應該盡可能均勻分佈於信號線中間


連接器上的電流回流


板間電纜上的電磁輻射


電子產品 EMI 對策的變化PCB 的 EMC設計：總論PCB 的 EMC設計＃ 1：電流和回流

PCB 的 EMC設計＃ 2：電源濾波PCB 的 EMC設計＃ 3：天線


△I 雜訊電流是 EMI的根源信號發生 0-1的變換時，該門電路中的電晶體將發生導通和截止狀態的轉換，會有電流從所接電源流入門電路，或從門電路流入地線，這個變化的電流就是△ I雜訊的源，亦稱為△ I雜訊電流。由於電源線和地線存在一定的阻抗，其電流的變化將通過阻抗引起尖峰電壓，並引發其電流電壓的波動，這個電源電壓變化就是△ I雜訊電壓，會引起誤操作，並產生傳導騷擾和輻射騷擾。在電路中 , 當器件的眾多信號管腳同時發生 0 － 1 變換時 ,不論是否接有容性負載 ,都會產生很大的△ I雜訊電流 ,使得器件外部的工作電源電壓發生突變。


地線和電源線上的雜訊

Q1

Q2

Q3

Q4

R4R2

R3

R1

VCC

被驅動電路

ICC

I驅動

I充電

I放電IgVg


電源線、地線雜訊電壓波形

輸出

ICC

VCC

I g

Vg


去耦電容對△ I雜訊電流的抑制作用去耦技術：安裝去耦電容來提供一個電流源；補償邏輯器件工作時所產生的△ I雜訊電流；

去耦的目的保證直流工作電壓的穩定；確保各邏輯器件正常工作。


電源濾波目的：把晶片產生的 EMI控制在最小的區域濾波頻率和電容值幾十 MHz及以下的濾波，電解電容【 uF 】幾十至 300MHz的濾波，每個供電組一個 0.1 /

0.01uF300MHz 以上，電源層和地層的等效陣列電容，幾

十 pF ；或者在產生高頻干擾的晶片上並接 pF 級的濾波電容。濾波電容布放就近連接原則：盡可能靠近晶片【除低頻濾波外】最佳位置：焊接面


濾波電容的放置和連接


PCB 分層考慮元件面、焊接面：敏感信號線及匯流排方便調測，易於控制一般建議：元件面布放

第二層、倒數第二層：地／電源層保證元件面和焊接面敏感信號線的 SI 。4 層板： S1/G/P/S2 ， S1 放置主要信號線6 層板： S1/G/S2/P/G/S3 ， S1/S3 主要信號6 層板： S1/S2/G/P/S3/S4 適合於：電源種類少， S1 、 S4能大面積敷銅8 層板： S1/G/S2/G/P/S3/G/S4


PCB 分層考慮電源層旁邊安排一個完整的地層，濾除300MHz 以上的干擾


一塊 PCB內只設一個電源層——電源分割

電源層分割實例

圖示為一個電源層，用

不同顏色代表不同電壓


增強濾波：磁珠＋電容


磁珠特性及選擇直流電阻盡可能低，同時需要過濾的干擾的頻率範圍內的阻抗盡可能大但太小的直流電阻會引起諧振，所以不推薦使用直流電阻太低的磁阻不推薦使用沒有給出低頻特性的磁阻


電容並聯時避免反諧振點


多層板濾波電容的分工

電解電容

高頻濾波電容

G/P 等效電容


“被忘記”濾除的 415MHz


雙層板去耦電容放置

儘量使電源線與地線靠近

好

差


雙層板增強去耦效果的方法

電源

地

鐵氧體

注意鐵氧體安裝的位置

接地線面

細線粗線

用鐵氧體增加電源端阻抗

用細線增加電源端阻抗


△I雜訊是引起 EMI問題的最主要的原因

傳統的傳導 EMI的頻率為 150kHz －30MHz

現在電纜上的雜訊會有幾百兆甚至幾個 GHz扼流圈不再起作用

80％以上的發射 EMI問題，來自電纜電纜上的高頻雜訊，傳統的遮罩和濾波無法解決


電子產品 EMI 對策的變化PCB 的 EMC設計：總論PCB 的 EMC設計＃ 1：電流和回流PCB 的 EMC設計＃ 2：電源濾波

PCB 的 EMC設計＃ 3：天線


天線效應設備內的每根佈線 /電纜 /金屬都是“天線”。線長度 >波長的 1/20，就能成為天線。100MHz信號的 5 次諧波為500MHz ， 3cm長的佈線就可能成為天線！長度為信號波長的 1/4時，便是一個將信號轉變成場的極好的轉換器。設備內部電纜及外接電纜很容易成為天線


導線成為天線：長度 /頻率


避免天線效應高阻抗佈線，才會成為天線三態輸出，會成為不穩定天線允許時降低阻抗（例如位址線，上拉電阻）不允許時，減少長度（例如資料線）

未良好接地的銅皮、金屬、電纜等良好接地 VCC


天線 —— PCB 敷銅問題

PCB四周包地線，但是沒有與地層良好連接。該地線成了接收和發射電磁場的天線。

22MHz 的信號，波長為 13米， 65cm的佈線就是天線！


PCB 敷銅問題電子設備中的任何懸浮的銅皮（未充分接地的填充）或者散熱器，都可能成為“天線”PCB 表面敷銅一定要“良好接地”多層板中間層的佈線空曠區域，不要敷銅。因為很難做到讓這個敷銅“良好接地”設備內部的金屬，例如金屬散熱器、金屬加固條等，一定要實現“良好接地”。三端穩壓器的散熱金屬塊，一定要良好接地。晶振附近的接地隔離帶，一定要良好接地。


天線 —— 內部佈線設備內部電纜全程綁在一起固定走線隨意放置的散熱器風扇的電源線(5V)引起的高頻EMI

散熱器

電源線耦合 EMI5V 電源區域

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