印刷电路板(PCB)设计中的EMI解决方案

印刷电路板(PCB)设计中的EMI解决方案

随着电子器件的信号频率的上升，上升/下降沿的加快，信号电流的增加，印刷电路板的信号完整性和EMI问题越来越严重，另外，在高速电路板的设计过程中，板子密度的增加和高速信号的不断增多，设计时间的减少，让PCB设计工程师疲于应付，从而无暇顾及PCB中的EMI等问题，但是我们知道PCB的布局，布线以及电源层处理的好坏对整个板子的EMI有着非常重要的影响。下面我们通过一个实例分析介绍一下EMISTREAM如何帮助大家来解决板级的EMI问题。

2.正 文

理论：电磁干扰(Electromagnetic Interference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备，
在PCB电路板中，电磁能通常存在两种形式，差模EMI和共模EMI，电路中器件输出的电流流入一个负载时，就会产生差模EMI。电流流经多个导电平面，如PCB上的导线组或电缆，就会产生共模辐射。

差模辐射的计算

其中Ip表示电流强度，f表示共模电流的频率，Ls表示环路面积，d表示测量天线到电缆的距离

共差模辐射的计算

其中I表示电流强度，f表示共模电流的频率，L表示电缆线长度，d表示测量天线到电缆的距离

解决EMI的主要途径是减少电路板上由各种原因产生的辐射能量。控制EMI的关键，是降低电源地平面谐振和电路回流路径阻抗，正确放置旁路和去耦电容。

实例

笔者使用EMISTREAM工具对板极的EMI问题进行分析。该工具是由日本NEC公司基于多年EMI设计经验开发的应用软件，各种PCB设计流程集成使用，在PCB制造之前解决EMI问题。EMIStream软件内建13条经典EMI检查规则，可以完成全部网络的EMI分析，以及电源谐振分析。软件经过日本NEC内部产品实际设计结果验证，每个检查项目的设置值是经过实际验证的最佳理论值。

1.EMISTREAM分析流程

下图是使用EMISTREAM对电路板进行分析的设计流程

2.布局检查

• 当我们完成布局后，把ALLEGRO数据直接导入EMISTREAM工具。这里需要提醒的一点，EMISTREAM和市场主流的EDA工具都有接口，保证数据的完全导入。
• 设定叠堆信息，根据PCB板中的叠堆信息，填写入EMI.
• 根据电路的设计数据，正确填写电路中相关NET的频率，串扰组，差分对，电源地信号的指定。
• 设置规则的参数，我们选择采用默认参数，同时选择长度检查和最大辐射值检查项目对该板实施检查。

结果以对话框的形式显示出来，用户点击错误提示，查看有问题的NET，采用如下方法

• 调整零件的布局位置，减少NET总的长度
• 调整网络的拓扑结构，减少共模辐射的强度

3.布局布线后检查

• 当我们布局布线完成后，实施整板网络检查，我们通过NET Parameter选择需要检测的所有关键信号，比如时钟，数据，地址线，差分对等，勾选13条规则同时检查。
• 13规则包括如下
  1. 传导辐射分析--- 2个规则
  2. 电流回路分析--- 3个规则
  3. 电源，地层----- 2个规则
  4. 信号完整性----- 4个规则
  5. 零件布局------- 2个规则
• 检查结果以对话框的方式显示出来，最上面或优先级最大的错误是相对重要的错误，需要引起我们足够的重视。
  
  例如，第一个错误提示该网络没有完整的电流回路，点击该错误，画面放大显示并用红圈标示错误的位置。同时弹出对话框，图示错误的原因，并给出几个修改建议/
  • 建议1：修改导线的路径避免跨不同NET的铜箔，导致参考平面不完整，阻抗失配。
  • 建议2：修改铜箔的外形，使导线拥有完整的参考平面。
  第2个错误是该网络的最大辐射DB值，分为差模和共模辐射值，如图所示
• 接下来发现铜箔的错误，比如GND铜箔边缘缺少过孔，以及过孔间距过大等。
• 串扰检查帮助我们检查同一层并行走的部分或相邻层交叉的布线是否有串扰。
  建议修改并行太长的导线。

4.电源地平面谐振分析

上面我们完成了对网络的检查并做了相应的修改，接下来我们针对电源地平面进行谐振分析。EMISTREAM通过模拟板的形状和电源地平面之间形成的电容,并进行建模,运用SPICE电路仿真进行解析。用红色表示大的电压波动,蓝色表示小的电压波动。
首先我们对3V3的电源层面进行分析，鼠标点击选择3V3电源平面，填写和3V3电源平面最近的GND平面的间距，介质常数信息。修改Option选项中的计算网格大小为3毫米，设置扫描频率从30MHz到2GHz,步长为10MHz.点击RUN开始分析。

结果如下显示

由上图可以看出，电源地平面在1.5GHz附近有很多谐振点，左图中，可以看出红色的区域为电压波动相对较大的地方。蓝色为电压波动相对较小的地方。
解决方法：通过在电压波动相对较大的地方，增加退耦电容的方式来减少谐振。系统自带常用电容的RLC模型，如果需要特别的RLC电容模型，用户可以自由添加。我们在几个红色地方添加C104的电容，需要注意一点的是，电容串联电阻这样的效果可能更好一些。再使用相同的设置，RUN一遍分析，得到明显的改善，刚才红色的区域都变成蓝绿色，从2G以下的最大谐振值都降到-5DB以下,满足了系统的设计要求。

3.总 结

印刷电路板的EMI问题是一个非常复杂的问题，需要用各种方法来综合处理，通过该案例的分析，我们发现

• EMISTREAM工具和Allegro设计工具的联合使用，可以大大提高设计效率
• 可在设计阶段发现并解决EMI问题，减少反复修改的次数，节约成本
• 提高设计质量，缩短设计周期，加快产品上市时间