EMC(Electromagnetic Compatibility,电磁兼容)是很多电子工程师头疼的问题,特别是新手,做出来的板子功能一切正常,一到EMC测试就过不了——要么辐射发射超标,要么传导发射超标,要么静电放电一打就死机。EMC设计不是做完板子再改,而是要在设计初期就考虑进去,不然改起来成本极高。今天就聊聊10个让产品容易过EMC的实用技巧。
第一个技巧:重视地平面设计。PCB上的地线不是随便铺一铺就行的,完整的地平面是抑制EMC最有力的武器。多层板的话,建议专门拿一层做地平面,不要在地平面上随意挖槽(除了连接器位置)。地平面的作用有三个:一是为信号提供低阻抗的回流路径,回流路径短了,辐射就小;二是作为高频信号的参考平面,信号完整性更好;三是屏蔽来自底层的辐射干扰。单层板和双层板没有完整地平面,EMC难度大很多,这时候就要注意关键信号下方尽量铺地。
第二个技巧:开关节点要远离。开关电源里的开关管漏极、电感、变压器这些节点电压跳变剧烈(du/dt大),是主要的辐射源。这些开关节点的走线要尽量短、面积尽量小,远离信号走线和敏感电路。同时要给开关回路的元件就近放置,让高频回路的面积最小化。比如Buck电路的开关管和电感要挨得很近,输出电容要紧贴在电感输出端,这样高频环流才能在一个很小的回路里闭合,对外辐射就少。
第三个技巧:输入端加EMI滤波器。这是最直接的EMI手段,任何带电源线的设备都应该加。EMI滤波器的基本组成是X电容加Y电容加共模电感。X电容接在火线和零线之间,抑制差模干扰,容量一般选0.1μF到1μF,注意要用安规电容(X2类)。Y电容接火线/零线到安全地,抑制共模干扰,容量选小一点,一般2200pF到4700pF,太大了漏电流会超。共模电感放在X电容之后,抑制线缆上的共模辐射。
第四个技巧:高速走线控制阻抗。高速数字信号(比如DDR、USB、以太网)如果走线阻抗不连续,会产生反射,反射带来的过冲和振铃会增加EMI辐射。PCB上要控制走线的特征阻抗,一般要求单端信号50Ω差分信号100Ω。阻抗控制需要考虑走线宽度、介质厚度、介电常数,可以用PCB厂商的阻抗计算器来算。换层的时候要用过孔,过孔周围不要挖地太多,过孔的寄生参数对高速信号有影响。
第五个技巧:接口电路加保护。所有对外接口(USB、网口、串口、视频接口等)都有可能引入或传出干扰,要加适当的EMI保护。常用的保护器件有:TVS管抑制瞬态脉冲,共模电感抑制线缆上的辐射,磁珠隔离噪声,0Ω电阻或者串阻隔离数字地和模拟地。另外,接口连接器的金属外壳一定要接地,这样线缆上感应的干扰可以通过外壳泄放到地。
第六个技巧:合理处理数字地和模拟地。很多新手纠结数字地和模拟地要不要分开,其实这个问题没有标准答案。一般的原则是:低速电路可以分开,最后在一个点(通常在ADC的模拟地引脚下面)连起来;高速电路建议不分开,用完整地平面,通过走线长度和元件位置来隔离。不管分不分地,模拟信号回路的面积要尽量小,模拟电路的电源要经过LC滤波或者磁珠隔离。
第七个技巧:给高频噪声源加屏蔽。比如开关电源的变压器、电感,如果辐射特别严重,可以考虑用金属罩屏蔽。金属罩要接地(接到地平面上),不然反而会成为辐射放大器。另外,时钟晶振是高频噪声源,晶振下面要铺地,晶振外壳如果是金属的也要接地。高速时钟线周围尽量不要走其他信号线。
第八个技巧:静电放电防护要到位。ESD(Electrostatic Discharge)是EMC的另一个测试项,产品对静电放电的抗扰度不够会导致死机、复位甚至损坏。防护思路有三个:一是静电泄放路径,ESD放电时要提供一个低阻抗的路径让静电快速泄放到地,不要经过敏感电路;二是钳位保护,用TVS管或者稳压二极管把过电压钳位到安全范围内;三是隔离,可以用光耦或者隔离器件把静电放电区域和核心电路隔离开。
第九个技巧:线缆处理。产品对外的连接线(电源线、信号线)是EMC辐射的主要出口。电源线要用屏蔽线,屏蔽层在两端(设备端和插头端)都要接地。信号线(比如USB、以太网)本身是差分信号,共模辐射比较小,但如果线太长或者附近有强干扰,还是建议用屏蔽线或者磁环滤波。线材的质量也很重要,劣质线材屏蔽层不好,EMC肯定过不了。
第十个技巧:用仿真和预测试提前发现问题。现在PCB设计工具都支持EMC仿真,可以在画板的时候就跑一跑,看看有没有大的辐射热点。实际测试方面,公司有条件的话可以买个EMC探头配合频谱分析仪,在板子还没装外壳的时候就扫一遍,找到辐射大的位置针对性整改。EMC整改越晚成本越高,等量产了才发现问题,损失就大了。
下一篇:没有了