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EMI/EMC设计讲座(七)印刷电路板的EMI噪讯对策技巧

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:331

随着电子组件功能提升,各种电子产品不断朝向高速化方向发展,然而高性能化、多功能化、可携带化的结果,各式各样的emc(electro magnetic compatibility)问题,却成为设计者挥之不去的梦魇。

目前emi(electro magnetic interference)噪讯对策,大多仰赖设计者长年累积的经验,或是利用仿真分析软件针对框体结构、电子组件,配合国内外要求条件与规范进行分析,换句话说电子产品到了最后评鉴测试阶段,才发现、对策emi问题,事后反复的检讨、再试作与对策组件的追加,经常变成设计开发时程漫无节制延长,测试费用膨胀的主要原因。

emi主要发生源之一亦即印刷电路板(printed circuit board,以下简称为pcb)的设计,自古以来一直受到设计者高度重视,尤其是pcb layout阶段,若能够将emi问题列入考虑,通常都可以有效事先抑制噪讯的发生,有鉴于此本文要探讨如何在pcb的layout阶段,充分应用改善技巧抑制emi噪讯的强度。

测试条件

如图1所示测试场地为室内3m半电波暗室,预定测试频率范围为30mhz~1000mhz的电界强度,依此读取峰值点(peak point)当作测试数据(图2)。

图3是被测基板a的外观,该基板为影像处理系统用电路主机板,动作频率为27mhz与54mhz,电路基板内建cpu、sub cpu、frash,以及sdram×5、影像数据/数字转换处理单元、影像输出入单元,此外被测基板符合「vcci规范等级b」的要求,测试上使用相同的电源基板(board)与变压器(adapter)。

 
首先针对被测基板a进行下列电路设计变更作业:

‧cpu的频率线(clock line)追加设置emi噪讯对策用滤波器(filter),与频率产生器(clock generator)( 图4)。

‧影像输出入单元追加设置common mode choke coil(dlwxxx系列)(图5)

‧各ic电源输入线的bypass condenser与电源之间,追加设置ferrite beads(图6)。

‧追加设置bypass condenser,使各ic的所有电源脚架,全部从基板电源层(plane)通过bypass condenser提供电源(图7)。



各种emi噪讯对策

a.emi噪讯对策用电容

接着进行emi测试获得图8的测试结果,根据测试结果再进行噪讯抑制设计作业,在此同时将设计变更的被测基板a的设计数据读入emi噪讯抑制支持工具,并针对支持工具指出的主要部位,例如频率线、bus导线via周围,分散设置emi噪讯对策用电容(图9),主要原因是信号导线的return路径如果太长或是非连续状态时,emi噪讯有增大之虞,为了缩短return路径,因此设置连接电源与接地的电容。



图10~图13是改变上述电容容量时的emi噪讯测试结果,根据测试结果显示,依照图14的频率范围设置的大容量emi噪讯对策用电容duf,可以抑制低频噪讯level。虽然设置电容增加pcb的容量负载,不过为了要抑制噪讯,设置在各部位的电容频率特性,却可以发挥预期的emi噪讯抑制效果。



实际应用时只要在频率导线、bus导线等高频导线 图案(pattern)附近、形成cpu、return路径的内层面(plane)的分断附近、形成噪讯出入口的基板侧面附近分散设置emi噪讯对策用电容,就可以消除该部位周边的噪讯。

对各式各样基板外形、组件封装、导线的pcb而言,只要以一定间隔设置emi噪讯对策用电容,同样可以获得分散性的噪讯抑制效果。
 
b.改变基板的层结构

接着针对被测基板a进行层结构改善,制作图15所示6层built up被测基板b,它是利用「pad on via」与「雷射via」加工技术,将上述被测基板a的外层信号线导线变成内层,使return电流可能流入接地plane,外层当作接地plane包覆所有信号层。

改变被测基板结构主要理由是

随着电子组件功能提升,各种电子产品不断朝向高速化方向发展,然而高性能化、多功能化、可携带化的结果,各式各样的emc(electro magnetic compatibility)问题,却成为设计者挥之不去的梦魇。

目前emi(electro magnetic interference)噪讯对策,大多仰赖设计者长年累积的经验,或是利用仿真分析软件针对框体结构、电子组件,配合国内外要求条件与规范进行分析,换句话说电子产品到了最后评鉴测试阶段,才发现、对策emi问题,事后反复的检讨、再试作与对策组件的追加,经常变成设计开发时程漫无节制延长,测试费用膨胀的主要原因。

emi主要发生源之一亦即印刷电路板(printed circuit board,以下简称为pcb)的设计,自古以来一直受到设计者高度重视,尤其是pcb layout阶段,若能够将emi问题列入考虑,通常都可以有效事先抑制噪讯的发生,有鉴于此本文要探讨如何在pcb的layout阶段,充分应用改善技巧抑制emi噪讯的强度。

测试条件

如图1所示测试场地为室内3m半电波暗室,预定测试频率范围为30mhz~1000mhz的电界强度,依此读取峰值点(peak point)当作测试数据(图2)。

图3是被测基板a的外观,该基板为影像处理系统用电路主机板,动作频率为27mhz与54mhz,电路基板内建cpu、sub cpu、frash,以及sdram×5、影像数据/数字转换处理单元、影像输出入单元,此外被测基板符合「vcci规范等级b」的要求,测试上使用相同的电源基板(board)与变压器(adapter)。

 
首先针对被测基板a进行下列电路设计变更作业:

‧cpu的频率线(clock line)追加设置emi噪讯对策用滤波器(filter),与频率产生器(clock generator)( 图4)。

‧影像输出入单元追加设置common mode choke coil(dlwxxx系列)(图5)

‧各ic电源输入线的bypass condenser与电源之间,追加设置ferrite beads(图6)。

‧追加设置bypass condenser,使各ic的所有电源脚架,全部从基板电源层(plane)通过bypass condenser提供电源(图7)。



各种emi噪讯对策

a.emi噪讯对策用电容

接着进行emi测试获得图8的测试结果,根据测试结果再进行噪讯抑制设计作业,在此同时将设计变更的被测基板a的设计数据读入emi噪讯抑制支持工具,并针对支持工具指出的主要部位,例如频率线、bus导线via周围,分散设置emi噪讯对策用电容(图9),主要原因是信号导线的return路径如果太长或是非连续状态时,emi噪讯有增大之虞,为了缩短return路径,因此设置连接电源与接地的电容。



图10~图13是改变上述电容容量时的emi噪讯测试结果,根据测试结果显示,依照图14的频率范围设置的大容量emi噪讯对策用电容duf,可以抑制低频噪讯level。虽然设置电容增加pcb的容量负载,不过为了要抑制噪讯,设置在各部位的电容频率特性,却可以发挥预期的emi噪讯抑制效果。



实际应用时只要在频率导线、bus导线等高频导线 图案(pattern)附近、形成cpu、return路径的内层面(plane)的分断附近、形成噪讯出入口的基板侧面附近分散设置emi噪讯对策用电容,就可以消除该部位周边的噪讯。

对各式各样基板外形、组件封装、导线的pcb而言,只要以一定间隔设置emi噪讯对策用电容,同样可以获得分散性的噪讯抑制效果。
 
b.改变基板的层结构

接着针对被测基板a进行层结构改善,制作图15所示6层built up被测基板b,它是利用「pad on via」与「雷射via」加工技术,将上述被测基板a的外层信号线导线变成内层,使return电流可能流入接地plane,外层当作接地plane包覆所有信号层。

改变被测基板结构主要理由是

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