印刷電路板(PCB)設計中的EMI解決方案

印刷電路板(PCB)設計中的EMI解決方案

隨著電子器件的信號頻率的上升，上升/下降沿的加快，信號電流的增加，印刷電路板的信號完整性和EMI問題越來越嚴重，另外，在高速電路板的設計過程中，板子密度的增加和高速信號的不斷增多，設計時間的減少，讓PCB設計工程師疲于應付，從而無暇顧及PCB中的EMI等問題，但是我們知道PCB的布局，布線以及電源層處理的好壞對整個板子的EMI有著非常重要的影響。下面我們通過一個實例分析介紹一下EMISTREAM如何幫助大家來解決板級的EMI問題。

2.正文

理論：電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡稱EMI，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾；輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網絡或電子設備，
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負載時，就會產生差模EMI。電流流經多個導電平面，如PCB上的導線組或電纜，就會產生共模輻射。

差模輻射的計算

其中Ip表示電流強度，f表示共模電流的頻率，Ls表示環路面積，d表示測量天線到電纜的距離

共差模輻射的計算

其中I表示電流強度，f表示共模電流的頻率，L表示電纜線長度，d表示測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生的輻射能量。控制EMI的關鍵，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。

實例

筆者使用EMISTREAM工具對板極的EMI問題進行分析。該工具是由日本NEC公司基于多年EMI設計經驗開發的應用軟件，各種PCB設計流程集成使用，在PCB制造之前解決EMI問題。EMIStream軟件內建13條經典EMI檢查規則，可以完成全部網絡的EMI分析，以及電源諧振分析。軟件經過日本NEC內部產品實際設計結果驗證，每個檢查項目的設置值是經過實際驗證的最佳理論值。

1.EMISTREAM分析流程

下圖是使用EMISTREAM對電路板進行分析的設計流程

EMISTREAM嵌入在設計的全過程，在設計階段將EMI問題解決。

2.布局檢查

當我們完成布局后，把ALLEGRO數據直接導入EMISTREAM工具。這里需要提醒的一點，EMISTREAM和市場主流的EDA工具都有接口，保證數據的完全導入。
設定疊堆信息，根據PCB板中的疊堆信息，填寫入EMI.
根據電路的設計數據，正確填寫電路中相關NET的頻率，串擾組，差分對，電源地信號的指定。
設置規則的參數，我們選擇采用默認參數，同時選擇長度檢查和最大輻射值檢查項目對該板實施檢查。

結果以對話框的形式顯示出來，用戶點擊錯誤提示，查看有問題的NET，采用如下方法

調整零件的布局位置，減少NET總的長度
調整網絡的拓撲結構，減少共模輻射的強度

3.布局布線后檢查

當我們布局布線完成后，實施整板網絡檢查，我們通過NET Parameter選擇需要檢測的所有關鍵信號，比如時鐘，數據，地址線，差分對等，勾選13條規則同時檢查。
13規則包括如下
1. 傳導輻射分析--- 2個規則
2. 電流回路分析--- 3個規則
3. 電源，地層----- 2個規則
4. 信號完整性----- 4個規則
5. 零件布局------- 2個規則
檢查結果以對話框的方式顯示出來，最上面或優先級最大的錯誤是相對重要的錯誤，需要引起我們足夠的重視。

例如，第一個錯誤提示該網絡沒有完整的電流回路，點擊該錯誤，畫面放大顯示并用紅圈標示錯誤的位置。同時彈出對話框，圖示錯誤的原因，并給出幾個修改建議/
- 建議1：修改導線的路徑避免跨不同NET的銅箔，導致參考平面不完整，阻抗失配。
- 建議2：修改銅箔的外形，使導線擁有完整的參考平面。
第2個錯誤是該網絡的最大輻射DB值，分為差模和共模輻射值，如圖所示
接下來發現銅箔的錯誤，比如GND銅箔邊緣缺少過孔，以及過孔間距過大等。
串擾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擾。
建議修改并行太長的導線。

4.電源地平面諧振分析

上面我們完成了對網絡的檢查并做了相應的修改，接下來我們針對電源地平面進行諧振分析。EMISTREAM通過模擬板的形狀和電源地平面之間形成的電容,并進行建模,運用SPICE電路仿真進行解析。用紅色表示大的電壓波動,藍色表示小的電壓波動。
首先我們對3V3的電源層面進行分析，鼠標點擊選擇3V3電源平面，填寫和3V3電源平面最近的GND平面的間距，介質常數信息。修改Option選項中的計算網格大小為3毫米，設置掃描頻率從30MHz到2GHz,步長為10MHz.點擊RUN開始分析。

結果如下顯示

由上圖可以看出，電源地平面在1.5GHz附近有很多諧振點，左圖中，可以看出紅色的區域為電壓波動相對較大的地方。藍色為電壓波動相對較小的地方。
解決方法：通過在電壓波動相對較大的地方，增加退耦電容的方式來減少諧振。系統自帶常用電容的RLC模型，如果需要特別的RLC電容模型，用戶可以自由添加。我們在幾個紅色地方添加C104的電容，需要注意一點的是，電容串聯電阻這樣的效果可能更好一些。再使用相同的設置，RUN一遍分析，得到明顯的改善，剛才紅色的區域都變成藍綠色，從2G以下的最大諧振值都降到-5DB以下,滿足了系統的設計要求。