降低EMI的高速PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

作者：Divyesh Patel，Kinjan Patel

本文檔是根據(jù)對(duì)高速信號(hào)和電源開(kāi)關(guān)的電磁干擾的實(shí)際觀(guān)察編寫(xiě)的，電磁干擾可能導(dǎo)致認(rèn)證過(guò)程失敗。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(guān)察和解決方案可能會(huì)有所不同。

本文檔介紹高速信號(hào)，如 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI 和以太網(wǎng)。頻率范圍高于9 kHz的輻射應(yīng)在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定范圍內(nèi)。來(lái)自器件的輻射通常是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0歐姆串聯(lián)電阻器。

在認(rèn)證期間，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)電阻器的值有助于減少過(guò)沖和下沖。串聯(lián)端接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)的頻率。

例如，如果將兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器部件用作電源穩(wěn)壓器，則請(qǐng)確保兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率都不在相同的開(kāi)關(guān)頻率下工作，因?yàn)檩椛淇偤蜁?huì)超過(guò)禁止的輻射限值。時(shí)鐘信號(hào)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，輻射功率就越大。例如，較長(zhǎng)的HDMI電纜將充當(dāng)天線(xiàn)，因此在這種情況下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)符合特性阻抗要求和圍繞時(shí)鐘走線(xiàn)提供的連續(xù)接地，以避免阻抗不匹配。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該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)，對(duì)新設(shè)計(jì)提出一些建議。

1. HDMI（高清多媒體接口）

HDMI接口引起的EMI故障在嵌入式產(chǎn)品中最常見(jiàn)。HDMI輻射出現(xiàn)在基波上，通常高達(dá)148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz和891MHz的次諧波。

輻射源可能來(lái)自HDMI電纜，PCB設(shè)計(jì)或顯示器本身（如果未經(jīng)過(guò)認(rèn)證）。共模扼流圈和端接電阻/電容器應(yīng)有助于消除PCB上的輻射，但HDMI電纜選擇時(shí)會(huì)發(fā)生常見(jiàn)錯(cuò)誤。來(lái)自不同制造商的不同電纜提供不同的發(fā)射水平，即使它們是屏蔽的。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，所選電纜應(yīng)屏蔽并內(nèi)置鐵氧體磁芯。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)可以幫助減少HDMI信號(hào)的輻射：

- 共模扼流圈應(yīng)選擇截止頻率比基頻高5-6倍的共模扼流圈。在148.5MHz的情況下，超過(guò)1GHz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)確保接地通孔與信號(hào)相鄰，以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下，接地通孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑回流到源。

- 金屬外殼應(yīng)利用良好的接地方案，使用屏蔽連接器將電纜屏蔽層與外殼適當(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，建議使用旁路電容器。

- 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）、固體參考平面、微帶布線(xiàn)、較少的過(guò)孔數(shù)量、45 度彎曲是遵循的最佳實(shí)踐。

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

MIPI信號(hào)（CSI/DSI）專(zhuān)為移動(dòng)行業(yè)設(shè)計(jì)，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。

在攜帶MIPI信號(hào)的FPC電纜上可能會(huì)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)影響電纜的靈活性。最佳方法是使用直接圖層上的陰影線(xiàn)地面作為參考地面。具有更高帶寬的離路共模扼流圈將有助于消除PCB的共模噪聲。MIPI信號(hào)的數(shù)據(jù)速率對(duì)于D-PHY為80Mbps-2.5Gbps，對(duì)于C-PHY的數(shù)據(jù)速率為183Mbps-5.7Gbps。因此，提供瓜爾環(huán)和至少 40 密耳與其他信號(hào)的隔離非常重要。

以下技術(shù)可以幫助減少M(fèi)IPI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 可以使用特殊濾波器來(lái)傳遞三重信號(hào)。

- 從一層傳遞到另一層的差分信號(hào)應(yīng)確保接地通孔與信號(hào)相鄰，以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下，接地通孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑回流到源。

- 如果FPC上有EMI薄膜，請(qǐng)確保薄膜的末端連接到FPC上的曝光信號(hào)接地。

- 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用旁路電容器。

- 其他一般準(zhǔn)則，如長(zhǎng)度匹配（25密耳對(duì)內(nèi)和55密耳對(duì)間），阻抗匹配（少數(shù)情況下為100歐姆/ 85歐姆），固體參考平面，微帶布線(xiàn)，較少的過(guò)孔數(shù)量，45度彎曲是遵循的最佳實(shí)踐。

3. 以太網(wǎng)

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

當(dāng)電纜上的共模噪聲通過(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和電源部分的噪聲可以通過(guò)機(jī)箱接地耦合到雙絞電纜，從而產(chǎn)生不必要的輻射。

以下技術(shù)可以幫助減少以太網(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)很好地隔離（至少相距 40 密耳）。

- 保持單端MII信號(hào)的最小長(zhǎng)度。

- 在所有層中，應(yīng)保持磁性元件下方的空隙。

- 從一層傳遞到另一層的MDI和MII信號(hào)應(yīng)確保接地通孔位于信號(hào)附近，以降低環(huán)路電感。

- 在HDI PCB的情況下，接地通孔應(yīng)作為信號(hào)向下傳輸，以最短路徑回流到源。

- 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，建議使用旁路電容器。

- 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）、固體參考平面、微帶布線(xiàn)、較少的過(guò)孔數(shù)量、45 度彎曲是遵循的最佳實(shí)踐。

4. 直流-直流電源發(fā)電

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。但開(kāi)關(guān)頻率、這些開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的紋波（過(guò)沖和下沖）噪聲也會(huì)造成輻射。地面中噪聲信號(hào)的耦合會(huì)增加輻射，因?yàn)榈孛鎸⑴c電纜一起移動(dòng)，電纜可以充當(dāng)高頻噪聲的天線(xiàn)。

如果系統(tǒng)實(shí)際功耗較高（》10W），并且產(chǎn)品中涉及較長(zhǎng)的電纜，則建議在輸入直流電源上使用共模扼流圈和LC濾波。在線(xiàn)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。電感值越高，則首選空間內(nèi)沒(méi)有約束。

一般來(lái)說(shuō)，在開(kāi)關(guān)頻率的過(guò)沖和下沖處觀(guān)察到的高頻（振鈴）更有可能輻射。

緩沖器調(diào)諧將有助于減少這種過(guò)沖和下沖功率。使用較大的封裝或高額定功率電阻器，因?yàn)楦哳l噪聲將被旁路，較小的封裝可能會(huì)增加PCB的溫度。緩沖電路應(yīng)安裝在電感器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。

高速PCB設(shè)計(jì)要記住的要點(diǎn)

·表面貼裝部分應(yīng)優(yōu)先于通孔部分。電容器等通孔部件在80MHz以上會(huì)變得更感性，這可能會(huì)導(dǎo)致更高頻率的輻射/分選問(wèn)題。

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

·盡量避免堆疊相鄰的信號(hào)層，或使用正交布線(xiàn)來(lái)減少電容耦合。

·將去耦電容放置在非?？拷?a target="_blank">IC引腳的位置。這將有助于更快地在電源和接地之間切換。

·對(duì)信號(hào)使用星形路由，對(duì)電源使用單點(diǎn)路由。

·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)時(shí)鐘輸出端保持 0E 系列端接電阻器，該輸出為 》1MHz。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，根據(jù)數(shù)據(jù)表選擇考慮負(fù)載和雜散電容的并聯(lián)電容器。它們是輻射的基本來(lái)源，因此請(qǐng)遵循IC建議進(jìn)行晶體布線(xiàn)。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(xiàn)不應(yīng)以90度角布線(xiàn)。

·保留射頻部分的屏蔽配置。這是FCC（模塊化認(rèn)證）的強(qiáng)制性要求。

·高頻方波由多個(gè)高頻正弦波組成。因此，請(qǐng)確保這種類(lèi)型的關(guān)鍵信號(hào)周?chē)鷳?yīng)有適當(dāng)?shù)慕拥亍?/p>

·確保對(duì)于連續(xù)接地層，過(guò)孔不應(yīng)使島與非常薄的銅區(qū)域連接。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，請(qǐng)使用其他材料，如Nelco，Megatron，Rogers。

·保持高速信號(hào)中其他信號(hào)的》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，最好是 20H。（H=層間介電厚度）

總結(jié)

本文檔基于對(duì)高速PCB設(shè)計(jì)中EMI降低的實(shí)際觀(guān)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。

本文檔介紹了PCB上常用的高速信號(hào)的注意事項(xiàng)。 幾乎所有產(chǎn)品都觀(guān)察到HDMI接口引起的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(xiàn)，因此如果產(chǎn)品連接了多根長(zhǎng)電纜（例如，汽車(chē)產(chǎn)品），則需要采取許多預(yù)防措施。

審核編輯：郭婷