降低EMI的高速PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

本文檔是基于對(duì)高速信號(hào)和電源開(kāi)關(guān)的電磁干擾的實(shí)際觀察編寫(xiě)的，這些干擾可能導(dǎo)致認(rèn)證過(guò)程中的失敗。產(chǎn)品中使用的組件的布局和原理圖設(shè)計(jì)建議可能在數(shù)據(jù)表中提供，但實(shí)際觀察和解決方案可能會(huì)有所不同。

本文檔涵蓋 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI 和以太網(wǎng)等高速信號(hào)。9 kHz 以上頻率范圍內(nèi)的輻射應(yīng)在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制范圍內(nèi)。來(lái)自設(shè)備的輻射通常是 PCB 上高頻時(shí)鐘的多個(gè)諧波。與差分時(shí)鐘相比，單端時(shí)鐘輻射更多，因?yàn)閱味诵盘?hào)的電壓電平和功率更高。強(qiáng)烈建議在任何高速單端時(shí)鐘的源端使用系列 0 歐姆電阻器。

在認(rèn)證過(guò)程中，增加串聯(lián)電阻值有助于控制時(shí)鐘中存在的過(guò)沖和下沖，這是輻射的主要原因。增加串聯(lián)電阻的值有助于減少過(guò)沖和下沖。串聯(lián)終端電阻的最大值可以通過(guò)接收器的建立和保持時(shí)間違規(guī)來(lái)確定。還建議盡可能不要使用重復(fù)頻率。

例如，如果將兩個(gè)開(kāi)關(guān)部件用作電源穩(wěn)壓器，則確保兩者的開(kāi)關(guān)頻率不同，因?yàn)檩椛淇偤蜁?huì)超過(guò)輻射的禁止限制。時(shí)鐘信號(hào)的較長(zhǎng)長(zhǎng)度導(dǎo)致輻射功率增加。例如，較長(zhǎng)的 HDMI 電纜將充當(dāng)天線，因此這種情況下 HDMI 接口的輻射會(huì)更高。

布局在輻射中起著重要作用。確保時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足特性阻抗要求，并在時(shí)鐘走線周?chē)峁┻B續(xù)接地，以避免阻抗失配。非常準(zhǔn)確地遵循芯片制造商的布局指南，并確保制造商從輻射角度審查特定部分的原理圖和布局。芯片制造商可能會(huì)根據(jù)他們?cè)谂c芯片相關(guān)的認(rèn)證失敗方面的經(jīng)驗(yàn)提出一些建議來(lái)添加到新設(shè)計(jì)中。

1. HDMI（高清多媒體接口）

HDMI 接口導(dǎo)致的 EMI 故障在嵌入式產(chǎn)品中最為常見(jiàn)。HDMI 輻射出現(xiàn)在 148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz 和 891MHz 的基波上，通常高達(dá)五次諧波。

如果未經(jīng)認(rèn)證，輻射源可能來(lái)自 HDMI 電纜、PCB 設(shè)計(jì)或顯示器本身。共模扼流圈和終端電阻/電容有助于消除 PCB 的輻射，但常見(jiàn)的錯(cuò)誤發(fā)生在 HDMI 電纜選擇上。來(lái)自不同制造商的不同電纜提供不同級(jí)別的發(fā)射，即使它們被屏蔽。因此，從 Molex 或 TE 等值得信賴(lài)的供應(yīng)商處選擇電纜非常重要。當(dāng)然選擇的電纜應(yīng)該是屏蔽的并且有內(nèi)置的鐵氧體磁芯。建議攜帶 3-4 根不同的電纜（來(lái)自不同的品牌）進(jìn)行預(yù)掃描，以驗(yàn)證每根電纜的性能。

以下技術(shù)有助于減少 HDMI 信號(hào)的輻射：

- 共模扼流圈應(yīng)選擇截止頻率高于基頻5-6倍。在 148.5MHz 的情況下，1GHz 以上的截止頻率應(yīng)該是理想的。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號(hào)應(yīng)確保接地過(guò)孔位于信號(hào)附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過(guò)孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案，電纜屏蔽層與外殼適當(dāng)端接，使用屏蔽連接器以減少干擾。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長(zhǎng)度匹配（10mil 對(duì)內(nèi)和 100mil 對(duì)間）、阻抗匹配（100 歐姆）、實(shí)心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過(guò)孔、45 度彎曲是最佳實(shí)踐。

2. MIPI DSI and CSI（移動(dòng)行業(yè)處理器接口）

MIPI 信號(hào) （CSI/DSI） 是專(zhuān)門(mén)為移動(dòng)行業(yè)設(shè)計(jì)的，因此它們是非常低功率的差分信號(hào)，并且不太可能輻射。MIPI 信號(hào)時(shí)鐘因分辨率參數(shù)而異。

傳輸 MIPI 信號(hào)的 FPC 電纜可能會(huì)產(chǎn)生輻射。在定制電纜的情況下，我們?cè)趦蓚?cè)添加屏蔽或接地可以立即提供幫助，但它可能會(huì)影響電纜的柔韌性。最好的方法是使用直接圖層上的陰影地面作為參考地面。具有更高帶寬的偏心共模扼流圈將有助于消除 PCB 中的共模噪聲。MIPI 信號(hào)對(duì)于 D-PHY 具有 80Mbps-2.5Gbps 的數(shù)據(jù)速率，對(duì)于 C-PHY 具有 183Mbps -5.7Gbps 的數(shù)據(jù)速率。因此，提供一個(gè)保護(hù)環(huán)以及與其他信號(hào)至少 40 mil 的隔離是非常重要的。

以下技術(shù)有助于減少 MIPI 信號(hào)的輻射：

- 為 D-PHY 選擇截止頻率超過(guò) 2GHz 的共模扼流圈。C-PHY 可使用特殊濾波器來(lái)傳遞三重奏信號(hào)。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號(hào)應(yīng)確保接地過(guò)孔位于信號(hào)附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過(guò)孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 對(duì)于 FPC 上的 EMI 薄膜，確保薄膜的末端連接到 FPC 上裸露的信號(hào)地。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長(zhǎng)度匹配（線對(duì)內(nèi) 25 密耳和線對(duì)間 55 密耳）、阻抗匹配（少數(shù)情況下為 100 歐姆/85 歐姆）、實(shí)心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過(guò)孔、 45 度彎曲是遵循的最佳做法。

3.以太網(wǎng)

以太網(wǎng)信號(hào)上的輻射與雙絞線電纜的長(zhǎng)度成正比。屏蔽 CAT5 電纜和電纜上的鐵氧體磁芯將有助于減少干擾。

當(dāng)電纜上存在的共模噪聲通過(guò)機(jī)箱接地返回噪聲時(shí)，差分 MDI 信號(hào)會(huì)輻射。

來(lái)自單端 MII 和電源部分的噪聲會(huì)通過(guò)機(jī)箱接地耦合到雙絞線，從而產(chǎn)生不需要的輻射。

以下技術(shù)有助于減少以太網(wǎng)信號(hào)的輻射：

- 以太網(wǎng)電纜上的鐵氧體磁芯可以降低 EMI。在認(rèn)證過(guò)程中保留不同類(lèi)型的 CAT5 電纜。

- MDI 信號(hào)應(yīng)與 MII 信號(hào)良好隔離（至少相隔 40 密耳）。

- 保持單端 MII 信號(hào)的最小長(zhǎng)度。

- 空隙應(yīng)保持在所有層的磁性元件下方。

- MDI 和 MII 信號(hào)從一層傳遞到另一層應(yīng)確保接地通孔位于信號(hào)附近，以減少環(huán)路電感。

- 在 HDI PCB 的情況下，接地過(guò)孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑流回源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案，電纜屏蔽層使用屏蔽 RJ 45 連接器與外殼適當(dāng)端接，以減少干擾。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用拼接電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長(zhǎng)度匹配（10mil 對(duì)內(nèi)和 100mil 對(duì)間）、阻抗匹配（100 歐姆）、實(shí)心參考平面、微帶布線、較少數(shù)量的過(guò)孔、45 度彎曲是最佳實(shí)踐。

4. DC-DC電源產(chǎn)生

對(duì)于高速 PCB 設(shè)計(jì)，嘈雜的電源是 EMI-EMC 輻射的主要貢獻(xiàn)者之一。穩(wěn)定且噪聲較小的電源肯定有助于降低 EMI。

用于高速接口的處理器、內(nèi)存和橋接芯片在非常低的電壓下工作。在設(shè)計(jì)中選擇 DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以獲得高輸出電流和效率。但是這些開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率、紋波（過(guò)沖和下沖）噪聲會(huì)導(dǎo)致輻射。地面中噪聲信號(hào)的耦合會(huì)增加輻射，因?yàn)榈孛鎸⑴c電纜一起傳播，電纜可以充當(dāng)高頻噪聲的天線。

如果系統(tǒng)實(shí)際功耗較高（》10W）且產(chǎn)品涉及較長(zhǎng)的電纜，則建議在輸入直流電源處使用共模扼流圈和 LC 濾波。在線計(jì)算器可用于計(jì)算需要衰減輻射功率的特定頻率的 L 和 C 值。如果空間沒(méi)有限制，電感值越高越好。

通常，在開(kāi)關(guān)頻率的過(guò)沖和下沖處觀察到的高頻（振鈴）更容易輻射。

緩沖器調(diào)整將有助于減少這種過(guò)沖和下沖功率。使用更大的封裝或高額定功率的電阻器，因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)被繞過(guò)，而較小的封裝可能會(huì)增加 PCB 的溫度。緩沖電路應(yīng)安裝在電感的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處。

高速 PCB 設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

·表面貼裝部分應(yīng)優(yōu)先于通孔部分。像電容器這樣的通孔部件在 80MHz 以上時(shí)會(huì)變得更具電感性，這可能會(huì)導(dǎo)致更高頻率的輻射/分類(lèi)問(wèn)題。

· 保持高速信號(hào)走線盡可能小，并盡可能提供接地以減少環(huán)路電感。

· 盡量避免堆疊中的相鄰信號(hào)層或使用正交布線來(lái)減少電容耦合。

· 將去耦電容放置在非?？拷?IC 引腳的位置。這將有助于在電源和接地之間更快地切換。

· 信號(hào)采用星形布線，電源采用單點(diǎn)布線。

· 在電源輸出上使用鐵氧體磁珠。在鐵氧體磁珠周?chē)胖秒娙萜鲗⒊洚?dāng)高頻噪聲的低通濾波器。

· 在每個(gè)》1MHz 的時(shí)鐘輸出上保持0E 系列終端電阻。這將有助于在出現(xiàn)干擾問(wèn)題時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

· 對(duì)于晶體，請(qǐng)根據(jù)數(shù)據(jù)表選擇一個(gè)考慮負(fù)載和雜散電容的并聯(lián)電容器。它們是基本的輻射源，因此請(qǐng)遵循 IC 對(duì)晶體布線的建議。此外，盡量將晶體/振蕩器保持在 PCB 的中心，而不是邊緣。

· PCB 邊緣的走線不應(yīng)以 90 度角走線。

· 保留射頻部分的屏蔽設(shè)置。FCC（對(duì)于模塊化認(rèn)證）是強(qiáng)制性的。

· 高頻方波由多個(gè)高頻正弦波組成。因此，請(qǐng)確保此類(lèi)關(guān)鍵信號(hào)的周?chē)鷳?yīng)有適當(dāng)?shù)慕拥亍?/p>

· 確保連續(xù)接地層的過(guò)孔不應(yīng)形成與非常薄的銅區(qū)域連接的島。這可以增加信號(hào)的接地返回路徑。

· FR4 材料最好具有《5Gbps 時(shí)鐘速度和低成本。對(duì)于高于 5Gbps 的數(shù)據(jù)，請(qǐng)使用 Nelco、Megatron、Rogers 等其他材料。

· 其他信號(hào)與高速信號(hào)之間保持 》3W 間距

· 與接地層相比，電源層應(yīng)位于 PCB 邊緣內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，最好選擇 20H。（H=層間介電厚度）

概括

本文檔基于對(duì)高速 PCB 設(shè)計(jì)中 EMI 降低的實(shí)際觀察。EMI 預(yù)防措施對(duì)認(rèn)證非常有幫助。高速接口的輻射因設(shè)計(jì)而異，因此建議在設(shè)計(jì)中使用有助于在認(rèn)證過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整的規(guī)定。

本文檔涵蓋了 PCB 上常用的高速信號(hào)的預(yù)防措施。幾乎所有產(chǎn)品都觀察到 HDMI 接口導(dǎo)致的 EMI 問(wèn)題。串聯(lián)、并聯(lián)端接、扼流圈對(duì)減少輻射沒(méi)有多大幫助。HDMI 電纜和 HDMI 顯示器的變化會(huì)改變輻射功率。長(zhǎng)電纜將充當(dāng)高速接口的天線，因此如果產(chǎn)品連接了多條長(zhǎng)電纜（例如，汽車(chē)產(chǎn)品），則需要采取許多預(yù)防措施。

作者：Kinjan Patel ，Divyesh Patel

審核編輯：郭婷