【《硬件架构的艺术》读书笔记】09 电磁兼容性能设计指南（2）

这一节就大致浏览一下，不细看了。

9.6 减少EMC/EMI的技术

三个方法：1、在源头抑制发射。2、耦合路径尽可能低效。3、受体几乎不受发射影响。

9.6.1 系统级技术

9.6.1.1 展频时钟技术（SSC）

在数字系统内。周期性的时钟信号是EMI辐射的主要原因。此外，控制与计时信号、地址和数据总线、互连电缆和连接器都会产生EMI发射。

屏蔽是通过覆盖发射位置来减少EMI发射的一种简单方式，但额外增加了重量、空间和费用。

低通滤波器减少EMI也有自身层面的问题，如对高速系统无效，另一个问题是技术不是系统性的，在任意一个指定节点降低EMI并不能减少在其他节点的发射。

更有效的方法：展频时钟技术。将辐射传播到更宽频带来减少辐射发射。频带增宽，辐射也会减少。

调制频率通常选择大于30kHz（大于声频带），常用60~90kHz（感觉好小呀），这样就可以从源头上控制和减少EMI发射。

优势：所有时钟和来自SSC时钟的的时序信号都是以相同百分比来调制的，导致整个系统内的EMI极大地减少了。

除减少EMI，SSC还有利于电路板线路与时钟驱动器负载之间的阻抗匹配。

9.6.1.2 差分时钟

 差分时钟要求时钟发生器同时提供时钟和反向时钟，反向时钟有与主时钟大小相等方向相反的电流。两个时钟线需要按已选择路线并排在一起。

差分时钟引起EMI减小是因为磁场抵消，如下图，两股电流产生的磁场相互抵消，减少磁场导致辐射降低。

 

 与单端时钟不同，单端时钟噪声出现在基准面，可能耦合到输入输出线中。与此不同，差分时钟回路是反向时钟信号，比基准面提供了更好的隔离，减少输入输出线耦合，从而减少EMI。

通常两条线应尽量靠近。把地线放在差分时钟外侧可以进一步减少辐射。

9.6.2 板级技术

 9.6.2.1 电源输入滤波

消除动态干扰问题的首要机会在电路的电源或信号输入点。

 

 图中输入点没有加装滤波器，传播到电路板1的传导干扰信号能够辐射或耦合到电路板2。

 

 在输入点加装滤波器有利于抑制传导的干扰信号。

9.6.2.2 更多的滤波器

信号噪声源不能消除时，推荐把滤波器作为最后的手段。

EMI滤波器

EMI滤波器通常由电容和电感组成，高阻抗节点需要电容器，低电阻节点需要电感器。

连接到滤波器的阻抗是高阻可以使用穿心电容。穿心电容器并不提供节点间高频电流隔离。

L型电路：电容器旁边有一个电感器。适用于输入和输出阻抗差别很大的情况，感性元件连接至最低阻抗段。

 

 PI型电路：两个电容围着一个电感。输入输出阻抗差别很大时适用。高阶衰减时也可用PI型网络。

 

 T型电路，一个电容器两侧均有一个电感器。输入输出都是低阻时最适用。

其他可选方案：电源输入点适用铁氧化磁环（衰减1MHz以上频率又不导致低频功率损耗）。

9.6.2.3 元件布局

 有噪声器件应与敏感电子器件物理隔离，物理隔离可采用距离分离或屏蔽的形式。建议遵守以下指导原则：

1、供电电路与模拟和数字逻辑电路分开。最简单方法：采用独立PCB放置供电电路。

2、同一时钟线相关的所有部件尽量靠近放置。可减少走线长度，进而减少辐射。

3、将大电流器件尽可能靠近电源。

4、高频部分尽量不使用插座。插座会引起高电感和阻抗失配。

5、晶振、震荡源和时钟放声器远离输入/输出端和电路板边缘。

6、晶振平放在PCB上，从而减少到地距离，并产生更好的电磁场耦合。

7、晶振的固定带接地。不接地，固定带会像天线一样产生辐射。

9.6.2.4 接地路径

发送的噪声在离开系统前确保噪声找到接地路径。接收的噪声在到达系统敏感部分前确保找到接地路径。

1、不要将接地层和电源层分开。

2、数字地和模拟地分开。

3、不要改变有信号走线的层。

4、连接所有接地通孔到每个接地层。

5、使接地层至少比电源层长5倍。

9.6.2.5 线路布局

电容耦合中，源的上升沿会引起受体的上升沿。电感耦合中，受体电压的变化与源变化方向相反。

大部分串扰都是容性串扰。

线路长度超过波长的1/10时通常就变得重要了。军用标准是波长的1/20至1/30。对于骑车和消费电子的两层板，达到波长1/50就变得严重了。超过这些范围，线路就像天线会增加辐射。

9.6.2.6 制作分区

处理EMC的好方法：将PCB分隔成更小的区域，在每个区域中处理问题。图中分区1包括关键部分，分区2和分区3包括非关键部分。

 

 下图是将一个分区放在另一个分区内部的方法。

 

 最内层可能包含噪声最大的信号，离开这个分区所有传输线必须经过过滤。每一个分区输出都需要经过过滤。

1、微控制器等高速逻辑电路应当靠近电源放置，低速部件可以放远一些，模拟器件可以放更远。

2、振荡器原理模拟电路、低俗信号和连接器。

3、微控制器应紧靠稳压器，而稳压器紧靠进入电路板的“电池电压”。

9.6.2.7 电源耦合

逻辑门翻转供电线路产生瞬态电流。这些瞬变电流必须衰减和过滤掉。

压降：

减小电感或减少电流变化可以减少压降。

 去耦电容：

1、充电源，减少电压骤降和接地漂移。

2、为电源层高频返回电流提供了一种接地路径。

自谐振：

 

 

 最好为每个元件都配置旁路电容。如果做不到，可以精力集中在高频器件而忽略频率较低的器件。

9.6.2.8 印刷电路板配电和去耦电容器

MCU在时钟脉冲边缘的极短尖峰会从电源吸取电流，当IO线紧栓在一起，尖峰可能会有较大的幅值。必须用去耦电容将这种电流尖脉冲释放掉。

 

 

 图9.14电容离MCU过远导致产生较大的电流回路，噪声很容易扩散到电路板上其他器件。除了作为大电流的回路外，接地层接充当了这种噪声的天线。

 

 

 图9.15是一个电容放在离MCU较近位置的好例子。大电流回路线路并不是电源层或者接地层的部分，避免了任何噪声的广泛传播。

 

 9.16是另一个改进的例子，通过增加一个串联电感减小电源层的开关噪声。电感值应使压降可以忽略不计。

为了更好和更有效地去耦，建议将电源线和接地线紧挨放置。尽可能多的设计电源/接地线对将电流分为多条路径。电源到地的电流分流到许多更小的回路中，从而明显改善EMC性能。