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在真实世界中的EMI控制(简体中文完整版).pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：5.26M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 印刷电路板设计 在真实世界里的 EMI 控制 PCB Design for Real-World EMI Control By Bruce R. Archambeault Dr. Archambeault 为 IBM 之资深 EMI 工程师，在 EMI 之分析上有非常深入之 研究。我曾于 2002 年初参加过其于马里兰大学开办之一短期课程，受益良 多。同年 8 月间于 IEEE 研讨会寻得并购买本书，特将之整理编译以与大家 分享。 Bruce 上课之费用极为高昂，但确有其价值。我参加过其课程后曾与其联系 希望能促成其至台北开课，惜因时间、费用等因素未能实现，殊为可惜。但 花些时间研读其著作，相信也可让大家获益不少。 本书内容阐述许多 EMI 之基本观念，对于 EMI 工程师是很好的教科书。同 时对于相关之产品设计工程师，如电子、Layout、机构工程师，也是建立正 确 EMI 观念之教材。毕竟，好的 EMI 产品设计是要各部分配合的。阅读本 书可以知道要如何做好 EMI 设计，更重要的是知道其原理为何，让你不仅 可以知其然，更知其所以然。 Raymond Chang 编译 Ver2003/6/23 张兰光 第 1 页 / 共 137 页
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 目录 第一章 印刷电路板之 EMI/EMC 设计简介 .............. 3 第一节 EMI/EMC 介绍......................................3 第二节 EMI 干扰源 ...........................................4 第三节 电感 Inductance .....................................5 第四节 接地 Ground ..........................................5 第五节 屏蔽 Shielding .......................................5 第六节 结论........................................................6 第二章 EMC 基本观念............................................ 7 第一节 介绍........................................................7 第二节 耦合作用之发生机制 Coupling Mechanisms..........................................................7 第三节 信号频谱 Signal Spectra .......................9 第四节 谐振效应 Resonance Effects.................11 第五节 潜在的干扰源头....................................13 第六节 必要信号之内涵....................................14 第七节 总结........................................................14 第三章 电感是什么？.............................................. 15 第一节 介绍........................................................15 第二节 电磁感应 Electromagnetic Induction....15 第三节 互感........................................................16 第四节 自感 Self-Inductance .............................17 第五节 区域电感 Partial Inductance .................22 第六节 结论........................................................24 第四章 接地之谜思 The Ground Myth..................... 25 第一节 『地』这个名词是怎么来的？ ...........25 第二节 当我们说『Ground 地』时是什么意思？ ..............................................................................27 第三节 『地』并不是一个电流槽(Current Sink) ..............................................................................32 第四节 参考点策略............................................32 第五节 散热器与 PC 板之连接.........................33 第六节 PCB 参考与机壳参考之连接...............37 第七节 结论........................................................38 第五章 回返电流设计.............................................. 39 第一节 介绍........................................................39 第二节 分开的参考平面....................................40 第三节 线路布线变更参考平面........................44 第四节 主机板以及附加卡................................47 第五节 结论........................................................48 第六章 控制 EMI 源头 – 49 意图之信号 ..................... 第一节 介绍........................................................49 第二节 有危险的信号(Critical Signals) ............49 第三节 意图信号(Intentional Signals)...............49 第四节 意图信号—环路模式............................54 第五节 意图信号辐射之控制—环路模式 .......55 第六节 意图信号—共模....................................55 第七节 意图信号—共模与中断的回返路径 ...58 第八节 结论........................................................59 第七章 EMI 源头控制—非意图信号 ........................ 61 第四节 控制来自于『非意图信号-共模』之辐射 干扰...................................................................... 62 第五节 非意图信号—『串音』耦合到 I/O 线 .............................................................................. 65 第六节 控制非意图信号—串音耦合至 I/O 线 67 第七节 结论........................................................ 69 第八章 对电源/接地平面去耦合.............................. 70 第一节 介绍........................................................ 70 第二节 背景说明 ............................................... 70 第三节 计算去耦合噪声之源头 ....................... 71 第四节 去耦合电容之效果 ............................... 74 第五节 结论........................................................ 87 第九章 EMC 滤波器设计 ........................................ 88 第一节 介绍........................................................ 88 第二节 滤波器设计概念 ................................... 88 第三节 滤波器之组态 ....................................... 90 第四节 非理想组件对滤波器之影响 ............... 94 第五节 共模滤波器 Common-Mode Filters ..... 98 第六节 结论........................................................ 99 第十章 在 EMC 分析上使用信号完整性工具........... 100 第一节 介绍........................................................ 100 第二节 意图电流频谱 ....................................... 100 第三节 布线电流之去耦合分析 ....................... 104 第四节 差模信号分析 ....................................... 106 第五节 串音分析 Crosstalk Analysis ................ 109 第六节 结论........................................................ 109 第十一章 印刷电路板布局 Layout........................... 110 第一节 介绍........................................................ 110 第二节 PC 板的堆栈.......................................... 110 第三节 组件之放置 Component Placement...... 114 第四节 隔离 Isolation ........................................ 114 第五节 结论........................................................ 114 第十二章 有孔隙之屏蔽机壳................................... 116 第一节 介绍........................................................ 116 第二节 屏蔽机壳之共振模式 ........................... 117 第三节 屏蔽机壳 Shielded Enclosures.............. 121 第四节 预测有开口机壳的屏蔽效果 ............... 124 第五节 PC 板边缘的屏蔽 ............................... 125 第六节 电缆之屏蔽 ........................................... 126 第七节 结论...................................................... 127 第十三章 当产品在 EMC 实验室测试不通过时怎办 128 第一节 介绍........................................................ 128 第二节 信号从哪来？ ....................................... 128 第三节 信号是如何跑出屏蔽机壳的？ ........... 129 第四节 耦合之机制 ........................................... 131 第五节 结论........................................................ 132 第十四章 附录 A ..................................................... 133 第一节 介绍........................................................61 第二节 非意图信号............................................61 第三节 非意图信号—共模................................61 Raymond Chang 编译 Ver2003/6/23 第 2 页 / 共 137 页
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 EMI 造成导航 EMI 之规范。美国联邦通 第一章 印刷电路板之 EMI/EMC 设计简介 第一节 EMI/EMC 介绍 电磁干扰(EMI)与电磁兼容(EMC)最初是在 1940 及 1950 年代变成关切之议题， 大多是因为马达之噪声，经由电源线之传导影响到其它敏感之器材。在此一时 期，一直到 1960 年代，EMI/EMC 主要是在军事上之考虑，确保器材之电磁兼容 性。在一些意外事件中，如雷达之辐射造成武器之意外启动，或 系统之故障，所以，军事上首先关注到如飞机或船舰上之武器系统之问题。 到了 70 及 80 年计算机科技发展，来自计算机器材之干扰对广播电视机及无线电接收 造成严重之问题。美国政府因而对此些工业产品实行 讯委员会(FCC)发布了一系列之法规，以规范计算机器材之干扰强度，并定义了量 测之方法。同样的，欧洲及其它地区之政府也开始限制计算机产品产生之干扰。在 此一时期，EMI/EMC 之控制只局限在计算机、外围器材、以及计算机通讯产品。 在 1990 年代，在 EMI/EMC 上之规范扩大了很多；事实上，许多国家之输入管 制都将 EMI/EMC 规范加了进去。所有器材之兼容性，以及在整体环境中这些器 材都能够和谐的共同存在。干扰、对外界干扰之耐受、对静电放电之承受能力等， 不论是经由辐射或传导之媒介，都要受到控制。此控制也不再局限在计算机产品。 现在任何可能产生 EMI 干扰之产品，或是可能被他种电气器材干扰之产品，都 需要小心地进行测试。以前不需要 EMI/EMC 控制的产品现在都必须要符合管制 之规范，如洗碗机、录像机、工业器材、以及大部分之电子器材。 当商用产品进行了严格的 EMI/EMC 管制之时，军事产品也没有放松其 EMI/EMC 要求。事实上，由于更高度之自动化及更快之处理速度，军规之 EMI/EMC 控制 以成为所有军规要求中之一项重要部分。 对不同的人而言，EMI/EMC 控制代表着不同的涵义。对商业应用言，如录像机、 个人计算机、电视机等，其管制规范较之军规/TEMPEST 标准要松一些，但是。其 还是有一定之困难度。商用产品较松标准的结果是，设计人员常被要求要降低干 扰及耐受特性，以因应降低生产成本之目的。在 EMI/EMC 设计上之取舍很清楚， 但对于是否绝对需要某些 EMI/EMC 组件就没有那么清楚了。传统上，EMI/EMC 工程师使用以往之经验、公式、材料手册上之图表，来从事产品设计之各个阶段。 在大学或是任何机构里，很少有高质量之 EMI/EMC 工程师等级之训练，许多在 此领域工作之工程师，会发现到这种传统之方法会越来越不适用了。 军事，太空，以及其它因安全原因必须控制辐射之政府应用，武器系统，通讯等， 对 EMI/EMC 之要求都是远在商业要求之上。这些更高等级之考虑，需要更多之 EMI/EMC 设计，及更高之花费，同时还面对要降低成本之压力。 EMI/EMC 的问题是肇因于器材内之导体上之时变电流，称之为『di/dt 噪声』。 电流之变化产生了电磁场辐射。相反地，外来的电磁场能量也会导致电路上的 『di/dt 噪声』，造成错误的逻辑运算及器材之误动作。大多数的高速及快速上升 时间之信号会造成 EMI/EMC 问题。这些问题会被连接到该器材之导线电缆所放 大，在较低频率变成有效率之天线。典型之解决方案是使用屏蔽之外壳，对输出 入信号及电源线滤波，并且对机板上之信号线及电源平面提供滤波电路。而真正 Raymond Chang 编译 第 3 页 / 共 137 页 Ver2003/6/23
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 的问题是：『加多少才是足够？』以及『会不会加太多？』 许多 EMC 工程师都会强调在产品研发之初期就要密切注意到 EMC 设计，此一 『密切注意』通常只是在 EMC 设计准则中一长串的『要如何..』及『不要如何..』。 这些准则通常是根基于以往的产品经验，而且很多准则会互相抵触。我们缺少的 准则是，在根本原因分析中我们不真正的知道为什么我们需要这一项准则，或 者，更重要的，当某一项准则因有些设计限制而无法实施时应使用哪些替代方 法。设计者只是简单的被告知『这样做或是那样做..』。 典型的设计程序之结果如下： EMC 工程师提供给产品设计工程师一个 EMC 准则的表列。 产品设计者无法、或是不愿意遵循所有的 EMC 设计准则。 产品设计只使用了方便导入之 EMC 设计准则。 样品在 EMC 实验室中测试，无法通过。 EMC 工程师及设计工程师花费 2 周至 2 月的时间增加电容、ferrite bead 滤波、导电衬垫、金属弹片直到问题解决。 以修正过之 EMC 更新产品设计，开始量产准备。 这一设计流程的结果是延迟第一批货交货的时间以及增加产品成本，因为这些 EMC 零件并不是原始设计。显然的，这不是我们所希望的流程，但它是最常见 的流程。 本书之目的在于移除这些 EMC 设计流程之谜思。许多人将 EMC 设计看成是一 种黑箱魔术，大胆猜测，或是更差状况。EMC 设计是极端复杂的。有许多内部 连接之现象发生，许多是难以预测的，特别是在其同时发生时。如果每一个潜在 之干扰源都个别考虑到，那么可以一个个的对每个干扰源进行适当的设计对策， 这样，设计者就不会在看整个产品时感到疑惑了。 适当的 EMC 设计并不仅仅是一串的准则。其需要有完整的程序，考虑到每一潜 在源头以及依序一个个的解决。自然的，主要的目标还是要确保产品之功能不被 影响。如果，在设计阶段，EMC 的考虑与功能性之考虑都被包括且协调，则设 计者才能在两方面都获致成功。 第二节 EMI 干扰源 降低 EMI 最有效之方式是控制信号之分布以及它们的源头。所以，这些信号是 从哪里来的？这些信号的起源可能有很多种，但是最主要的干扰是来自于 IC 中 的高速切换电流。 几乎所有的 EMI 干扰来自于产品某处存在之共模电流。所有的这些共模电流都 来自于某些功能上之工作电流。如果这些工作电流能够好好控制，让它只含有工 作上所需之谐波，来自于高频谐波造成之不必要干扰就可以降低。 此一共模电流的来源最有可能是工作信号之回返电流路径。当电路布局工程师花 很多精神在连接电路间之路径时，很少会注意到回返电流路径。当频率信号在 10MHz 以下时，回返电流不会是个问题。现今，机板上之频率速度多至 200 至 400MHz，且数据总线之速度高达 1GHz 是很普通的，因此，信号之布线路径 Raymond Chang 编译 第 4 页 / 共 137 页 Ver2003/6/23
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 应该视为是微波传输线(Transmission line)。不论是对 EMC 特性或是功能特性而 言，信号线之高频回返电流路径都是非常重要的。 第三节 电感 Inductance 一个通常被误解的观念是对于电感的认知。初级工程师把电感认为是一个特定之 零件，如在电感器(Inductor)及变压器组件中，而很少考虑到在接地参考平面、信 号布线等等电流路径上之电感。有电流流经一个环路，就会有电感的存在。有时 候我们并不知道整个的路径，并且整个路径中也可能只有部分区域会造成辐射， 所以区域电感的观念也很重要。将区域电感组合起来，就可构成完整的环路电感 了。也就是说，若是路径一部份之区域电感被考虑到且将其降低了，则整个路径 的总电感也就降低了。 现今产品所使用的高速信号使得环路电感及区域电感变的比以往都要重要。即使 是一个完美的超导体都会有电感。当电流流过电感阻抗时，会产生一个电位差。 此一电位差会导致接地参考平面的噪声、信号位准降低、造成 EMI 辐射的产生。 第四节 接地 Ground 如果说电感是一个经常被误解的观念，那么『接地』就是『最常』被误解。当使 用『接地 Ground』这个词汇时，设计者通常是指许多种不同的事。它可能是指 相对于 50/60Hz 之交流电源之安全接地(Safety earth reference)。它可能是指对高 速布线之信号参考点(Signal reference)。它可能是指在 PCB 上之电源回返(Power return)，或者，它可能是指金属机壳之机壳接地点(Chassis reference)。它甚至也 可能指的是真正的大地接地点(Earth ground)，像是在 EMI 开放测试场地(OATS) 中的金属地平面一样。 很清楚的，在所有的这些场合中『接地 Ground』这个字不可能都是同样的电位 位准，但这却是最原始『接地 Ground』的定义。『接地 Ground』是一个零电位 的点。实际上，『接地 Ground』或是『零电位』只存在于无限值(infinite)，因之， 除非我们使用了非常长的导线，否则真正的零接地电位是不可能存在我们的产品 之中。 较清楚且明确的表示法是将在不同之场合将『接地』描述成说：『大地接地 Earth-Ground』、『接地参考点 Ground-reference』、『电源参考点 Power-reference』、 『机壳参考点 Chassis-reference』，等等。则说的人与听的人就都可以明白了。 第五节 屏蔽 Shielding 另外一个在 EMC 中容易误解的是屏蔽的观念。古典的屏蔽理论讲的是一个平面 波撞击到一个有开孔的屏蔽物。以我们现在所接触的产品的构造言之，设计者所 要面对的撞击有开孔的屏蔽物的并不会是平面波，所以使用古典之趋近法可能会 误导结论。 在典型的产品中，能量的来源很靠近外壳之屏蔽及开孔。此一密切靠近之结构， 使得在与屏蔽间存在电容、电感、或是电磁耦合感应电流。能量来源与屏蔽体间 之距离是非常重要的，会造成耦合现象之巨大差异。在屏蔽上生成之感应电流找 到适当之开孔，就会将能量转移到屏蔽体之外，变成辐射干扰了。 Raymond Chang 编译 第 5 页 / 共 137 页 Ver2003/6/23
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 EMC，并且持续到 第六节 结论 对 PCB 洽当的 EMC 设计，最有效果的方法是考虑到每个不同的信号源头，并且 在信号源头将其控制住。后面之几章将会详细的说明不同之信号源头，以及如何 来控制每一个个别的来源。在设计阶段的早期就必须要考虑 全部的设计阶段。 很重要的是不要把 EMC 设计看成是一个简单流程的步骤。在设计进行中，有许 多工程上的折衷方案(trade-offs)要考虑。如果设计者了解到我们的目标，并且了 解到发生 EMI 辐射的源头在哪里及如何去控制它，那这个设计者就能够很成功 的掌握并做出正确的折衷判断。如果 EMC 的设计流程只是遵循一连串的准则， 哪么当这个准则变得很困难或是无法实现时，此准则就会被忽略掉，此产品就会 失败，那么整个流程就要再来过一次。 为了要完整的了解跟干扰源头有关的完整程序，一些基本观念必须要了解的很清 楚，譬如说『接地』、『电感』及『屏蔽』。在这些方面有很多的错误观念，本书 的目的就是要协助来了解并降低对它们的误解。 Raymond Chang 编译 第 6 页 / 共 137 页 Ver2003/6/23
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 第二章 EMC 基本观念 第一节 介绍 关于 EMC 一个最基本的事实就是它不是魔术也不是巫术。它是关系于电流，电 场及磁场耦合，以及电磁场辐射的现象。在个个单一电子组件之互动关系是非常 复杂的，难以个别同时观察到。为了要正确的了解到这些不同的问题，最好把整 个的复杂问题区分成小的，离散的问题以便能容易的了解。这样就能应用简单的 科学与工程原则来成功的解析。 此一章节将介绍 EMC 问题的一些基础观念。在能将整个的复杂问题区分成小 的，离散的问题并妥善解决之前，必须要先了解这些基础观念。许多 EMC 工程 师常用的方法是『试试看就知道 (Root cause analysis)时考虑到很多很小的东西(好像是说物理定律在此产品上会 不同似的)。当产品在 EMC 测试不通过时，会试着这里加个电容，那里加个 ferrite bead，或在别处加上个导电衬垫。最后，某些组合发生了作用，此产品通过了 EMC 测试。另外一种方式是使用『散弹枪 Shot gun』策略。以这种方式，设计 工程师把所有可能的滤波器、滤波电路、屏蔽设计都加上去，希望某些能发挥作 用。此种方式会增加产品之成本，更不会是最佳的设计。 第二节 耦合作用之发生机制 Coupling Mechanisms 耦合发生的两种机制是电场耦合与磁场耦合。从噪声源耦合到其有效辐射天线之 机制可能是电场、可能是磁场耦合，也可能是两者皆有。要知道如何控制他们， 就要先了解这些耦合的机制，以及其会如何的影响产品设计。 Try-it-and-see』。也就是说，在做根本原因分析 第一项 电场耦合 Electric Field Coupling 电场耦合是因为位移电流(displacement current)之电容性效应而产生。亦即，我们 并没有要电流流经某一特定方向，但是因为有一自然形成的寄生电容对电流提供 了一个低阻抗的路径，此路径之阻抗较设计上的电流路径阻抗要低。电流永远是 需要一个完整的环路，所以环路之阻抗是一个重要之因素。 例如说，图 2-1 中显示典型的 PC 之印刷线路板。一频率缓冲器驱动一条线路， 该线路靠近一个装有散热器之大型 IC。当此线路布线途经散热器时，在线路布 线与散热器之间有一个寄生电容产生。同时在散热器与频率缓冲器之间也有寄生 电容之存在。(当然，在散热器与接收器、与屏蔽、与系统之其它组件之间都会 有寄生电容，但是在本例中很小，因此不致影响 EMC 之特性。)此一电容之阻抗 为 此处 C = 电容量 Capacitance f = 频率 Raymond Chang 编译 Xcj = 1 2π fC ……………….. (2.1) Ver2003/6/23 第 7 页 / 共 137 页
    印刷电路板设计--在真实世界里的 EMI 控制 寄生电容 频率缓冲器 Clock Buffer 线路布线 寄生电容 接收端 receiver 图 2-1 有组件之印刷电路板 电容量之大小决定于其几何结构。而阻抗会随频率不同而异。在相同结构下，对 越高频率的谐波其阻抗越低。 再次提醒，所有的电流都必须要流经完整的环路以回到其源头。在此例子里，我 们希望对于所有谐波之电流，其电流路径都是流经频率缓冲器，经线路布线到接 收端，然后再经由接地参考平面回到频率缓冲器。然而在此例中，在线路布线与 散热器间之寄生电容，以及在散热器与频率缓冲器间之寄生电容，提供了比上述 路径还要低阻抗的路径，造成了有一部份之电流流经过散热器。若我们没有注意 到此一回返电流路径，则散热器在体积上是比线路布线要大多了的辐射器。因此 散热器会成为一个有效率的辐射器，特别对于高频段之谐波，造成了不必要的辐 射干扰，到最后就需要藉助屏蔽之机壳来隔离。 第二项 磁场耦合 Magnetic Field Coupling 磁场耦合是因为传导电流(conduction current)之电感性效应而产生。在此例中， 我们希望电流能以某一特定方向流动，但是自然生成之寄生电感对电流提供了 一个比原来路径要较低阻抗的路径。因为电流必须总是要流经完整环路，故环路 阻抗再次地是一个重要的因素。 例如说，图 2-2a 表示在一个印刷电路板上 的两个贯穿孔，此贯穿孔穿过两个完整平 面( 假设说是电源与接地平面)。在此例 中，使用前面曾讨论过之频率缓冲器，不 同的是，现在线路布线埋到板子的不同层 中间(如图 2-2b)，以改善前项讨论之电场 耦合效应。通常线路布线在有些位置必须 要 改 变 布 线 层 以 闪 避 其 他 之 布 线 或 元 件，此信号电流就如图 2-2b 所示流经贯穿 孔。 Raymond Chang 编译 图 2-2a 印刷电路板上之贯穿孔 图 2-2b 印刷电路板上之贯穿孔(内部) 贯穿孔 vias 线路布线 贯穿孔 Ver2003/6/23 第 8 页 / 共 137 页 布线层
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