如何快速解決PCB設計EMI問題

發布時間：2009-5-1 14:30 發布者：賈延安

關鍵詞： EMI , PCB

隨著電子系統的復雜度越來越高，EMC問題也越來越多。為了使自己的產品能達到相關國際標準，設計人員不得不往返于辦公室和EMC實驗室，反復地測試、修改設計、再測試。這樣既浪費了人力，物力，也拖延了產品的上市時間，給企業帶來不可估量的損失。于是，如何在產品設計的階段就及時發現EMI問題變得重要。PCB布局、布線以及電源層的處理對整個電路板的EMI問題有著非常重要的影響。本文將通過實例分析討論如何利用EMIStream來解決板級EMI問題。隨著電子系統的復雜度越來越高，EMI問題也越來越多。為了使自己的產品能達到相關國際標準，設計人員不得不往返于辦公室和EMC實驗室，反復地測試、修改設計、再測試。這樣既浪費了人力，物力，也拖延了產品的上市時間，給企業帶來不可估量的損失。于是，如何在產品設計的階段就及時發現EMI問題變得重要。PCB布局、布線以及電源層的處理對整個電路板的EMI問題有著非常重要的影響。本文將通過實例分析討論如何利用EMIStream來解決板級EMI問題。
電磁干擾(EMI)分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號，通過導電介質或公共電源線互相干擾。輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號，通過空間耦合傳給另一個電路網絡或電子設備，
在PCB電路板中，電磁能的存在有兩種形式，即差模EMI和共模EMI。當器件輸出的電流流入一個負載時，就會產生差模EMI。當電流流經多個導電平面，如PCB上的導線組或電纜，就會產生共模EMI。圖1給出了差模EMI和共模EMI的示意圖。

差模EMI的計算采用如下公式：

其中，Ip表示電流強度，f表示共模電流的頻率，Ls表示環路面積，d表示測量天線到電纜的距離。
共差摸輻射的計算采用如下公式：

其中，I表示電流強度，f表示共模電流的頻率，L表示電纜線長度，d表示測量天線到電纜的距離。
解決EMI的主要方法是減少電路板上由各種原因產生的輻射能量，而控制EMI的關鍵，是降低電源地平面諧振和電路回流的路徑阻抗，并正確放置旁路和去耦電容。
本文使用EMIStream工具對板極EMI問題進行分析。EMIStream工具的兩大主要功能是支持PCB板全部網絡的EMI分析以及電源諧振分析。EMIStream是由日本NEC公司基于多年EMI設計經驗開發的應用軟件，可以用于Cadence、MentorGraphics、Zuken和Altium等公司的設計工具中的各種PCB設計流程，在PCB制造之前解決EMI問題。EMIStream軟件內建13條經典EMI檢查規則，均經過日本NEC內部產品實際設計結果驗證，每個檢查規則的設置值是經過實際驗證的最佳理論值。
1．EMIStream分析流程
圖2是使用EMIStream對電路板進行分析的設計流程。EMIStream嵌入在PCB設計的全過程，在設計階段解決EMI問題有利于減少反復設計的次數。

圖2：使用EMIStream對電路板進行分析的設計流程。

2．布局的EMI檢查
A)當完成布局后，把Allegro數據直接導入EMIStream工具。 EMIStream和Mentor、Zuken、Altium等其他公司的主流PCB設計工具也都有接口，保證數據的完全導入。
B)設定層疊信息，根據PCB板的層疊信息，填寫入EMI。
C)根據電路的設計數據，正確填寫電路中相關NET的頻率、串擾組、差分對、電源地信號的設置。
D)設置規則的參數，我們選擇采用默認參數，同時選擇長度檢查和最大輻射值檢查項目對該板實施檢查。
檢查結果以對話框的形式顯示出來，用戶點擊錯誤提示，查看有問題的NET，然后采用下面兩個方法來消除EMI問題：(1)調整零件的布局位置，減少NET總的長度；(2)調整網絡的拓撲結構，減少共模輻射的強度。
3：布局布線中和完成以后的EMI檢查：
A：當布局布線完成后，實施整板網絡檢查，通過NET Parameter選擇需要檢測的所有關鍵信號，比如時鐘、數據、地址線、差分對等，同時可以任意選擇13條規則作為EMI檢查的基準。
B：13規則包括傳導輻射分析用的2個規則、電流回路分析用的3個規則、電源和地層分析的2個規則、信號完整性分析的4個規則、元件布局分析的2個規則。
C:檢查結果以對話框的方式顯示出來，按照網絡的EMI問題的嚴重程度從上到下逐一列出。打開每一條出錯網絡，將列出全部EMI出錯信息(錯誤列表)，有的出錯信息還會顯示修改提示，最后列出該網絡的最大輻射值以及差模輻射共模輻射值；同時，該網絡在PCB版圖上將高亮度顯示，所有錯誤用紅圈在網絡上標出(圖3)。

圖3：檢查結果以對話框的方式顯示出來，出錯網絡在PCB版圖上將高亮度顯示，所有錯誤用紅圈在網絡上標出。

例如，第一個錯誤提示該網絡沒有完整的電流回路，點擊該錯誤，畫面放大顯示并用紅圈標示錯誤的位置。同時，還會彈出對話框，顯示錯誤的原因，并給出幾個修改建議。這些建議包括：(1)修改導線的路徑避免跨不同NET的銅箔，導致參考平面不完整，阻抗失配。(2)修改銅箔的外形，使導線擁有完整的參考平面。第二個錯誤是該網絡的最大輻射dB值，分為差模和共模輻射值。
D：然后，顯示發現的銅箔錯誤，比如GND銅箔邊緣缺少過孔、過孔間距過大等。
E：串擾檢查幫助檢查同一層并行走的部分或相鄰層交叉的布線是否有串擾。建議修改并行太長的走線。
4．電源地平面諧振分析
在完成了對網絡的檢查并做了相應的修改，接下來針對電源地平面進行諧振分析。EMIStream通過模擬板的形狀和電源、地平面之間形成的電容進行建模,并運用SPICE電路仿真進行解析。用紅色表示大的電壓波動,藍色表示小的電壓波動。
首先對3V3的電源層面進行分析，鼠標點擊選擇3V3電源平面，填寫和3V3電源平面最近的GND平面的間距，介質常數信息。修改Option選項中的計算網格大小為3毫米，設置掃描頻率從30MHz到2GHz,步長為10MHz。點擊RUN開始分析，結果如圖4所示。

圖4：電源地平面諧振分析顯示結果。

諧振分析結果有兩種圖形顯示：一種是PCB版圖上的波動電壓分布圖，紅色的區域為電壓波動相對較大的地方，藍色為電壓波動相對較小的地方；另一種是在設定的頻率范圍內的全部諧振頻率點，其峰值波動電壓是否超標可以從選定的電磁標準曲線上看出。從圖5左圖中可看出，電源/地平面在1.5GHz附近有很多諧振點。
對于電源/地平面諧振問題，可以通過在電壓波動相對較大的地方增加退耦電容來減少諧振。EMIStream系統自帶了常用電容的RLC模型，如果需要特別的RLC電容模型，用戶可以自由添加。我們在幾個紅色地方添加C104的電容。需要注意一點的是，采用電容串聯電阻的效果可能更好一些。再使用相同的設置，重新進行分析，結果見圖5右圖。此時的分析結果得到明顯改善，剛才紅色的區域都變成藍綠色，從2G以下的最大諧振值都降到-5dB以下,滿足了系統的設計要求。
本文小結
PCB設計的EMI問題是一個非常復雜的問題，需要用各種方法來綜合處理，通過該案例分析，可以發現：(1)聯合使用EMIStream工具和PCB設計工具，可以大大提高設計效率；(2)可在PCB設計階段發現并解決EMI問題，減少反復修改的次數，節約成本；(3)與通常的SI分析工具相比，不需要IBIS模型，不是對一個網絡而是對全部網絡進行分析，很快(一分鐘)可出結果；(4)可以立竿見影的幫助PCB工程師，幫助改進布局布線策略，減小電路板的EMI干擾的發射；(5)有效地提高設計質量，縮短設計周期，加快產品上市時間。

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