从EMC角度考虑常用电路设计及PCB设计

一.常用电路的EMC设计

A.电源电路

电源电路设计中，功能性设计主要考虑温升和纹波大小。温升大小由结构散热和效率决定；输出纹波除了采用输出滤波外，输出滤波电容的选取也很关键：大电容一般采用低ESR电容，小电容采用0.1UF和1000pF共用。电源电路设计中，电磁兼容设计是关键设计。主要涉及的电磁兼容设计有：传导发射和浪涌。

传导发射设计一般采用输入滤波器方式。外部采购的滤波器内部电路一般采用下列电路：

Cx1和Cx2为X电容，防止差模干扰。差模干扰大时，可增加其值进行抑制；Cy1和Cy2为Y电容，防止共模干扰。共模干扰大时，可增加其值进行抑制。需要注意的是，如自行设计滤波电路，Y电容不可设计在输入端，也不可双端都加Y电容。

浪涌设计一般采用压敏电阻。差模可根据电源输入耐压选取；共模需要电源输入耐压和产品耐压测试综合考虑。

当浪涌能量大时，也可考虑压敏电阻（或TVS）与放电管组合设计。

1 电源输入部分的EMC设计

应遵循①先防护后滤波；②CLASS B规格要求的电源输入端推荐两级滤波电路，且尽量靠近输入端；③在电源输入端滤波电路前和滤波电路中无采样电路和其它分叉电路；如果一定有采样电路，采样电路应额外增加了足够的滤波电路。

原因说明：

①先防护后滤波：

第一级防护器件应在滤波器件之前，防止滤波器件在浪涌、防雷测试中损坏，或导致滤波参数偏离，第二级保护器件可以放在滤波器件的后面；选择防护器件时，还应考虑个头不要太大，防止滤波器件在PCB布局时距离接口太远，起不到滤波效果。

②CLASS B规格要求的电源输入端推荐两级滤波电路，且尽量靠近输入端：

CLASSB要求比CLASS A要求小10dB，即小3倍，所以应有两级滤波电路；

CLASSA规格要求至少一级滤波电路；所谓一级滤波电路指包含一级共模电感的滤波电路。

③在电源输入端滤波电路前和滤波电路中无采样电路和其它分叉电路；如果一定有采样电路，采样电路应额外增加了足够的滤波电路：

电源采样电路应从滤波电路后取；

如果采用电路精度很高，必须从电源输入口进行采样时，必须增加额外滤波电路。

2 电源输出部分的EMC设计

应遵循①电源模块输出一定要求有滤波措施,推荐使用共模电感或差模电感；②长距离电源走线是否预留足够电容组10uF/0.1uF或1uF/0.01uF，应考虑PCB板每间隔187.5px放置一对。

原因说明：

①电源模块输出一定要求有滤波措施,推荐使用共模电感或差模电感：

用共模电感进行滤波，防止开关电源的噪声串到整个单板的电源、地上；

用磁珠进行滤波，防止开关电源的噪声串到整个单板的电源、地上；

在电源输出端设计Y电容时，需斟酌，如有螺钉可使Y电容就近接地时，可考虑增加，否则不用。

②长距离电源走线是否预留足够电容组10uF/0.1uF或1uF/0.01uF，应考虑PCB板每间隔187.5px放置一对：

当电源模块有多路电源输出时，比如提供给通讯接口的通讯电源、地，提供给传感器供电的12V、24V电源、地，提供给继电器驱动用的12V电源、地，均会存在长距离走线问题，为了使电源、地之间的阻抗最小，且回路最小，应每隔187.5px增加一对电容。

3 电源转换芯片的EMC设计

应遵循电源转换芯片输入输出端应并联BULK电容和去耦电容；电容容值应依据芯片手册推荐，或者依据驱动能力来估算；开关转换芯片输出应考虑磁珠进行滤波。

B.接口电路

接口电路多种多样，一般需电缆引出的接口电路需要较完备的电磁兼容设计，如CAN总线、RS485总线；其他的接口电路如RS232、USB等一般采用磁珠加TVS管设计。

1 RS485/CAN接口设计

RS485接口标准电路如下：

在具体设计中，R1/R2用自恢复保险丝，保护效果更好。一般不使用放电管；TVS管可作为预留设计（取决于驱动芯片内部是否包含TVS管）。

需要注意的是，共模电容需设计在接口端，这样做的原因是抑制外部的传导干扰和快速脉冲群干扰，以免其对RS485数据通信产生扰乱。

CAN接口保护时，TVS和电容参数略有不同。

RS-485总线共模电压范围为-7～+12V；

CAN总线的共模电压为-2~+7 V。

2 RS232接口设计

RS232接口标准电路如下：

485/CAN差分接口优先选用共模电感或者磁珠进行滤波，232接口用磁珠进行滤波；滤波电路尽量靠近端口，磁珠或共模电感到端子间PCB走线长度小于62.5px；如防护器件过多，磁珠到端子间PCB走线长度距离大于62.5px，则应在最靠近接口处增加Y电容或高压电容进行滤波，Y电容要满足耐压要求；如果采用屏蔽电缆，屏蔽层要接PGND；需要接出到端子的通讯地需要经过滤波。

3 USB接口设计

USB接口标准电路如下：

具体设计中，共模电感一般用磁珠代替；C1、C2共模电容为预留设计，当USB口有辐射输出干扰时，C1、C2可对其进行抑制。

需要注意的是，因USB数据速率高，选用TVS时必须采用低电容的TVS管，TVS管最少能承受8KV以上的接触静电放电。

4 S_VIDEO接口设计

S_VIDEO接口标准电路如下：

磁珠电容可根据实际情况进行参数调整。

5 以太网接口设计

以太网接口标准电路如下：

当网口变压器共模抑制比较差或需要通过的标准比较严酷时，需要增加L1、L2共模电感；C9、C10、C11、C12为预设计，根据实际的情况增加，一般不需要增加；C2、C3为与设计，根据是实际的情况增加或调整。

C.时钟晶体电路

时钟晶体电路一般有两种：无源晶体电路和有源震荡器电路。时钟晶体电路一般是辐射发射的干扰源。

1 无源晶体

无源晶体标准电路如下：

在实际设计时，R3电阻和C3电容为预留设计。R3电阻可帮助启震；C3电容可改善震荡信号质量。

2 有源震荡器

标准电路如下：

实际设计时，C1是预留设计。C1电容可改善震荡器输出信号质量。

供电磁珠一般不可缺省，其作用时防止震荡器的高频信号通过电源污染外部电路。

时钟芯片电源管脚采用LC滤波电路或者PI滤波电路；晶体外壳要做接地设计；时钟信号分叉时在分叉后每路都设置匹配电阻，匹配电阻靠近时钟芯片；T型网络，或采用末端匹配。

二.常用电路PCB设计的EMC考虑

A.器件的布局

在PCB设计的过程中，从EMC角度，首先要考虑三个主要因素:输入/输出引脚的个数,器件密度和功耗。一个实用的规则是片状元件所占面积为基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。

在器件布置方面,原则上应将相互有关的器件尽量靠近,将数字电路、模拟电路及电源电路分别放置,将高频电路与低频电路分开。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。对时钟电路和高频电路等主要干扰和辐射源应单独安排,远离敏感电路。输入输出芯片要位于接近混合电路封装的I/O出口处。

高频元器件尽可能缩短连线,以减少分布参数和相互间的电磁干扰,易受干扰元器件不能相互离得太近,输入输出尽量远离。震荡器尽可能靠近使用时钟芯片的位置,并远离信号接口和低电平信号芯片。元器件要与基片的一边平行或垂直,尽可能使元器件平行排列,这样不仅会减小元器件之间的分布参数,也符合混合电路的制造工艺,易于生产。

在混合电路基片上电源和接地的引出焊盘应对称布置,最好均匀地分布许多电源和接地的I/O连接。裸芯片的贴装区连接到最负的电位平面。

在选用多层混合电路时,电路板的层间安排随着具体电路改变,但一般具有以下特征。

(1)电源和地层分配在内层,可视为屏蔽层,可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰,减小高频电源的分布阻抗。

(2)板内电源平面和地平面尽量相互邻近,一般地平面在电源平面之上,这样可以利用层间电容作为电源的平滑电容,同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

(3)布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。

B.PCB走线

在电路设计中,往往只注重提高布线密度,或追求布局均匀,忽视了线路布局对预防干扰的影响,使大量的信号辐射到空间形成干扰,可能会导致更多的电磁兼容问题。因此,良好的布线是决定设计成功的关键。

1 地线的布局

地线不仅是电路工作的电位参考点,还可以作为信号的低阻抗回路。地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰。解决好这一类干扰问题,就等于解决了大部分的电磁兼容问题。地线上的噪音主要对数字电路的地电平造成影响,而数字电路输出低电平时,对地线的噪声更为敏感。地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作,还会造成传导和辐射发射。因此,减小这些干扰的重点就在于尽可能地减小地线的阻抗(对于数字电路,减小地线电感尤为重要)。

地线的布局要注意以下几点:

(1)根据不同的电源电压,数字电路和模拟电路分别设置地线。

(2)公共地线尽可能加粗。在采用多层厚膜工艺时,可专门设置地线面,这样有助于减小环路面积,同时也降低了接受天线的效率。并且可作为信号线的屏蔽体。

(3)应避免梳状地线,这种结构使信号回流环路很大,会增加辐射和敏感度,并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误操作。

(4)板上装有多个芯片时,地线上会出现较大的电位差,应把地线设计成封闭环路,提高电路的噪声容限。

(5)同时具有模拟和数字功能的电路板,模拟地和数字地通常是分离的,只在电源处连接。

2 电源线的布局

一般而言,除直接由电磁辐射引起的干扰外,经由电源线引起的电磁干扰最为常见。因此电源线的布局也很重要,通常应遵守以下规则。

(1)电源线尽可能靠近地线以减小供电环路面积,差模辐射小,有助于减小电路交扰。不同电源的供电环路不要相互重叠。

(2)采用多层工艺时,模拟电源和数字电源分开,避免相互干扰。不要把数字电源与模拟电源重叠放置,否则就会产生耦合电容,破坏分离度。

(3)电源平面与地平面可采用完全介质隔离,频率和速度很高时,应选用低介电常数的介质浆料。电源平面应靠近接地平面,并安排在接地平面之下,对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

(4)芯片的电源引脚和地线引脚之间应进行去耦。去耦电容采用0.01uF的片式电容,应贴近芯片安装,使去耦电容的回路面积尽可能减小。

(5)选用贴片式芯片时,尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片,可以进一步减小去耦电容的供电回路面积,有利于实现电磁兼容。

3 信号线的布局

在使用单层薄膜工艺时,一个简便适用的方法是先布好地线,然后将关键信号,如高速时钟信号或敏感电路靠近它们的地回路布置,最后对其它电路布线。信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排,使电路板上的信号走向流畅。

如果要把EMI减到最小,就让信号线尽量靠近与它构成的回流信号线,使回路面积尽可能小,以免发生辐射干扰。低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线,对噪声敏感的布线不要与大电流、高速开关线平行。如果可能,把所有关键走线都布置成带状线。不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等)应相互远离,不要平行走线。信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线间距极其敏感,所以尽量使高速信号线与其它平行信号线间距拉大且平行长度缩小。

导带的电感与其长度和长度的对数成正比,与其宽度的对数成反比。因此,导带要尽可能短,同一元件的各条地址线或数据线尽可能保持长度一致,作为电路输入输出的导线尽量避免相邻平行,最好在之间加接地线,可有效抑制串扰。低速信号的布线密度可以相对大些,高速信号的布线密度应尽量小。

在多层厚膜工艺中,除了遵守单层布线的规则外还应注意:

尽量设计单独的地线面,信号层安排与地层相邻。不能使用时,必须在高频或敏感电路的邻近设置一根地线。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直,这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰;同一层上的信号线保持一定间距,最好用相应地线回路隔离,减少线间信号串扰。每一条高速信号线要限制在同一层上。信号线不要离基片边缘太近,否则会引起特征阻抗变化,而且容易产生边缘场,增加向外的辐射。

4 时钟线路的布局

时钟电路在数字电路中占有重要地位,同时又是产生电磁辐射的主要来源。一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的频谱可达160MHz。因此设计好时钟电路是保证达到整个电路电磁兼容的关键。关于时钟电路的布局,有以下注意事项:

(1)不要采用菊花链结构传送时钟信号,而应采用星型结构,即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。

(2)所有连接晶振输入/输出端的导带尽量短,以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

(3)晶振电容地线应使用尽量宽而短的导带连接至器件上;离晶振最近的数字地引脚,应尽量减少过孔。