在真實世界中的EMI控制(中文完整版).pdf

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印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制印刷電路板設計在真實世界裡的 EMI 控制 PPPCCCBBB DDDeeesssiiigggnnn fffooorrr RRReeeaaalll---WWWooorrrlllddd EEEMMMIII CCCooonnntttrrrooolll By Bruce R. Archambeault Dr. Archambeault 為 IBM 之資深 EMI 工程師，在 EMI 之分析上有非常深入之研究。我曾於 2002 年初參加過其於馬里蘭大學開辦之一短期課程，受益良多。同年 8 月間於 IEEE 研討會尋得並購買本書，特將之整理編譯以與大家分享。 Bruce 上課之費用極為高昂，但確有其價值。我參加過其課程後曾與其聯繫希望能促成其至台北開課，惜因時間、費用等因素未能實現，殊為可惜。但花些時間研讀其著作，相信也可讓大家獲益不少。本書內容闡述許多 EMI 之基本觀念，對於 EMI 工程師是很好的教科書。同時對於相關之產品設計工程師，如電子、Layout、機構工程師，也是建立正確 EMI 觀念之教材。畢竟，好的 EMI 產品設計是要各部分配合的。閱讀本書可以知道要如何做好 EMI 設計，更重要的是知道其原理為何，讓你不僅可以知其然，更知其所以然。張蘭光 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 1 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制目錄第一章印刷電路板之 EMI/EMC 設計簡介 .............. 3 第一節 EMI/EMC 介紹......................................3 第二節 EMI 干擾源 ...........................................4 第三節電感 Inductance .....................................5 第四節接地 Ground ..........................................5 第五節屏蔽 Shielding .......................................5 第六節結論........................................................6 第二章 EMC 基本觀念 ............................................ 7 第一節介紹........................................................7 第二節耦合作用之發生機制 Coupling Mechanisms..........................................................7 第三節信號頻譜 Signal Spectra .......................9 第四節諧振效應 Resonance Effects.................11 第五節潛在的干擾源頭....................................13 第六節必要信號之內涵....................................14 第七節總結........................................................14 第三章電感是什麼？.............................................. 15 第一節介紹........................................................15 第二節電磁感應 Electromagnetic Induction....15 第三節互感........................................................16 第四節自感 Self-Inductance .............................17 第五節區域電感 Partial Inductance .................22 第六節結論........................................................24 第四章接地之謎思 The Ground Myth..................... 25 第一節『地』這個名詞是怎麼來的？ ...........25 第二節當我們說『Ground 地』時是什麼意思？ ..............................................................................27 第三節『地』並不是一個電流槽(Current Sink) ..............................................................................32 第四節參考點策略............................................32 第五節散熱器與 PC 板之連接.........................33 第六節 PCB 參考與機殼參考之連接...............37 第七節結論........................................................38 第五章迴返電流設計.............................................. 39 第一節介紹........................................................39 第二節分開的參考平面....................................40 第三節線路佈線變更參考平面........................44 第四節主機板以及附加卡................................47 第五節結論........................................................48 第六章控制 EMI 源頭 – 意圖之信號 ..................... 49 第一節介紹........................................................49 第二節有危險的信號(Critical Signals)............49 第三節意圖信號(Intentional Signals)...............49 第四節意圖信號—環路模式............................54 第五節意圖信號輻射之控制—環路模式 .......55 第六節意圖信號—共模....................................55 第七節意圖信號—共模與中斷的迴返路徑 ...58 第八節結論........................................................59 第七章 EMI 源頭控制—非意圖信號 ........................ 61 第一節介紹........................................................61 第二節非意圖信號............................................61 第三節非意圖信號—共模................................61 第四節控制來自於『非意圖信號-共模』之輻射干擾...................................................................... 62 第五節非意圖信號—『串音』耦合到 I/O 線 .............................................................................. 65 第六節控制非意圖信號—串音耦合至 I/O 線 67 第七節結論........................................................ 69 第八章對電源/接地平面去耦合 .............................. 70 第一節介紹........................................................ 70 第二節背景說明 ............................................... 70 第三節計算去耦合雜訊之源頭 ....................... 71 第四節去耦合電容之效果 ............................... 74 第五節結論........................................................ 87 第九章 EMC 濾波器設計 ........................................ 88 第一節介紹........................................................ 88 第二節濾波器設計概念 ................................... 88 第三節濾波器之組態 ....................................... 90 第四節非理想元件對濾波器之影響 ............... 94 第五節共模濾波器 Common-Mode Filters ..... 98 第六節結論........................................................ 99 第十章在 EMC 分析上使用信號完整性工具........... 100 第一節介紹........................................................ 100 第二節意圖電流頻譜 ....................................... 100 第三節佈線電流之去耦合分析 ....................... 104 第四節差模信號分析 ....................................... 106 第五節串音分析 Crosstalk Analysis ................ 109 第六節結論........................................................ 109 第十一章印刷電路板佈局 Layout........................... 110 第一節介紹........................................................ 110 第二節 PC 板的堆疊.......................................... 110 第三節元件之放置 Component Placement...... 114 第四節隔離 Isolation ........................................ 114 第五節結論........................................................ 114 第十二章有孔隙之屏蔽機殼................................... 116 第一節介紹........................................................ 116 第二節屏蔽機殼之共振模式 ........................... 117 第三節屏蔽機殼 Shielded Enclosures.............. 121 第四節預測有開口機殼的屏蔽效果 ............... 124 第五節 PC 板邊緣的屏蔽 ............................... 125 第六節電纜之屏蔽 ........................................... 126 第七節結論...................................................... 127 第十三章當產品在 EMC 實驗室測試不通過時怎辦 128 第一節介紹........................................................ 128 第二節信號從哪來？ ....................................... 128 第三節信號是如何跑出屏蔽機殼的？ ........... 129 第四節耦合之機制 ........................................... 131 第五節結論........................................................ 132 第十四章附錄 A..................................................... 133 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 2 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制第一章印刷電路板之 EMI/EMC 設計簡介第一節 EMI/EMC 介紹電磁干擾(EMI)與電磁相容(EMC)最初是在 1940 及 1950 年代變成關切之議題，大多是因為馬達之雜訊，經由電源線之傳導影響到其他敏感之器材。在此一時期，一直到 1960 年代，EMI/EMC 主要是在軍事上之考量，確保器材之電磁相容性。在一些意外事件中，如雷達之輻射造成武器之意外啟動，或 EMI 造成導航系統之故障，所以，軍事上首先關注到如飛機或船艦上之武器系統之問題。到了 70 及 80 年電腦科技發展，來自電腦器材之干擾對廣播電視機及無線電接收造成嚴重之問題。美國政府因而對此些工業產品採行 EMI 之規範。美國聯邦通訊委員會(FCC)發布了一系列之法規，以規範電腦器材之干擾強度，並定義了量測之方法。同樣的，歐洲及其他地區之政府也開始限制電腦產品產生之干擾。在此一時期，EMI/EMC 之控制只侷限在電腦、週邊器材、以及電腦通訊產品。在 1990 年代，在 EMI/EMC 上之規範擴大了很多；事實上，許多國家之輸入管制都將 EMI/EMC 規範加了進去。所有器材之相容性，以及在整體環境中這些器材都能夠和諧的共同存在。干擾、對外界干擾之耐受、對靜電放電之承受能力等，不論是經由輻射或傳導之媒介，都要受到控制。此控制也不再侷限在電腦產品。現在任何可能產生 EMI 干擾之產品，或是可能被他種電氣器材干擾之產品，都需要小心地進行測試。以前不需要 EMI/EMC 控制的產品現在都必須要符合管制之規範，如洗碗機、錄影機、工業器材、以及大部分之電子器材。當商用產品進行了嚴格的 EMI/EMC 管制之時，軍事產品也沒有放鬆其 EMI/EMC 要求。事實上，由於更高度之自動化及更快之處理速度，軍規之 EMI/EMC 控制以成為所有軍規要求中之一項重要部分。對不同的人而言，EMI/EMC 控制代表著不同的涵義。對商業應用言，如錄影機、個人電腦、電視機等，其管制規範較之軍規/TEMPEST 標準要鬆一些，但是。其還是有一定之困難度。商用產品較鬆標準的結果是，設計人員常被要求要降低干擾及耐受特性，以因應降低生產成本之目的。在 EMI/EMC 設計上之取捨很清楚，但對於是否絕對需要某些 EMI/EMC 元件就沒有那麼清楚了。傳統上，EMI/EMC 工程師使用以往之經驗、公式、材料手冊上之圖表，來從事產品設計之各個階段。在大學或是任何機構裡，很少有高品質之 EMI/EMC 工程師等級之訓練，許多在此領域工作之工程師，會發現到這種傳統之方法會越來越不適用了。軍事，太空，以及其他因安全原因必須控制輻射之政府應用，武器系統，通訊等，對 EMI/EMC 之要求都是遠在商業要求之上。這些更高等級之考量，需要更多之 EMI/EMC 設計，及更高之花費，同時還面對要降低成本之壓力。 EMI/EMC 的問題是肇因於器材內之導體上之時變電流，稱之為『di/dt 雜訊』。電流之變化產生了電磁場輻射。相反地，外來的電磁場能量也會導致電路上的『di/dt 雜訊』，造成錯誤的邏輯運算及器材之誤動作。大多數的高速及快速上升時間之信號會造成 EMI/EMC 問題。這些問題會被連接到該器材之導線電纜所放大，在較低頻率變成有效率之天線。典型之解決方案是使用屏蔽之外殼，對輸出入信號及電源線濾波，並且對機板上之信號線及電源平面提供濾波電路。而真正 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 3 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制的問題是：『加多少才是足夠？』以及『會不會加太多？』許多 EMC 工程師都會強調在產品研發之初期就要密切注意到 EMC 設計，此一『密切注意』通常只是在 EMC 設計準則中一長串的『要如何..』及『不要如何..』。這些準則通常是根基於以往的產品經驗，而且很多準則會互相牴觸。我們缺少的準則是，在根本原因分析中我們不真正的知道為什麼我們需要這一項準則，或者，更重要的，當某一項準則因有些設計限制而無法實施時應使用哪些替代方法。設計者只是簡單的被告知『這樣做或是那樣做..』。典型的設計程序之結果如下： EMC 工程師提供給產品設計工程師一個 EMC 準則的表列。產品設計者無法、或是不願意遵循所有的 EMC 設計準則。產品設計只使用了方便導入之 EMC 設計準則。樣品在 EMC 實驗室中測試，無法通過。 EMC 工程師及設計工程師花費 2 週至 2 月的時間增加電容、ferrite bead 濾波、導電襯墊、金屬彈片直到問題解決。以修正過之 EMC 更新產品設計，開始量產準備。這一設計流程的結果是延遲第一批貨交貨的時間以及增加產品成本，因為這些 EMC 零件並不是原始設計。顯然的，這不是我們所希望的流程，但它是最常見的流程。本書之目的在於移除這些 EMC 設計流程之謎思。許多人將 EMC 設計看成是一種黑箱魔術，大膽猜測，或是更差狀況。EMC 設計是極端複雜的。有許多內部連接之現象發生，許多是難以預測的，特別是在其同時發生時。如果每一個潛在之干擾源都個別考慮到，那麼可以一個個的對每個干擾源進行適當的設計對策，這樣，設計者就不會在看整個產品時感到疑惑了。適當的 EMC 設計並不僅僅是一串的準則。其需要有完整的程序，考慮到每一潛在源頭以及依序一個個的解決。自然的，主要的目標還是要確保產品之功能不被影響。如果，在設計階段，EMC 的考慮與功能性之考量都被包括且協調，則設計者才能在兩方面都獲致成功。第二節 EMI 干擾源降低 EMI 最有效之方式是控制信號之分布以及它們的源頭。所以，這些信號是從哪裡來的？這些信號的起源可能有很多種，但是最主要的干擾是來自於 IC 中的高速切換電流。幾乎所有的 EMI 干擾來自於產品某處存在之共模電流。所有的這些共模電流都來自於某些功能上之工作電流。如果這些工作電流能夠好好控制，讓它只含有工作上所需之諧波，來自於高頻諧波造成之不必要干擾就可以降低。此一共模電流的來源最有可能是工作信號之迴返電流路徑。當電路佈局工程師花很多精神在連接電路間之路徑時，很少會注意到迴返電流路徑。當時脈信號在 10MHz 以下時，迴返電流不會是個問題。現今，機板上之時脈速度多至 200 至 400MHz，且資料匯流排之速度高達 1GHz 是很普通的，因此，信號之佈線路徑 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 4 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制應該視為是微波傳輸線(Transmission line)。不論是對 EMC 特性或是功能特性而言，信號線之高頻迴返電流路徑都是非常重要的。第三節電感 Inductance 一個通常被誤解的觀念是對於電感的認知。初級工程師把電感認為是一個特定之零件，如在電感器(Inductor)及變壓器元件中，而很少考慮到在接地參考平面、信號佈線等等電流路徑上之電感。有電流流經一個環路，就會有電感的存在。有時候我們並不知道整個的路徑，並且整個路徑中也可能只有部分區域會造成輻射，所以區域電感的觀念也很重要。將區域電感組合起來，就可構成完整的環路電感了。也就是說，若是路徑一部份之區域電感被考慮到且將其降低了，則整個路徑的總電感也就降低了。現今產品所使用的高速信號使得環路電感及區域電感變的比以往都要重要。即使是一個完美的超導體都會有電感。當電流流過電感阻抗時，會產生一個電位差。此一電位差會導致接地參考平面的雜訊、信號位準降低、造成 EMI 輻射的產生。第四節接地 Ground 如果說電感是一個經常被誤解的觀念，那麼『接地』就是『最常』被誤解。當使用『接地 Ground』這個詞彙時，設計者通常是指許多種不同的事。它可能是指相對於 50/60Hz 之交流電源之安全接地(Safety earth reference)。它可能是指對高速佈線之信號參考點(Signal reference)。它可能是指在 PCB 上之電源迴返(Power return)，或者，它可能是指金屬機殼之機殼接地點(Chassis reference)。它甚至也可能指的是真正的大地接地點(Earth ground)，像是在 EMI 開放測試場地(OATS) 中的金屬地平面一樣。很清楚的，在所有的這些場合中『接地 Ground』這個字不可能都是同樣的電位位準，但這卻是最原始『接地 Ground』的定義。『接地 Ground』是一個零電位的點。實際上，『接地 Ground』或是『零電位』只存在於無限值(infinite)，因之，除非我們使用了非常長的導線，否則真正的零接地電位是不可能存在我們的產品之中。較清楚且明確的表示法是將在不同之場合將『接地』描述成說：『大地接地 Earth-Ground』、『接地參考點 Ground-reference』、『電源參考點 Power-reference』、『機殼參考點 Chassis-reference』，等等。則說的人與聽的人就都可以明白了。第五節屏蔽 Shielding 另外一個在 EMC 中容易誤解的是屏蔽的觀念。古典的屏蔽理論講的是一個平面波撞擊到一個有開孔的屏蔽物。以我們現在所接觸的產品的構造言之，設計者所要面對的撞擊有開孔的屏蔽物的並不會是平面波，所以使用古典之趨近法可能會誤導結論。在典型的產品中，能量的來源很靠近外殼之屏蔽及開孔。此一密切靠近之結構，使得在與屏蔽間存在電容、電感、或是電磁耦合感應電流。能量來源與屏蔽體間之距離是非常重要的，會造成耦合現象之巨大差異。在屏蔽上生成之感應電流找到適當之開孔，就會將能量轉移到屏蔽體之外，變成輻射干擾了。 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 5 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制第六節結論對 PCB 洽當的 EMC 設計，最有效果的方法是考慮到每個不同的信號源頭，並且在信號源頭將其控制住。後面之幾章將會詳細的說明不同之信號源頭，以及如何來控制每一個個別的來源。在設計階段的早期就必須要考慮 EMC，並且持續到全部的設計階段。很重要的是不要把 EMC 設計看成是一個簡單流程的步驟。在設計進行中，有許多工程上的折衷方案(trade-offs)要考慮。如果設計者了解到我們的目標，並且了解到發生 EMI 輻射的源頭在哪裡及如何去控制它，那這個設計者就能夠很成功的掌握並做出正確的折衷判斷。如果 EMC 的設計流程只是遵循一連串的準則，哪麼當這個準則變得很困難或是無法實現時，此準則就會被忽略掉，此產品就會失敗，那麼整個流程就要再來過一次。為了要完整的了解跟干擾源頭有關的完整程序，一些基本觀念必須要了解的很清楚，譬如說『接地』、『電感』及『屏蔽』。在這些方面有很多的錯誤觀念，本書的目的就是要協助來了解並降低對它們的誤解。 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 6 頁 / 共 137 頁

印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制第二章 EMC 基本觀念第一節介紹關於 EMC 一個最基本的事實就是它不是魔術也不是巫術。它是關係於電流，電場及磁場耦合，以及電磁場輻射的現象。在個個單一電子元件之互動關係是非常複雜的，難以個別同時觀察到。為了要正確的了解到這些不同的問題，最好把整個的複雜問題區分成小的，離散的問題以便能容易的了解。這樣就能應用簡單的科學與工程原則來成功的解析。此一章節將介紹 EMC 問題的一些基礎觀念。在能將整個的複雜問題區分成小的，離散的問題並妥善解決之前，必須要先了解這些基礎觀念。許多 EMC 工程師常用的方法是『試試看就知道 Try-it-and-see』。也就是說，在做根本原因分析 (Root cause analysis)時考慮到很多很小的東西(好像是說物理定律在此產品上會不同似的)。當產品在 EMC 測試不通過時，會試著這裡加個電容，那裡加個 ferrite bead，或在別處加上個導電襯墊。最後，某些組合發生了作用，此產品通過了 EMC 測試。另外一種方式是使用『散彈槍 Shot gun』策略。以這種方式，設計工程師把所有可能的濾波器、濾波電路、屏蔽設計都加上去，希望某些能發揮作用。此種方式會增加產品之成本，更不會是最佳的設計。第二節耦合作用之發生機制 Coupling Mechanisms 耦合發生的兩種機制是電場耦合與磁場耦合。從雜訊源耦合到其有效輻射天線之機制可能是電場、可能是磁場耦合，也可能是兩者皆有。要知道如何控制他們，就要先了解這些耦合的機制，以及其會如何的影響產品設計。第一項電場耦合 Electric Field Coupling 電場耦合是因為位移電流(displacement current)之電容性效應而產生。亦即，我們並沒有要電流流經某一特定方向，但是因為有一自然形成的寄生電容對電流提供了一個低阻抗的路徑，此路徑之阻抗較設計上的電流路徑阻抗要低。電流永遠是需要一個完整的環路，所以環路之阻抗是一個重要之因素。例如說，圖 2-1 中顯示典型的 PC 之印刷線路板。一時脈緩衝器驅動一條線路，該線路靠近一個裝有散熱器之大型 IC。當此線路佈線途經散熱器時，在線路佈線與散熱器之間有一個寄生電容產生。同時在散熱器與時脈緩衝器之間也有寄生電容之存在。(當然，在散熱器與接收器、與屏蔽、與系統之其他元件之間都會有寄生電容，但是在本例中很小，因此不致影響 EMC 之特性。)此一電容之阻抗為 X c = j 1 fC π2 ……………….. (2.1) 此處 C = 電容量 Capacitance f = 頻率 Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 7 頁 / 共 137 頁

寄生電容時脈緩衝器 Clock Buffer 印刷電路板設計--在真實世界裡的EMI控制寄生電容線路佈線接收端 receiver 圖 2-1 有元件之印刷電路板電容量之大小決定於其幾何結構。而阻抗會隨頻率不同而異。在相同結構下，對越高頻率的諧波其阻抗越低。再次提醒，所有的電流都必須要流經完整的環路以回到其源頭。在此例子裡，我們希望對於所有諧波之電流，其電流路徑都是流經時脈緩衝器，經線路佈線到接收端，然後再經由接地參考平面回到時脈緩衝器。然而在此例中，在線路佈線與散熱器間之寄生電容，以及在散熱器與時脈緩衝器間之寄生電容，提供了比上述路徑還要低阻抗的路徑，造成了有一部份之電流流經過散熱器。若我們沒有注意到此一迴返電流路徑，則散熱器在體積上是比線路佈線要大多了的輻射器。因此散熱器會成為一個有效率的輻射器，特別對於高頻段之諧波，造成了不必要的輻射干擾，到最後就需要藉助屏蔽之機殼來隔離。第二項磁場耦合 Magnetic Field Coupling 磁場耦合是因為傳導電流(conduction current)之電感性效應而產生。在此例中，我們希望電流能以某一特定方向流動，但是自然生成之寄生電感對電流提供了一個比原來路徑要較低阻抗的路徑。因為電流必須總是要流經完整環路，故環路阻抗再次地是一個重要的因素。例如說，圖 2-2a 表示在一個印刷電路板上的兩個貫穿孔，此貫穿孔穿過兩個完整平面(假設說是電源與接地平面)。在此例中，使用前面曾討論過之時脈緩衝器，不同的是，現在線路佈線埋到板子的不同層中間(如圖 2-2b)，以改善前項討論之電場耦合效應。通常線路佈線在有些位置必須要改變佈線層以閃避其他之佈線或元件，此信號電流就如圖 2-2b 所示流經貫穿孔。貫穿孔 vias 圖 2-2a 印刷電路板上之貫穿孔線路佈線佈線層貫穿孔圖 2-2b 印刷電路板上之貫穿孔(內部) Raymond Chang 編譯 2003/6/23 Ver1 第 8 頁 / 共 137 頁

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