电路板地EMC设计指南.doc

/PCBPCB的的EMCEMC设计指南设计指南_ 艾默生网络能源有限公司艾默生网络能源有限公司/修订信息表修订信息表版本修订人修订时间修订内容 V1.0李瑞林2001-05-27新拟制 V1.1李瑞林2002-05-16规范化模板,调整部分内容 V1.2李瑞林2005-09-13调整部分内容 V2.0骆昊2006-07-16调整部分内容/目目 录录 前言前言.5 目的目的.7 范围范围.7 引用引用/参考标准或资料参考标准或资料.7 名词解释名词解释.7 指南简介指南简介.7 指南内容指南内容.7 第一部分第一部分层的设置层的设置.8 1.1 弱信号单板的合理层数.8 1.2 电源层、地层、信号层的相对位置.8 1.3 强信号单板的合理层数.13 第二部分第二部分布线布线.14 2.1 布线基本规则.14 2.2 串扰.22 2.3 优选布线层.24 2.4 阻抗控制.25 2.5 跨分割区及开槽的处理.26 第三部分第三部分地回路设计地回路设计.32 3.1 地的分割与汇接.32 3.2 接地的含义.32 3.3 接地的目的.32 3.4 基本的接地方式.32 3.5 地线回路导致的电磁干扰.33 3.6 接地和信号回路（涡流除外）.34 3.7 浮地.34 3.8 关于接地方式的一般选取原则.34 3.9 单板接地方式.34 第四部分第四部分典型电典型电路路的的PCB设计设计.36 4.1 概述.36 4.2 功率主电路的PCB EMC布局原则.36 4.3 PFC电路的布局.41 4.4 单端正激电路.42 4.5 单端反激电路.47 4.6 非隔离电路（正激）.48 4.7 双正激电路.48 4.8 全桥电路.51 4.9 半桥逆变电路.53 第五部分第五部分电源电源EMI滤波器的滤波器的PCB设计设计.56 5.1 概述.56 5.2 EMI滤波器的基本结构.56 5.3 布局考虑.56 5.4 布线考虑.58 第六部分第六部分传传输线输线.60 6.1 概述：.60 6.2 传输线模型.60 6.3 传输线的种类.60 6.3.2带状线（Stripline）.60 6.3.3嵌入式微带线.61 6.4 传输线的反射.62 6.5 微带线与带状线的比较.64/前言前言近几年，EMC 问题在我们的产品开发过程中越来越突出，为了保证产品高可靠性、较短的开发 周期、有竞争力的价格，我们必需在产品开发前期就把 EMC 问题解决好。而通过解决单板上的 EMC 问题更是解决整个产品 EMC 问题的最好途径。电磁兼容性(EMC-Electromagnetic Compatibility)，根据国家军用标准 GJB72-85电磁干扰 和电磁兼容性名词术语第 5.10 条，定义为：“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起 执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导 致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备(分系统、系统)，因受其电磁发射 而导致或遭受不允许的降级。 ”在一个电子系统中，印制板作为硬件系统的核心部件之一，印制板设计的好坏将直接影响到 整个系统的稳定性，因此，在设计之初就充分考虑到电磁兼容的问题，考虑到信号的完整性等， 无疑将提高系统的稳定性，缩短开发周期，提前将稳定的系统推向市场。在任何设计中，经验永远占有一席之地,在处理 EMC 问题上，经验与技术诀窍仍然如此，从电 路设计开始就参考抑制 EMI 的技术人员汇总的经验与技术诀窍，将之成功地运用于系统设计中， 将产生事半功倍的效果。然而，随着系统越来越复杂化，系统频率越来越高，已有的一些经验不 一定适合现在和将来的要求，但从设计初期就开始考虑 EMC 问题、考虑信号完整性，进行可生产、 可测试、可维护性设计，始终是设计时应该考虑的问题。对于新出现的问题，目前一般采用模拟分析的方法，但是由于该方法对设计人员经验等要求 相对较高，而且一些问题诸如过孔与焊接模型的建立等还存在一些问题，比较完整的系统数学模 型建立也是一个长期和复杂的工程，导致仿真程序的结果也并不尽如人意。而且系统将来运行环 境的模型化也有一定的困难，仿真程序也难以包含所有的情况。对我司产品而言，目前绝大部分 设计还很难做到这一步。因此，经验的积累与传授仍将是一项长期的任务。纵观国内外业界精英的做法，无一不是在产品的预研、开发阶段投入大量精力，在设计阶段 开展 EMC 工作，避免可能出现的电磁兼容问题。我司在 EMC 等产品专项工程方面也开展了一系列 的研究并取得一定的成绩，EMC 研究室、CAD 室、以及相关产品线均做出一些探索性的工作。作为 EMI 的源头，器件选型、原理设计、PCB 设计已逐渐引起重视，硬件开发人员对 PCB 的 EMC 设 计提出了要求。为了对 PCB 的 EMC 设计成果加以总结、推广，同时对一些未知的领域进行积极的 探索，在 EMC 室和 CAD 室的积极参与下，由金明宇、骆昊、李瑞林、原晓霞、候俊锋在参考了我 司以前对 EMC 方面进行的总结，共同编制了PCB 的 EMC 设计指南 。文中的有些观点、建议仅仅 是现有工作经验的总结，由于 EMC 领域的诸多未知因素，加上编者的水平有限，错误、疏漏之处 在所难免，还望大家不断批评、指正。对于本文的任何不明白之处，以及任何有益建议请与 EMC 室、CAD 室联系，共同探讨 PCB 的 EMC 设 计过程中的任何实际问题。同时感谢那些为此指南作过经验积累的同事及前同事胡寿林、谢敏仙、操方星、钱柏年、李 静、汤昌茂、胡庆虎、于小卫。本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施，适用于 ENPC 的 PCB 设计。本规范由 各产品开发部、电子工艺部 等部门参照执行。本规范拟制部门： 电子工艺部/本规范拟制人：骆昊本规范会签人：金明宇、李瑞林、原晓霞、候俊锋本规范批准人：季明明本规范发布人：研发业务管理办/目的目的本指导书旨在指导公司 PCB 的 EMC 设计，将电路 EMC 设计要求在 PCB 中得以实现。本书旨在对我司 PCB 的 EMC 设计现有成果加以总结、推广，结合我司 PCB 设计过程中的经验教训 以及产品的 EMC 测试数据，谨供各位硬件工程师进行 PCB 的 EMC 设计时参考。本指导书会不断升 级，请使用最新版本。范围范围本指导书适用我司所有正式产品的 PCB EMC 设计。 引用引用/参考标准或资料参考标准或资料略名词解释名词解释EMCEMC：Electromagnetic Compatibility，电磁兼容EMIEMI：Electromagnetic Interference，电磁干扰弱信号：在本文中电压小于等于 Rms 15V 以下，同时电流小于等于 100mA 以下的信号。强信号：在本文中电压大于 Rms 48V 以上，同时电流大于 2A 以上的信号。指南简介指南简介为了正确进行单板的EMC设计，特制定本指南。指南内容指南内容/第一部分第一部分 层的设置层的设置1层的设置层的设置在 PCB 的 EMC 设计考虑中，首先涉及的便是层的设置；单板的层数由电源、地的层数和信号层数 组成；电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、地平面的分割对单板的 EMC 指标至关重要。1.11.1弱信号单板的合理层数弱信号单板的合理层数根据单板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率、有特殊布线要求的信号数量，以及综合 单板的性能指标要求与成本承受能力，确定单板的层数；对于 EMC 指标要求苛刻（如：产品需认 证 CISPR22 CLASS B）而相对成本能承受的情况下，适当增加地平面乃是 PCB 的 EMC 设计的杀手锏 之一。1.1.11.1.1VccVcc、GNDGND 的层数的层数单板电源的层数由其种类数量决定；对于单一电源供电的 PCB，一个电源平面足够了；对于多种电 源，若互不交错，可考虑采取电源层分割（保证相邻层的关键信号布线不跨分割区） ；对于电源互 相交错（尤其是象 8260 等 IC，多种电源供电，且互相交错）的单板，则必须考虑采用 2 个或以上 的电源平面，每个电源平面的设置需满足以下条件：单一电源或多种互不交错的电源；相邻层的关键信号不跨分割区；地的层数除满足电源平面的要求外，还要考虑：元件面下面（第 2 层或倒数第 2 层）有相对完整的地平面；高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面；关键电源有一对应地平面相邻（如 5V 与 GND 相邻） 。1.1.21.1.2信号层数信号层数在 CAD 室现行工具软件中，在网表调入完毕后，EDA 软件能提供一布局、布线密度参数报告，由此 参数可对信号所需的层数有个大致的判断； 经验丰富的 CAD 工程师，能根据以上参数再结合板级 工作频率、有特殊布线要求的信号数量以及单板的性能指标要求与成本承受能力，最后确定单板 的信号层数。信号的层数主要取决于功能实现，从 EMC 的角度，需要考虑关键信号网络（强辐射网络以及易受 干扰的小、弱信号）的屏蔽或隔离措施。1.21.2电源层、地层、信号层的相对位置电源层、地层、信号层的相对位置 1.2.11.2.1VccVcc、GNDGND 平面的阻抗以及电源、地之间的平面的阻抗以及电源、地之间的 EMCEMC 环境问题环境问题电源、地平面存在自身的特性阻抗，电源平面的阻抗比地平面阻抗高；为降低电源平面的阻抗，尽量将 PCB 的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并且尽量靠近，利 用两者的耦合电容，降低电源平面的阻抗；/电源地平面构成的平面电容与 PCB 上的退耦电容一起构成频响曲线比较复杂的电源地电容，它的 有效退耦频带比较宽， （但存在谐振问题） 。1.2.21.2.2VccVcc、GNDGND 作为参考平面，两者的作用与区别作为参考平面，两者的作用与区别电源、地平面均能用作参考平面，且有一定的屏蔽作用；但相对而言，电源平面具有较高的特性 阻抗，与参考电平存在较大的电位势差；从屏蔽的角度，地平面一般均作了接地处理，并作为基 准电平参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面；在选择参考平面时，应优选地平面。1.2.31.2.3电源层、地层、信号层的相对位置电源层、地层、信号层的相对位置对于电源、地的层数以及信号层数确定后，它们之间的相对排布位置是每一个 EMC 工程师都不能 回避的话题；单板层的排布一般原则：元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；所有信号层尽可能与地平面相邻；尽量避免两信号层直接相邻；主电源尽可能与其对应地相邻；兼顾层压结构对称。注：具体 PCB 的层的设置时，要对以上原则进行灵活掌握，在领会以上原则的基础上，根据实际 单板的需求，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等，确定层的排布：四层板，优选方案 1，可用方案 3方案电源层数地层数信号层数12341112SGPS2112GSSP3112SPGS表- 1 四层板解决方案表方案 1：/TOPGNDPOWERBOTTOM图 1 四层 PCB 的主选层设置方案此方案为 CAD 室现行四层 PCB 的主选层设置方案，在元件面下有一地平面，关键信号优选布 TOP 层；至于层厚设置，有以下建议：满足阻抗控制芯板（GND 到 POWER）不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去耦效果；推 荐芯板厚 0.2mm，4 层板采用 1.0 的板厚。为了达到一定的屏蔽效果，有人试图把电源、地平面放在 TOP、BOTTOM 层，即采用方案 2。方案 2：GNDPOWERS1S2图 2 四层板解决方案 2此方案为了达到想要的屏蔽效果，至少存在以下缺陷：电源、地相距过远，电源平面阻抗较大电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整由于参考面不完整，信号阻抗不连续实际上，由于我司大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法 作为完整的参考平面，预期的屏蔽效果很难实现；方案 3：TOPGNDPOWERBOTTOM/图 3 四层板解决方案 3此方案同方案 1 类似，适用于主要器件在 BOTTOM 布局或关键信号底层布线的情况；六层板，优选方案 3，可用方案 1，备用方案 2、4方案电源地信号1234561114S1GS2S3PS42114S1S2GPS3S43123S1G1S2PG2S34123S1G1S2G2PS3表- 2 六层板解决方案表对于六层板，优先考虑方案 3，优选布线层 S2，其次 S3、S1。主电源及其对应的地布在 4、5 层， 层厚设置时，增大 S2-P 之间的间距，缩小 P-G2 之间的间距（相应缩小 G1-S2 层之间的间距） ，以 减小电源平面的阻抗，减少电源对 S2 的影响；在成本要求较高的时候，可采用方案 1，优选布线层 S1、S2，其次 S3、S4，与方案 1 相比，方案 2 保证了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但 S1、S2、S3、S4 全部裸露在外，只有 S2 才有较好 的参考平面；对于局部、少量信号要求较高的场合，方案 4 比方案 3 更适合，它能提供极佳的布线层 S2。八层板：优选方案 2、3、可用方案 1方案电源地信号123456781125S1G1S2S3PS4G2S52134S1G1S2G2PS3G3S43224S1G1S2P1G2S3P2S44224S1G1S2P1P2S3G3S45224S1G1P1S2S3G2P2S4/表- 3 八层板解决方案表对于单电源的情况下，方案 2 比方案 1 减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地相邻，保证了 所有信号层与地平面相邻，代价是：牺牲一布线层；对于双电源的情况，推荐采用方案 3，方案 3 兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源与地相 邻等优点，但 S4 应减少关键布线；方案 4：无相邻布线层、层压结构对称，但电源平面阻抗较高；应适当加大 3-4、5-6，缩小 2- 3、6-7 之间层间距；方案 5：与方案 4 相比，保证了电源、地平面相邻；但 S2、S3 相邻，S4 以 P2 作参考平面；对于 底层关键布线较少以及 S2、S3 之间的线间窜扰能控制的情况下此方案可以考虑；十层板：推荐方案 2、3、可用方案 1、4方案电源地信号123456789101136S1G1S2S3G2PS4S5G3S62145S1G1S2G2S3G3PS4G4S53235S1G1S2P1S3G2P2S4G3S54244S1G1S2G3P1P2G3S3G4S4表- 4 十层板解决方案表方案 3：扩大 3-4 与 7-8 各自间距，缩小 5-6 间距，主电源及其对应地应置于 6、7 层；优选布线 层 S2、S3、S4，其次 S1、S5；本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾了性能、成本；推 荐大家使用；但需注意避免 S2、S3 之间平行、长距离布线；方案 4：EMC 效果极佳，但与方案 3 比，牺牲一布线层；在成本要求不高、EMC 指标要求较高、且 必须双电源层的关键单板，建议采用此种方案；优选布线层 S2、S3,对于单电源层的情况，首先考虑方案 2，其次考虑方案 1。方案 1 具有明显的成本优势，但相邻布 线过多，平行长线难以控制；十二层板：推荐方案 2、3，可用方案 1、4、备用方案 5方 案电 源地信 号1234567891011121147S1G1S2G2S3PS4G3S5S6G4S7/2156S1G1S2G2S3G3PS4G4S5G5S63246S1G1S2G2S3P1G3S4P2S5G4S64255S1G1S2G2S3G3P1P2G4S4G5S55237S1G1S2S3P1G2S4S5P2S6G3S7表- 5 12 层板解决方案表以上方案中，方案 2、4 具有极好的 EMC 性能，方案 1、3 具有较佳的性价比；以上层排布作为一般原则；具体设计过程中可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要 求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上排布原则灵活掌握。1.31.3强信号单板的合理层数强信号单板的合理层数根据单板的功率密度、器件密度、功率流向是否顺畅，开关管的 dV/dt，等有特殊布线要求的 信号，同时综合单板的成本，确定单板的层数，推荐 4 层板。/第二部分第二部分 布线布线2布线布线2.12.1布线基本规则布线基本规则在这里就一些设计中应该遵循的基本规则，结合以前在设计中出现的问题，作一些简单的说明：2.1.12.1.1信号回流最小规则信号回流最小规则图 4 信号回流最小规则即环面积最小规则，环面积越小，对外的辐射越少。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到 地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源 留下足够空间的情况下，应该将双面留下的部分用地信号填充，且增加一些必要的孔，将双面地 信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其 地平面回路问题，建议采用多层板为宜。2.1.22.1.2窜扰分析与控制规则窜扰分析与控制规则 图 5 窜扰分析示图主要针对比较长的平行走线而言，同时满足了 5-5 原则的信号，一般来说，采用差分信号方 式设计，能产生比较理想的效果；在背板设计中，一般采用中间隔地方式；对普通的印制板设计 来说，应该尽量将线间距离尽量隔开一些，满足 3W 原则以减低窜扰。2.1.32.1.3走线屏蔽规则走线屏蔽规则 /图 6 走线屏蔽规则对应信号回流最小规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多见于一些比较重要的信 号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用同轴电缆屏蔽 结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平 面有效结合。注意：当采用屏蔽规则时，最好应用在一些微弱的信号上，同时保证屏蔽层的良好接地。对于一 般的信号来说，如果屏蔽层的阻抗非常小也是可以采用的。2.1.42.1.4走线的方向控制规则走线的方向控制规则图 7 走线的方向控制规则即相邻层的走线方向成正交结构，这是设计的基本要求，但在实际设计中很难做到，在设计中应 该尽量去做。不要将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的窜扰；对背板上出现 该情况，特别是信号速率又高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。对于一些复杂器件（如：BGA 封装的器件）来说不可避免要违反正交原则，这时要注意各类信号的 扇出方向，同种类型的网络在一起。2.1.52.1.5走线的开环检查规则走线的开环检查规则 /图 8 走线的开环检查规则主要是为了避免产生“天线效应“，我们知道，在天线的末端面积越小，其发射效果越显著。对一 些高频信号，一定要避免这样的设计产生，否则可能带来不可预知的结果。PCB 板防天线布线如下 图所示。2.1.62.1.6阻抗匹配检查规则阻抗匹配检查规则 主要是为了防止产生反射，在设计中应该尽量避免这样的设计发生，有时设计无法避免类似的结 构时，我们应该尽量减少中间不一致部分的有效长度，对诸如 BGA 之类的器件，这类问题将可能 难以避免。2.1.72.1.7走线终结网络规则走线终结网络规则图 9 走线终结网络规则就是通常所说的终端匹配原则，对母板上的长线及一些时钟线，要仔细分析其可能带来的影响， 选择对应的匹配方案。在这个问题上，一定要结合实际的布局来综合考虑，否则可能产生匹配电 阻满板加的情况。终端匹配电阻在走线末端。2.1.82.1.8走线闭环检查规则走线闭环检查规则/图 10 走线闭环检查规则即布线自环规则，主要是一些设计由于层数太多而没有注意到这类问题的发生，在设计中，务必 使重要信号不要产生类似的结构，尽量减少信号由于形成环状而产生的辐射大增情况。2.1.92.1.9走线的分枝长度控制规则走线的分枝长度控制规则图 11 走线的分枝长度控制规则尽量控制分枝的长度，一般的要求是 Tdelay LGP > LPP ；(即优选地作参考平面)D，确保关键走线未跨分割区的布线层；需要强调的是：PCB 的设计需要综合考虑功能实现、成本、EMC、工艺、美观等多种因素，在 优选布线层上，没有一成不变的原则。以上建议作为一般指导原则，CAD 工程师的价值也就在于在 多种因素中，折衷考虑，找到最佳解决途径。例如：在布局部分第一章关于十层板有如下层排布方案：方案电源地信 号123456789101136S1G1S2S3G2PS4S5G3S62145S1G1S2G2S3G3PS4G4S53235S1G1S2P1S3G2P2S4G3S54244S1G1S2G3P1P2G3S3G4S4在方案 1 里，由于 S2、S3 均在内层，且