印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)中的EMI解決方案

隨著電子器件的信號(hào)頻率的上升，上升/下降沿的加快，信號(hào)電流的增加，印刷電路板的信號(hào)完整性和EMI問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，另外，在高速電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，板子密度的增加和高速信號(hào)的不斷增多，設(shè)計(jì)時(shí)間的減少，讓PCB設(shè)計(jì)工程師疲于應(yīng)付，從而無(wú)暇顧及PCB中的EMI等問(wèn)題，但是我們知道PCB的布局，布線以及電源層處理的好壞對(duì)整個(gè)板子的EMI有著非常重要的影響。下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析介紹一下EMISTREAM如何幫助大家來(lái)解決板級(jí)的EMI問(wèn)題。

2.正 文

理論：電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡(jiǎn)稱EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備，
在PCB電路板中，電磁能通常存在兩種形式，差模EMI和共模EMI，電路中器件輸出的電流流入一個(gè)負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生差模EMI。電流流經(jīng)多個(gè)導(dǎo)電平面，如PCB上的導(dǎo)線組或電纜，就會(huì)產(chǎn)生共模輻射。

差模輻射的計(jì)算

其中Ip表示電流強(qiáng)度，f表示共模電流的頻率，Ls表示環(huán)路面積，d表示測(cè)量天線到電纜的距離

共差模輻射的計(jì)算

其中I表示電流強(qiáng)度，f表示共模電流的頻率，L表示電纜線長(zhǎng)度，d表示測(cè)量天線到電纜的距離

解決EMI的主要途徑是減少電路板上由各種原因產(chǎn)生的輻射能量?？刂艵MI的關(guān)鍵，是降低電源地平面諧振和電路回流路徑阻抗，正確放置旁路和去耦電容。

實(shí)例

筆者使用EMISTREAM工具對(duì)板極的EMI問(wèn)題進(jìn)行分析。該工具是由日本NEC公司基于多年EMI設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件，各種PCB設(shè)計(jì)流程集成使用，在PCB制造之前解決EMI問(wèn)題。EMIStream軟件內(nèi)建13條經(jīng)典EMI檢查規(guī)則，可以完成全部網(wǎng)絡(luò)的EMI分析，以及電源諧振分析。軟件經(jīng)過(guò)日本NEC內(nèi)部產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證，每個(gè)檢查項(xiàng)目的設(shè)置值是經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的最佳理論值。

1.EMISTREAM分析流程

下圖是使用EMISTREAM對(duì)電路板進(jìn)行分析的設(shè)計(jì)流程

2.布局檢查

• 當(dāng)我們完成布局后，把ALLEGRO數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入EMISTREAM工具。這里需要提醒的一點(diǎn)，EMISTREAM和市場(chǎng)主流的EDA工具都有接口，保證數(shù)據(jù)的完全導(dǎo)入。
• 設(shè)定疊堆信息，根據(jù)PCB板中的疊堆信息，填寫入EMI.
• 根據(jù)電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，正確填寫電路中相關(guān)NET的頻率，串?dāng)_組，差分對(duì)，電源地信號(hào)的指定。
• 設(shè)置規(guī)則的參數(shù)，我們選擇采用默認(rèn)參數(shù)，同時(shí)選擇長(zhǎng)度檢查和最大輻射值檢查項(xiàng)目對(duì)該板實(shí)施檢查。

結(jié)果以對(duì)話框的形式顯示出來(lái)，用戶點(diǎn)擊錯(cuò)誤提示，查看有問(wèn)題的NET，采用如下方法

• 調(diào)整零件的布局位置，減少NET總的長(zhǎng)度
• 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少共模輻射的強(qiáng)度

3.布局布線后檢查

• 當(dāng)我們布局布線完成后，實(shí)施整板網(wǎng)絡(luò)檢查，我們通過(guò)NET Parameter選擇需要檢測(cè)的所有關(guān)鍵信號(hào)，比如時(shí)鐘，數(shù)據(jù)，地址線，差分對(duì)等，勾選13條規(guī)則同時(shí)檢查。
• 13規(guī)則包括如下
  1. 傳導(dǎo)輻射分析--- 2個(gè)規(guī)則
  2. 電流回路分析--- 3個(gè)規(guī)則
  3. 電源，地層----- 2個(gè)規(guī)則
  4. 信號(hào)完整性----- 4個(gè)規(guī)則
  5. 零件布局------- 2個(gè)規(guī)則
• 檢查結(jié)果以對(duì)話框的方式顯示出來(lái)，最上面或優(yōu)先級(jí)最大的錯(cuò)誤是相對(duì)重要的錯(cuò)誤，需要引起我們足夠的重視。
  
  例如，第一個(gè)錯(cuò)誤提示該網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有完整的電流回路，點(diǎn)擊該錯(cuò)誤，畫面放大顯示并用紅圈標(biāo)示錯(cuò)誤的位置。同時(shí)彈出對(duì)話框，圖示錯(cuò)誤的原因，并給出幾個(gè)修改建議/
  • 建議1：修改導(dǎo)線的路徑避免跨不同NET的銅箔，導(dǎo)致參考平面不完整，阻抗失配。
  • 建議2：修改銅箔的外形，使導(dǎo)線擁有完整的參考平面。
  第2個(gè)錯(cuò)誤是該網(wǎng)絡(luò)的最大輻射DB值，分為差模和共模輻射值，如圖所示
• 接下來(lái)發(fā)現(xiàn)銅箔的錯(cuò)誤，比如GND銅箔邊緣缺少過(guò)孔，以及過(guò)孔間距過(guò)大等。
• 串?dāng)_檢查幫助我們檢查同一層并行走的部分或相鄰層交叉的布線是否有串?dāng)_。
  建議修改并行太長(zhǎng)的導(dǎo)線。

4.電源地平面諧振分析

上面我們完成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的檢查并做了相應(yīng)的修改，接下來(lái)我們針對(duì)電源地平面進(jìn)行諧振分析。EMISTREAM通過(guò)模擬板的形狀和電源地平面之間形成的電容,并進(jìn)行建模,運(yùn)用SPICE電路仿真進(jìn)行解析。用紅色表示大的電壓波動(dòng),藍(lán)色表示小的電壓波動(dòng)。
首先我們對(duì)3V3的電源層面進(jìn)行分析，鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇3V3電源平面，填寫和3V3電源平面最近的GND平面的間距，介質(zhì)常數(shù)信息。修改Option選項(xiàng)中的計(jì)算網(wǎng)格大小為3毫米，設(shè)置掃描頻率從30MHz到2GHz,步長(zhǎng)為10MHz.點(diǎn)擊RUN開(kāi)始分析。

結(jié)果如下顯示

由上圖可以看出，電源地平面在1.5GHz附近有很多諧振點(diǎn)，左圖中，可以看出紅色的區(qū)域?yàn)殡妷翰▌?dòng)相對(duì)較大的地方。藍(lán)色為電壓波動(dòng)相對(duì)較小的地方。
解決方法：通過(guò)在電壓波動(dòng)相對(duì)較大的地方，增加退耦電容的方式來(lái)減少諧振。系統(tǒng)自帶常用電容的RLC模型，如果需要特別的RLC電容模型，用戶可以自由添加。我們?cè)趲讉€(gè)紅色地方添加C104的電容，需要注意一點(diǎn)的是，電容串聯(lián)電阻這樣的效果可能更好一些。再使用相同的設(shè)置，RUN一遍分析，得到明顯的改善，剛才紅色的區(qū)域都變成藍(lán)綠色，從2G以下的最大諧振值都降到-5DB以下,滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.總 結(jié)

印刷電路板的EMI問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要用各種方法來(lái)綜合處理，通過(guò)該案例的分析，我們發(fā)現(xiàn)

• EMISTREAM工具和Allegro設(shè)計(jì)工具的聯(lián)合使用，可以大大提高設(shè)計(jì)效率
• 可在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并解決EMI問(wèn)題，減少反復(fù)修改的次數(shù)，節(jié)約成本
• 提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間