建立经济高效的电磁干扰排查手段-传感器原理及检测技术.pps
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1、EMC设计及EMI排查技术,Compliance Direction Systems Inc. Compliance Direction Direct to EM_Compliance (加拿大)容向系统科技有限公司 容 向 专注于电磁兼容方向,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,EMC/EMI问题,EMC/EMI问题,不仅仅是能否通过EMC测试的问题 产品内部的电磁干扰 稳定性、可靠性 产品对外产生的电磁干扰 空间 发射辐射 电缆 传导辐射 产品对外界干扰的抵抗能力 空间 发射敏感度 电缆 传导敏感度,电子产品EMI对策的变化,适应未来要求的EMI新对策,容向系统电磁兼容
2、专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,传统EMI对策,查找EMI问题的方法:频谱仪近场探头 “探测火苗” 采取的手段:屏蔽滤波 把“火苗”捂在设备内部 传统对策遇到新问题 需要考虑设备内部【板间,板内信号间】EMI问题,不能使用屏蔽/滤波手段 屏蔽和滤波会增加重量、成本 信号频率与干扰频率一致,不能采用滤波 频率提高,布线、屏蔽体、机箱等成为天线 高频信号耦合到电缆,由电缆发射,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,EMC对策新理念,基础:对EMI产生和抑制机理的充分认识,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,新EMI对策的核心,全体人员认识EMI形成及抑
3、制机理 全体人员:项目负责人、总体设计人员、硬件工程师、结构工程师、EMI工程师 认识EMI:借助先进的工具,迅速积累经验 采取科学手段:灭火种,切断火的蔓延路径 建立科学的EMC管理体系 项目各阶段EMC的评估 制订针对各类设计人员的工艺要求 利用先进的工具,建立完善的评估体系,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,及早考虑EMI/EMS/EMC,EMI/EMC是项系统工程 早考虑 成本低,手段多,效率高 需要产品所有组件协同配合 专家的经验 PCB设计的很多规则 设计能全部按照设计规则执行吗? 所有的理论在所有场合都正确吗? 仿真技术 数字电路的仿真模型:IBIS模型不完
4、整、不准确 EMC仿真:需要SPICE模型,很难获得 精度与速度 及早引入测量技术 电磁场扫描技术、EMC预兼容测试,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,新理念要求企业充分重视EMC,EMC是一项系统工程,不是EMC工程师一个人的事情 总体设计、单板设计阶段就需要考虑 仅整机考虑:成本高,速度慢,问题复杂 为工程师制订“工艺文件” 把经验总结为电子产品设计规则,成为设计工艺文件,避免犯类似错误 EMC是产品质量的一个非常重要的指标 需要保证生产线的产品与设计原型一致,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,新理念要求:提高工程师素质是根本,我国的EMI问题刚
5、刚得到重视 工程师经验积累少、没有频域测量手段 先进的设备,仅仅是一种手段,最终解决问题还是需要工程师丰富的经验 “容向系统”定期出版“典型案例分析” “容向系统”提供专家级的技术服务 好的测量手段能帮助你迅速积累正确的经验 对EMI产生和抑制机理的理解,是解决未来EMI问题的基础,EMC/EMI测试技术,EMC认证测试 预兼容测试 近场测量,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,EMC认证测试技术,环境要求 发射辐射:开阔场或半电波暗室 发射抗扰度测试:全电波暗室。,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,EMC认证测试技术,远场测量 测量天线与被测物的距离
6、一般为1、3、10米 给出的结果是一张频谱图,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,EMC预兼容测试,EMC认证测试 费用高,需出差,需预约等待 很难在认证测试中心进行各类试验 产品后期的成败型测试,解决问题的代价高、手段少、时间长 企业摸底测试电磁兼容预测试 自己建立相应的EMC实验室 能使设计人员在产品研制的过程中,及早发现问题,及时采取有针对性的措施,降低纠错成本并提高认证测试的一次性通过率。,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,传统的EMC预兼容测试,场地 开阔场:中国几乎没有符合要求的OATS 暗室:费用昂贵,对EUT体积有限制 屏蔽室:测量不准
7、确,对EUT体积有限制 工程师最急需的预测试类型 辐射发射:占85以上,而且解决最难,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,传统预测试的问题,传统预测试方法 主设备:频谱仪 环境:普通环境 方法:EUT开机关机各测一次,结果相减 EMI定位:配单探头 问题 背景信号不稳定 EUT与背景相同的频率点 结果有偏差,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,近场测量,测量EUT上的电流:EMI是EUT上的高频电流回路形成的。 精确定位EMI产生的源头和分布区域。,PCB的EMC设计技术,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,高速PCB?,与工作频率无
8、关,仅与所使用的器件有关 fknee=1/(*Tr),Tr1ns,则fknee=320MHz,1/Td,1/tr,频率(对数),谐波幅度 (电压或电流),第一转折频点,第二转折频点,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,PCB上EMC问题的主要原因,不均匀分布的电流以及回流 过细的电源线或者地线【单/双层板】 信号线的辐射(上升沿陡,Tr小的信号) 信号线共享回流路径 电源滤波 通过外接电缆辐射出去 不合理的滤波电容值 不合理的滤波电容放置位置 不合理的分层结构 天线效应 引起EMS问题,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,线路板的两种辐射机理,差模辐射,
9、共模辐射,电流环,杆天线,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,共模和差模对EMC测试的影响,对于EMC测试: 共模辐射比差模辐射的影响要大1001000倍 例子:上升沿5ns的38MHz时钟:,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,如何减小差模辐射?,E = 2.6 I A f 2 / D,低通滤波器,布线,I 电流:阻尼电阻 A面积:控制电流回路面积 f 频率:选择合适的器件,使用阻尼电阻等,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,降低电流【I】和频率【f】,降低有用频率的EMI:阻尼电阻值的正确选择,或者正确使用磁珠,同时保证SI和EM
10、C,有多于58个谐波分量,有11个谐波分量,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,怎样减小共模辐射,PCB的EMC设计:完善的电源滤波,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,PCB设计需要考虑的问题,优秀的层叠设计或者电源/地网络的设计 尽可能保证地平面的完整性: 器件布局;过孔安排。 保持连续的布线阻抗 较少的谐波及较低的强度 良好的电源滤波 EMI被控制在尽可能小的区域 在信号完整性和电磁兼容性中找折中: 尽可能增加信号的上升沿和下降沿时间,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,PCB分层考虑,元件面、焊接面:敏感信号线及总线 方便调测
11、,易于控制 一般建议:元件面布放 第二层、倒数第二层:地电源层 保证元件面和焊接面敏感信号线的SI。 4层板:S1/G/P/S2,S1放置主要信号线 6层板:S1/G/S2/P/G/S3,S1/S3主要信号 6层板:S1/S2/G/P/S3/S4 适合于:电源种类少,S1、S4能大面积敷铜 8层板:S1/G/S2/G/P/S3/G/S4,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,PCB分层考虑,电源层旁边安排一个完整的地层,滤除300MHz以上的干扰,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,一块PCB内只设一个电源层电源分割,电源层分割实例,图示为一个电源层,用不
12、同颜色代表不同电压,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,电流回流【多层板】,低频:最小电阻【最短距离】,高频:最小阻抗【最小面积】,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 跨越分割,地分割 电源分割 焊接面上跨越电源分割的布线 4层板(S1/G/P/S2)或 6层板S1/G/S2/S3/P/S4,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流模拟/数字、射频/数字,模拟区域,数字区域,模拟区域受到 数字电路的干扰,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 安全间距,信号线共享回流路径 (EMI以及感性串扰) 在
13、数字电路中,感性串扰 容性串扰,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,案例感性串扰,接插件过孔安全间距过大, 破坏了地平面,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 密集过孔,密集过孔,破坏地平面 跨越被分割的地平面的信号线,会产生感性串扰和共模EMI,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 密集过孔,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 密集过孔,BGA等大芯片附近会有很多阻尼电阻,过多过孔导致BGA芯片的地很不完整,信号线,回流,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题
14、多电源芯片,核电压1.8V,I/O电压2.5V 跨越1.8V电源的布线: 增加回流面积 干扰1.8V电源 对策: 布线不要跨越 减小分割区域,1.8V电源,I/O,I/O,回流,回流,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,BGA芯片核电压分割引起EMI,1.8V电源电路,BGA芯片的 总线的 工作频率 为125MHz 焊接面布有 信号线 倒数第二层 是电源层,RJ45电缆上的EMI,BGA芯片,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,单面板/双面板PCB,单面或双面板,没有电源面和地线面,EMI控制难度大 布局:考虑布线方便以及电流均匀 布地线、电源线,布放滤
15、波电容 电源线应尽可能靠近地线,以减小差模辐射的环面积,也有助于减小电路的串扰。 布关键信号线(时钟信号等): 靠近地回路,形成较小的回流面积。 布其他信号线:避免大面积无地信号线组。 地敷铜,良好敷铜,能达到4层板的效果!,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,单面板/双面板PCB地线网格,双层电路板的走线优先考虑地线的规划,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,单层或双层板如何减小环路的面积,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,双层板不良地线举例,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流面积电源供电线,布线靠近,减
16、少磁辐射面积,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,注意隐蔽的辐射环路,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,回流问题 电缆或板间连接器,地线应该尽可能均匀分布于信号线中间,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,连接器上的电流回流,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,板间电缆 上的电磁辐射,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,高频时钟,高频时钟(上升沿少于2ns的时钟)必须有地线护送【护送地线要“良好接地”】 发送侧串接22220欧姆阻尼电阻,电阻越大干扰越小,但是敏感性变差。 采用点对点连接,不打过
17、孔,走线平滑。,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,数字总线,频率在50MHz以上的高频数字总线,应尽可能考虑总线中的每条信号线均串接一个22-300欧姆左右的阻尼电阻 频率在75MHz以上时,必须串接阻尼电阻。阻尼电阻必须放在发送侧并尽可能靠近发送器件。 尽可能在元件面 / 焊接面布,不打过孔。 连接至xxRAM的数据线的次序可以根据布线需要打乱。 具有很强的电磁辐射!敏感信号应远离!,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,I 噪声电流是EMI的根源,信号发生0-1的变换时,该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换,会有电流从所接电源流入门电路,或从
18、门电路流入地线,这个变化的电流就是I噪声的源,亦称为I噪声电流。 由于电源线和地线存在一定的阻抗,其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压,并引发其电流电压的波动,这个电源电压变化就是I噪声电压,会引起误操作,并产生传导骚扰和辐射骚扰。 在电路中,当器件的众多信号管脚同时发生01变换时,不论是否接有容性负载,都会产生很大的I噪声电流,使得器件外部的工作电源电压发生突变。,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,地线和电源线上的噪声,Q1,Q2,Q3,Q4,R4,R2,R3,R1,VCC,被驱动电路,ICC,I驱动,I充电,I放电,Ig,Vg,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实
19、时看见电磁场,电源线、地线噪声电压波形,输出,ICC,VCC,I g,Vg,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,去耦电容对I噪声电流的抑制作用,去耦技术: 安装去耦电容来提供一个电流源; 补偿逻辑器件工作时所产生的I噪声电流; 去耦的目的 保证直流工作电压的稳定; 确保各逻辑器件正常工作。,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,电源滤波,目的:把芯片产生的EMI控制在最小的区域 滤波频率和电容值 几十MHz及以下的滤波,电解电容【uF】 几十至300MHz的滤波,每个供电组一个0.1 / 0.01uF 300MHz以上,电源层和地层的等效阵列电容,几十pF
20、;或者在产生高频干扰的芯片上并接pF级的滤波电容。 滤波电容布放 就近连接原则:尽可能靠近芯片【除低频滤波外】 最佳位置:焊接面,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,滤波电容的放置和连接,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,增强滤波:磁珠 电容,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,磁珠特性及选择,直流电阻尽可能低,同时需要过滤的干扰的频率范围内的阻抗尽可能大 但太小的直流电阻会引起谐振,所以不推荐使用直流电阻太低的磁阻 不推荐使用没有给出低频特性的磁阻,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,电容并联时避免反谐振点,容
21、向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,多层板滤波电容的分工,电解电容,高频滤波电容,G/P等效电容,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,“被忘记”滤除的415MHz,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,双层板去耦电容放置,尽量使电源线与地线靠近,好,差,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,双层板增强去耦效果的方法,电源,地,铁氧体,注意铁氧体安装的位置,接地线面,细线,粗线,用铁氧体增加电源端阻抗,用细线增加电源端阻抗,容向系统电磁兼容专家,不仅仅是因为我们能实时看见电磁场,I噪声是引起EMI问题的 最主要的原因,传统
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