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降低EMI的高速PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 作者:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 2022-06-06 09:24 ? 次閱讀

本文檔是基于對(duì)高速信號(hào)電源開關(guān)的電磁干擾的實(shí)際觀察編寫的,這些干擾可能導(dǎo)致認(rèn)證過程中的失敗。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)證過程中,增加串聯(lián)電阻值有助于控制時(shí)鐘中存在的過沖和下沖,這是輻射的主要原因。增加串聯(lián)電阻的值有助于減少過沖和下沖。串聯(lián)終端電阻的最大值可以通過接收器的建立和保持時(shí)間違規(guī)來確定。還建議盡可能不要使用重復(fù)頻率。

例如,如果將兩個(gè)開關(guān)部件用作電源穩(wěn)壓器,則確保兩者的開關(guān)頻率不同,因?yàn)檩椛淇偤蜁?huì)超過輻射的禁止限制。時(shí)鐘信號(hào)的較長長度導(dǎo)致輻射功率增加。例如,較長的 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)滿足特性阻抗要求,并在時(shí)鐘走線周圍提供連續(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)他們在與芯片相關(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。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,但常見的錯(cuò)誤發(fā)生在 HDMI 電纜選擇上。來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 MolexTE 等值得信賴的供應(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(來自不同的品牌)進(jìn)行預(yù)掃描,以驗(yàn)證每根電纜的性能。

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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) 是專門為移動(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,我們在兩側(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。

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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 2GHz 的共模扼流圈。C-PHY 可使用特殊濾波器來傳遞三重奏信號(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機(jī)箱接地返回噪聲時(shí),差分 MDI 信號(hào)會(huì)輻射。

來自單端 MII 和電源部分的噪聲會(huì)通過機(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)證過程中保留不同類型的 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 開關(guān)穩(wěn)壓器以獲得高輸出電流和效率。但是這些開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)頻率、紋波(過沖和下沖)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。如果空間沒有限制,電感值越高越好。

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通常,在開關(guān)頻率的過沖和下沖處觀察到的高頻(振鈴)更容易輻射。

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緩沖器調(diào)整將有助于減少這種過沖和下沖功率。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,而較小的封裝可能會(huì)增加 PCB 的溫度。緩沖電路應(yīng)安裝在電感的開關(guān)節(jié)點(diǎn)處。

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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/分類問題。

· 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減少電容耦合。

· 將去耦電容放置在非常靠近 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。在鐵氧體磁珠周圍放置電容器將充當(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)確保此類關(guān)鍵信號(hào)的周圍應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕拥亍?/p>

· 確保連續(xù)接地層的過孔不應(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

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· 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)

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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 問題。串聯(lián)、并聯(lián)端接、扼流圈對(duì)減少輻射沒有多大幫助。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)品連接了多條長電纜(例如,汽車產(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

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