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面對電磁輻射干擾,如何輕松進(jìn)行電子線路設(shè)計布局?

發(fā)布時間:2022-06-20 來源:Excelpoint世健 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電磁環(huán)境包含輻射和傳導(dǎo)能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產(chǎn)品不必要地產(chǎn)生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境,通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產(chǎn)品容忍其他電磁產(chǎn)品的輻射,或傳導(dǎo)電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標(biāo)??箶_度與敏感度相反。敏感度高的設(shè)備抗擾度低。常見的EMC問題包括:電磁輻射發(fā)射超出標(biāo)準(zhǔn)要求;ESD靜電放電問題產(chǎn)生的失效現(xiàn)象如系統(tǒng)死機、系統(tǒng)復(fù)位、顯示面板出現(xiàn)錯誤;產(chǎn)品的輻射抗擾度問題導(dǎo)致某些頻率上產(chǎn)品的信號輸出變化巨大,通信出現(xiàn)錯誤,或系統(tǒng)復(fù)機、死機。


電磁輻射干擾問題


無線通信非常復(fù)雜,要分基帶和射頻,在數(shù)字電子線路設(shè)計中,多數(shù)工程師常常對電磁兼容性(EMC)的問題感到困擾。


EMC是指電子系統(tǒng)在目標(biāo)電磁環(huán)境下保持良好性能且不會向該環(huán)境中引入大量電磁干擾的能力。


電磁環(huán)境包含輻射和傳導(dǎo)能量。EMC也包含輻射和敏感度兩方面。輻射是指產(chǎn)品不必要地產(chǎn)生電磁能量。為了打造一種具備電磁兼容性的環(huán)境,通常需要控制輻射。敏感度是一種用于衡量電子產(chǎn)品容忍其他電磁產(chǎn)品的輻射,或傳導(dǎo)電磁能量影響或其他電磁影響的能力指標(biāo)??箶_度與敏感度相反。敏感度高的設(shè)備抗擾度低。常見的EMC問題包括:電磁輻射發(fā)射超出標(biāo)準(zhǔn)要求;ESD靜電放電問題產(chǎn)生的失效現(xiàn)象如系統(tǒng)死機、系統(tǒng)復(fù)位、顯示面板出現(xiàn)錯誤;產(chǎn)品的輻射抗擾度問題導(dǎo)致某些頻率上產(chǎn)品的信號輸出變化巨大,通信出現(xiàn)錯誤,或系統(tǒng)復(fù)機、死機。針對EMC常見問題,Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu提出了他的看法并給出了解決方案。


電磁輻射原理


使用閉合導(dǎo)體,在其兩端加載時變電流,就會產(chǎn)生波動的磁場和圍繞它的電場。當(dāng)電荷加速移動時,如果同時出現(xiàn)近場和遠(yuǎn)場,近場跟著電荷做加速運動,而遠(yuǎn)場無法與電荷移動同步,就會出現(xiàn)扭結(jié)(Kink)。電場扭結(jié)太大,就會脫離原來的場,輻射出去。


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圖1  電場扭結(jié)及輻射原理


通常來說,采用兩根平行線纜,長度相對比波長短,所產(chǎn)生的電場為近場,我們通常稱為“差分信號”,這種線纜很難產(chǎn)生扭結(jié)(Kink)。如果線纜張開一定的角度,電磁場就會出現(xiàn)不協(xié)調(diào),形成近場和遠(yuǎn)場,產(chǎn)生扭結(jié)(Kink),形成天線,這也是無線通信中的天線原理。


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圖2  遠(yuǎn)場的形成原理


傳輸波形的諧波分量


在數(shù)字電路中,大部分基帶信號都類似于方波,這些波形是無數(shù)依次遞減的諧波分量疊加而成。電流的諧波分量會產(chǎn)生波動的磁場,這些磁場會通過耦合或者輻射的方式往下傳輸。


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圖3  數(shù)字信號的諧波分量


PCB傳輸線路模型


在PBC Layout中,大部分工程師喜歡把電源線或者信號線和地分開布,這樣很危險,因為一旦環(huán)路和高頻信號的波長接近,就會形成一個環(huán)形天線,高頻的諧波頻率會通過電磁場耦合進(jìn)來,形成共振。


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圖4  PCB布線中產(chǎn)生的環(huán)形天線


根據(jù)下面兩種布線,兩個導(dǎo)體會形成一個電容。按照電磁場輻射原理,左邊布線,電子在高頻運動的時候,很容易形成近場和遠(yuǎn)場,產(chǎn)生扭結(jié),發(fā)射電磁波。同時也很容易接收外來電磁波。而右邊布線,電源和地之間,回路足夠小,形成閉合回路,電場輻射就非常微弱,很難產(chǎn)生電場輻射,也很難被其他電磁場干擾。


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圖5  電源和地的布局布線對比


大部分信號,特別是高速信號,都會設(shè)計成差分電路。在差分電路中,主要分為直流分量和交流分量,直流分量不會產(chǎn)生交變磁場,交流分量會產(chǎn)生交變磁場,產(chǎn)生電磁干擾。


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圖6  差分電路模型


有關(guān)差分電路的布局布線問題,其實就是嚴(yán)格按照等長對稱線來實現(xiàn)一個封閉電路,電磁場很難穿透差分電路。這就是為何差分信號的傳輸特性相對比較穩(wěn)定。除了需要對差分信號做等分布線之外,工程師還需要對差分信號做電源匹配和包地。


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圖7  差分電路等長對稱原理


實際上,在電路結(jié)構(gòu)中,各個回路的電源和地才是整個電路中最大的差分對,大多時候,工程師們喜歡把電源布線,布成如圖8所示的結(jié)構(gòu),在早期的單面板產(chǎn)品布局布線中,這算是最好的布線方法。


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圖8  傳統(tǒng)單面板布局布線圖


隨著通信速率要求的提高,圖8中這個布線結(jié)構(gòu)就會形成天線效應(yīng),產(chǎn)生電磁波輻射。所以為了降低電磁干擾,Wolfe Yu建議在布線時將電源和地盡量布在一起。


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圖9  主芯片電源地布線建議


電流匯集模型


有關(guān)電流連續(xù)性的問題,有一個比較形象的比喻:每顆電容都是一個蓄水池,上游存儲的蓄水要大于下游,才不會因為斷流造成河流干枯。電源供電原理相同,設(shè)計不當(dāng),就會引發(fā)強電磁干擾。


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圖10  電流匯集模型之蓄水池理論


再來看看電源拓?fù)?,DCDC電源大致分為三個環(huán)(一說四個環(huán)),高頻交流斬波環(huán)把兩個直流輸入環(huán)和輸出環(huán)分割開來,交流環(huán)主要做高速PWM斬波,產(chǎn)生電磁切割,一旦布線不好,容易產(chǎn)生電磁輻射。


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圖11  DCDC電源拓?fù)鋱D


為了設(shè)計方便,Wolfe建議在布局的時候,把兩個直流環(huán)和交流環(huán)分開布局,方便在布線的時候分開布線。


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圖12  DCDC電源布局布線建議


基于同軸線的全封閉電路


在傳輸線路中,工程師們很難保證電路能夠達(dá)到100%的閉合效果。為了防止在傳輸線上產(chǎn)生電磁輻射,于是提出一種基于同軸線的傳輸方式。同軸線傳輸就是把電磁場封閉在內(nèi)外導(dǎo)體之間,輻射損耗和受外界損耗都非常小。


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圖13  同軸線閉合電磁場


同軸線傳輸解決了高速信號傳輸?shù)碾姶泡椛涞膯栴}。除了電磁輻射問題,電路傳輸中還會面臨另外一個問題。那就是,當(dāng)信號頻率很高的時候,除了阻性負(fù)載,還有容性負(fù)載和感性負(fù)載產(chǎn)生的反射信號,反射信號會疊加在原信號上,改變原信號的形狀,這被稱為“傳輸線損耗”。


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圖14  傳輸線等效模型


圖14是一個傳輸線等效模型,除了阻性負(fù)載,還存在容性負(fù)載和感性負(fù)載。根據(jù)理論公式,很容易計算出傳輸線的阻抗值。為了抵消反射信號,工程師可以在電路源端和負(fù)載之間插入無源網(wǎng)絡(luò),使負(fù)載阻抗和源阻抗共軛匹配,這就是阻抗匹配。


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圖15  阻抗匹配原理


Microchip基于CoaXpress?一攬子解決方案


Excelpoint世健代理的Microchip推出一種基于CoaXpress?的視頻傳輸方案就是基于同軸線的全封閉電路傳輸方案。


EQCO125T40集成均衡器、CDR和電纜驅(qū)動,可以實現(xiàn)在一根電纜或PCB跟蹤對上發(fā)送/接收信號,在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b編碼下行傳輸,以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b編碼的上行傳輸,傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到40m。


同軸電纜固有地被其外部導(dǎo)體屏蔽,從而使其對許多操作環(huán)境中存在的外部電磁干擾(EMI)高度耐受,特別是在嘈雜的工廠環(huán)境中。這使CoaXpress可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境,是高清攝像頭鏡頭傳輸?shù)牟欢桨浮?/p>


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圖16 基于CoaXpress?的視頻傳輸方案


這顆芯片搭載在基于Microchip PolarFire?視頻平臺上,客戶可以利用Microchip提供的免費IP包輕松完成產(chǎn)品開發(fā),縮短開發(fā)流程。


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圖17  Microchip PolarFire?視頻平臺


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圖18  MIC28517評估板


同時,Excelpoint世健為客戶提供相關(guān)參考設(shè)計以及技術(shù)指導(dǎo),針對國內(nèi)客戶在進(jìn)行DCDC設(shè)計以及布局布線時容易出現(xiàn)的一系列技術(shù)瓶頸,推出一系列PCB布線指導(dǎo),同時也提供PCB設(shè)計文件讓客戶方便導(dǎo)入,幫助客戶輕松進(jìn)行電子線路設(shè)計布局。



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