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1、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,主讲：沈学其 Compliance Direction Systems Inc. 容向 电磁兼容方向,電磁相容設計技術,電子產品EMI對策的變化 PCB的EMC設計：
2、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,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,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,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,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,容向系統電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看
3、見電磁場,EMC對策新理念,傳統對策 新對策,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,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,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,及早考慮EMI/EMS/EMC,EMI/EMC是項系統工程 早考慮 ? 成本低，手段多，效率高
4、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,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,新理念要求企業充分重視EMC,EMC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
5、的指標 需要保證生產線的產品與設計原型一致,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,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,
6、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,高速PCB？,與工作頻率無關，僅與所使用的器件有關 fknee=1/(?*Tr)，Tr1ns，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,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,線路板的兩種輻射機理,差模輻射,共模輻射,電流環,杆天線,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,共模和差模對EMC測試的影響,對於EMC測試： 共模輻射比差模輻射的影響要大1001000倍 例子：上升沿5ns的38MHz時鐘：,容向系統電磁相容專家，不僅僅
7、是因為我們能即時看見電磁場,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,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,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】,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,降低電流【I】和頻率【f】,使用最合適的器件 利用阻尼電阻，
8、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,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,怎樣減小共模輻射,PCB的EMC設計：完善的電源濾波,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,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,電磁相容設計技術,電子產品EMI對策的變化 PCB的EMC設計：
9、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,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,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】,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,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,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,信號線電流 高頻時鐘
10、,發送側串接22220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”】,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,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！
11、,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,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,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,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】,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,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
12、個地層連接起來的過孔上】,S1,GND,S2,S3,GND,？,電流回流,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,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,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,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,容向系統電磁相容專家，不僅僅是因為
13、我們能即時看見電磁場,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,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,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,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,案例感性串擾,接插件過孔安全間距過大， 破壞了地平面,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,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,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,回流問題 密集過孔,容向
14、系統電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場,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,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,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,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,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
15、源層,RJ45電纜上的EMI,BGA晶片,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,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！,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,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
16、y 6cm,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,單層或雙層板如何減小環路的面積,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,雙層板不良地線舉例,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,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,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,連接器上的電流回流,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,板間電纜 上的電磁輻射,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EM
17、C設計3：天線,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,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01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。,容向系統電磁相容專家，不僅僅
18、是因為我們能即時看見電磁場,地線和電源線上的雜訊,Q1,Q2,Q3,Q4,R4,R2,R3,R1,VCC,被驅動電路,ICC,I驅動,I充電,I放電,Ig,Vg,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,電源線、地線雜訊電壓波形,輸出,ICC,VCC,I g,Vg,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,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。,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,電源濾波,目的：把晶片產生的
19、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 / 0.01uF 300MHz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,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,濾波電容的放置和連接,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,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
20、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,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,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,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,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,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
21、場,增強濾波：磁珠 電容,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,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,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,電容並聯時避免反諧振點,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,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,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,“被忘記”濾除的415MHz,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,雙
22、層板去耦電容放置,儘量使電源線與地線靠近,好,差,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,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,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,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150kHz30MHz 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
23、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,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,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,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,導線成為天線：長度/頻率,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,避免天線效應,高阻抗佈線，才會成為天線 三態輸出
24、，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,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,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！,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,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。,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,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EMI,5V電源區域,謝謝！,歡迎訪問我們的網站： Email: ,