印刷電路板設(shè)計(jì)-在真實(shí)設(shè)計(jì)里的EMI控制(共137頁pdf下載)內(nèi)容很精彩

ID:384029 · 發(fā)表于 2018-11-8 10:41

Dr. Archàbeau˿t為IBM之資深EMI工程師，在EMI之分析上有非常深入之研究。我曾于 2002 年初參加過其于馬里蘭大學(xué)開辦之一短期課程，受益良多。同年 8 月間于 IEEE 研討會(huì)尋得并購買本書，特將之整理編譯以與大家分享。

Bruce上課之費(fèi)用極為高昂，但確有其價(jià)值。我參加過其課程后曾與其聯(lián)繫希望能促成其至臺(tái)北開課，惜因時(shí)間、費(fèi)用等因素未能實(shí)現(xiàn)，殊為可惜。但花些時(shí)間研讀其著作，相信也可讓大家獲益不少。本書內(nèi)容闡述許多 EMI 之基本觀念，對(duì)于 EMI 工程師是很好的教科書。同時(shí)對(duì)于相關(guān)之產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師，如電子、Layout、機(jī)構(gòu)工程師，也是建立正確 EMI 觀念之教材。畢竟，好的 EMI 產(chǎn)品設(shè)計(jì)是要各部分配合的。閱讀本書可以知道要如何做好 EMI 設(shè)計(jì)，更重要的是知道其原理為何，讓你不僅可以知其然，更知其所以然。

對(duì)不同的人而言，EMI/EMC控制代表著不同的涵義。對(duì)商業(yè)應(yīng)用言，如錄影機(jī)、個(gè)人電腦、電視機(jī)等，其管制規(guī)范較之軍規(guī)/TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)要鬆一些，但是。其還是有一定之困難度。商用產(chǎn)品較鬆標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果是，設(shè)計(jì)人員常被要求要降低干擾及耐受特性，以因應(yīng)降低生產(chǎn)成本之目的。在EMI/EMC設(shè)計(jì)上之取捨很清楚，但對(duì)于是否絕對(duì)需要某些 EMI/EMC元件就沒有那麼清楚了。傳統(tǒng)上，EMI/EMC工程師使用以往之經(jīng)驗(yàn)、公式、材料手冊(cè)上之圖表，來從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)之各個(gè)階段。在大學(xué)或是任何機(jī)構(gòu)裡，很少有高品質(zhì)之EMI/EMC工程師等級(jí)之訓(xùn)練，許多在此領(lǐng)域工作之工程師，會(huì)發(fā)現(xiàn)到這種傳統(tǒng)之方法會(huì)越來越不適用了。，太空，以及其他因安全原因必須控制輻射之應(yīng)用，武器系統(tǒng)，通訊等，對(duì) EMI/EMC之要求都是遠(yuǎn)在商業(yè)要求之上。這些更高等級(jí)之考量，需要更多之EMI/EMC設(shè)計(jì)，及更高之花費(fèi)，同時(shí)還面對(duì)要降低成本之壓力。 EMI/EMC 的問題是肇因于器材內(nèi)之導(dǎo)體上之時(shí)變電流，稱之為『di/dt 雜訊』。電流之變化產(chǎn)生了電磁場(chǎng)輻射。相反地，外來的電磁場(chǎng)能量也會(huì)導(dǎo)致電路上的
『di/dt 雜訊』，造成錯(cuò)誤的邏輯運(yùn)算及器材之誤動(dòng)作。大多數(shù)的高速及快速上升時(shí)間之信號(hào)會(huì)造成EMI/EMC問題。這些問題會(huì)被連接到該器材之導(dǎo)線電纜所放大，在較低頻率變成有效率之天線。典型之解決方桉是使用屏蔽之外殼，對(duì)輸出入信號(hào)及電源線濾波，并且對(duì)機(jī)板上之信號(hào)線及電源平面提供濾波電路。而真正的問題是：『加多少才是足夠？』以及『會(huì)不會(huì)加太多？』
許多 EMC 工程師都會(huì)強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品研發(fā)之初期就要密切注意到 EMC 設(shè)計(jì)，此一『密切注意』通常只是在 EMC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中一長(zhǎng)串的『要如何..』及『不要如何..』。這些準(zhǔn)則通常是根基于以往的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，而且很多準(zhǔn)則會(huì)互相牴觸。我們?nèi)鄙俚臏?zhǔn)則是，在根本原因分析中我們不真正的知道為什麼我們需要這一項(xiàng)準(zhǔn)則，或者，更重要的，當(dāng)某一項(xiàng)準(zhǔn)則因有些設(shè)計(jì)限制而無法實(shí)施時(shí)應(yīng)使用哪些替代方法。設(shè)計(jì)者只是簡(jiǎn)單的被告知『這樣做或是那樣做..』。

典型的設(shè)計(jì)程序之結(jié)果如下：
EMC 工程師提供給產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師一個(gè) EMC 準(zhǔn)則的表列。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者無法、或是不愿意遵循所有的 EMC 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。產(chǎn)品設(shè)計(jì)只使用了方便導(dǎo)入之 EMC 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。樣品在 EMC 實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試，無法通過。

EMC 工程師及設(shè)計(jì)工程師花費(fèi) 2 週至 2 月的時(shí)間增加電容、ferrite bead濾波、導(dǎo)電襯墊、金屬彈片直到問題解決。以修正過之 EMC 更新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，開始量產(chǎn)準(zhǔn)備。這一設(shè)計(jì)流程的結(jié)果是延遲第一批貨交貨的時(shí)間以及增加產(chǎn)品成本，因?yàn)檫@些EMC 零件并不是原始設(shè)計(jì)。顯然的，這不是我們所希望的流程，但它是最常見的流程。
本書之目的在于移除這些 EMC 設(shè)計(jì)流程之謎思。許多人將 EMC 設(shè)計(jì)看成是一種黑箱魔術(shù)，大膽猜測(cè)，或是更差狀況。EMC 設(shè)計(jì)是極端複雜的。有許多內(nèi)部連接之現(xiàn)象發(fā)生，許多是難以預(yù)測(cè)的，特別是在其同時(shí)發(fā)生時(shí)。如果每一個(gè)潛在之干擾源都個(gè)別考慮到，那麼可以一個(gè)個(gè)的對(duì)每個(gè)干擾源進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)對(duì)策，這樣，設(shè)計(jì)者就不會(huì)在看整個(gè)產(chǎn)品時(shí)感到疑惑了。適當(dāng)?shù)?EMC設(shè)計(jì)并不僅僅是一串的準(zhǔn)則。其需要有完整的程序，考慮到每一潛在源頭以及依序一個(gè)個(gè)的解決。自然的，主要的目標(biāo)還是要確保產(chǎn)品之功能不被影響。如果，在設(shè)計(jì)階段，EMC 的考慮與功能性之考量都被包括且協(xié)調(diào)，則設(shè)計(jì)者才能在兩方面都獲致成功。

第二節(jié) EMI干擾源
降低 EMI 最有效之方式是控制信號(hào)之分布以及它們的源頭。所以，這些信號(hào)是從哪裡來的？這些信號(hào)的起源可能有很多種，但是最主要的干擾是來自于 IC 中的高速切換電流。
幾乎所有的 EMI 干擾來自于產(chǎn)品某處存在之共模電流。所有的這些共模電流都來自于某些功能上之工作電流。如果這些工作電流能夠好好控制，讓它只含有工作上所需之諧波，來自于高頻諧波造成之不必要干擾就可以降低。此一共模電流的來源最有可能是工作信號(hào)之迴返電流路徑。當(dāng)電路佈局工程師花很多精神在連接電路間之路徑時(shí)，很少會(huì)注意到迴返電流路徑。當(dāng)時(shí)脈信號(hào)在10MHz 以下時(shí)，迴返電流不會(huì)是個(gè)問題。現(xiàn)今，機(jī)板上之時(shí)脈速度多至 200 至400MHz，且資料匯流排之速度高達(dá) 1GHz 是很普通的，因此，信號(hào)之佈線路徑應(yīng)該視為是微波傳輸線(Transmission line)。不論是對(duì)EMC特性或是功能特性而言，信號(hào)線之高頻迴返電流路徑都是非常重要的。

第三節(jié) 電感 Inductance
一個(gè)通常被誤解的觀念是對(duì)于電感的認(rèn)知。初級(jí)工程師把電感認(rèn)為是一個(gè)特定之零件，如在電感器(Inductor)及變壓器元件中，而很少考慮到在接地參考平面、信號(hào)佈線等等電流路徑上之電感。有電流流經(jīng)一個(gè)環(huán)路，就會(huì)有電感的存在。有時(shí)候我們并不知道整個(gè)的路徑，并且整個(gè)路徑中也可能只有部分區(qū)域會(huì)造成輻射，所以區(qū)域電感的觀念也很重要。將區(qū)域電感組合起來，就可構(gòu)成完整的環(huán)路電感了。也就是說，若是路徑一部份之區(qū)域電感被考慮到且將其降低了，則整個(gè)路徑的總電感也就降低了。
現(xiàn)今產(chǎn)品所使用的高速信號(hào)使得環(huán)路電感及區(qū)域電感變的比以往都要重要。即使是一個(gè)完美的超導(dǎo)體都會(huì)有電感。當(dāng)電流流過電感阻抗時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差。此一電位差會(huì)導(dǎo)致接地參考平面的雜訊、信號(hào)位準(zhǔn)降低、造成 EMI 輻射的產(chǎn)生。

第四節(jié) 接地 Ground
如果說電感是一個(gè)經(jīng)常被誤解的觀念，那麼『接地』就是『最常』被誤解。當(dāng)使用『接地 Ground』這個(gè)詞彙時(shí)，設(shè)計(jì)者通常是指許多種不同的事。它可能是指相對(duì)于 50/60Hz 之交流電源之安全接地(Safety earth reference)。它可能是指對(duì)高速佈線之信號(hào)參考點(diǎn)(Signal reference)。它可能是指在PCB上之電源迴返(Power return)，或者，它可能是指金屬機(jī)殼之機(jī)殼接地點(diǎn)(Chassis reference)。它甚至也可能指的是真正的大地接地點(diǎn)(Earth ground)，像是在EMI 開放測(cè)試場(chǎng)地(OATS)。很清楚的，在所有的這些場(chǎng)合中『接地 Ground』這個(gè)字不可能都是同樣的電位位準(zhǔn)，但這卻是最原始『接地 Ground』的定義。『接地 Ground』是一個(gè)零電位的點(diǎn)。實(shí)際上，『接地 Ground』或是『零電位』只存在于無限值(infinite)，因之，除非我們使用了非常長(zhǎng)的導(dǎo)線，否則真正的零接地電位是不可能存在我們的產(chǎn)品之中。
較清楚且明確的表示法是將在不同之場(chǎng)合將『接地』描述成說：『大地接地Earth-Ground』、『接地參考點(diǎn) Ground-reference』、『電源參考點(diǎn) Power-reference』、『機(jī)殼參考點(diǎn) Chassis-reference』，等等。則說的人與聽的人就都可以明白了。

第五節(jié) 屏蔽 Shielding
另外一個(gè)在 EMC中容易誤解的是屏蔽的觀念。古典的屏蔽理論講的是一個(gè)平面波撞擊到一個(gè)有開孔的屏蔽物。以我們現(xiàn)在所接觸的產(chǎn)品的構(gòu)造言之，設(shè)計(jì)者所要面對(duì)的撞擊有開孔的屏蔽物的并不會(huì)是平面波，所以使用古典之趨近法可能會(huì)誤導(dǎo)結(jié)論。
在典型的產(chǎn)品中，能量的來源很靠近外殼之屏蔽及開孔。此一密切靠近之結(jié)構(gòu)，使得在與屏蔽間存在電容、電感、或是電磁耦合感應(yīng)電流。能量來源與屏蔽體間之距離是非常重要的，會(huì)造成耦合現(xiàn)象之巨大差異。在屏蔽上生成之感應(yīng)電流找到適當(dāng)之開孔，就會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到屏蔽體之外，變成輻射干擾了。第六節(jié) 結(jié)論對(duì) PCB洽當(dāng)?shù)?EMC設(shè)計(jì)，最有效果的方法是考慮到每個(gè)不同的信號(hào)源頭，并且在信號(hào)源頭將其控制住。后面之幾章將會(huì)詳細(xì)的說明不同之信號(hào)源頭，以及如何來控制每一個(gè)個(gè)別的來源。在設(shè)計(jì)階段的早期就必須要考慮 EMC，并且持續(xù)到全部的設(shè)計(jì)階段。
很重要的是不要把EMC設(shè)計(jì)看成是一個(gè)簡(jiǎn)單流程的步驟。在設(shè)計(jì)進(jìn)行中，有許多工程上的折衷方桉(trade-offs)要考慮。如果設(shè)計(jì)者了解到我們的目標(biāo)，并且了解到發(fā)生 EMI 輻射的源頭在哪裡及如何去控制它，那這個(gè)設(shè)計(jì)者就能夠很成功的掌握并做出正確的折衷判斷。如果EMC的設(shè)計(jì)流程只是遵循一連串的準(zhǔn)則，哪麼當(dāng)這個(gè)準(zhǔn)則變得很困難或是無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，此準(zhǔn)則就會(huì)被忽略掉，此產(chǎn)品就會(huì)失敗，那麼整個(gè)流程就要再來過一次。
為了要完整的了解跟干擾源頭有關(guān)的完整程序，一些基本觀念必須要了解的很清楚，譬如說『接地』、『電感』及『屏蔽』。在這些方面有很多的錯(cuò)誤觀念，本書的目的就是要協(xié)助來了解并降低對(duì)它們的誤解。

(Coupling Mechanism) 本章已經(jīng)談過了解信號(hào)的出處以及其如何溢出系統(tǒng)是很重要的，但是還未提到在源頭與最后的洩漏點(diǎn)之間的耦合機(jī)制。通常，一旦說產(chǎn)品在EMC測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試不通過，再想要改善其耦合機(jī)制就太晚了，但是在某些情況之下，還是有一些方法可以改善以解決此問題。
第一項(xiàng) 桉例一，時(shí)脈信號(hào)由接縫洩漏
假設(shè)在 PC 板某處有一個(gè)時(shí)脈信號(hào)源，而由一個(gè)機(jī)殼之縫隙洩漏出去。如果輻射之頻率為時(shí)脈基頻之第七次諧波或更高的諧波，通常最好的解決方式是在意圖信號(hào)上加濾波器。如果系統(tǒng)之運(yùn)作確實(shí)需要快速的上升時(shí)間注，或是說此一有問題的頻率的確是必要的較低階諧波，則在源頭加濾波器就不太適宜了。時(shí)脈信號(hào)傳遞到?jīng)┛p隙的方式有很多種。最可能的方式是信號(hào)在機(jī)殼內(nèi)輻射，然后再由開孔洩漏出去。經(jīng)過縫隙附近的一條內(nèi)部纜線或電線也可能會(huì)造成縫隙之洩漏。有時(shí)候移動(dòng)內(nèi)部纜線的位置就可以降低輻射的強(qiáng)度(如果這是部分原因的話)。時(shí)脈信號(hào)可能會(huì)耦合到其他的信號(hào)導(dǎo)體而進(jìn)入到內(nèi)部纜線然后輻射出

注：通常，時(shí)脈以及資料驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間并不需要到 IC所能驅(qū)動(dòng)的那麼快。但是，設(shè)計(jì)者通常會(huì)以較快的上升時(shí)間當(dāng)成預(yù)設(shè)值，以使信號(hào) timing 分析容易些。這樣通常會(huì)讓 EMC 設(shè)計(jì)上增加成本，因?yàn)橐鄟砜刂圃S多不必要的高頻。在整個(gè)設(shè)計(jì)裡，會(huì)有許多的妥協(xié)要做，一旦知道了所造成的額外成本，通常較低的上升時(shí)間就可以被接受。去。一旦找到了耦合的機(jī)制，就可以加以控制。有許多可能的耦合路徑，無法在這裡一一的描述。

第二項(xiàng) 桉例二，時(shí)脈信號(hào)由未屏蔽之纜線洩漏如前所述之源頭端加濾波方式還是可以使用。然而，在此桉例，時(shí)脈信號(hào)是藉由一個(gè)非屏蔽纜線傳遞到機(jī)殼之外。時(shí)脈信號(hào)適一個(gè)非意圖信號(hào)，因?yàn)槲覀兏揪筒幌Ｍ谀菞l導(dǎo)線上出現(xiàn)。能量可能由時(shí)脈佈線直接耦合到I/O之佈線，或經(jīng)由另一個(gè)導(dǎo)體。能量可能在機(jī)殼內(nèi)輻射然后耦合到 I/O 連接器以及/或是佈線。同時(shí)，如前面之例子，內(nèi)部纜線可能作為將非意圖信號(hào)由其源頭傳遞到 I/O連接器之一條路徑。

第五節(jié) 結(jié)論
在實(shí)驗(yàn)室中并沒有按部就班的指導(dǎo)準(zhǔn)則可讓我們用來解決 EMC問題。不過，有一些一般性的原則可以協(xié)助來減少花費(fèi)的時(shí)間。隨機(jī)的應(yīng)用銅箔膠帶、ferrite beads、以及濾波器并不是最容易或最快的解決問題方法。了解信號(hào)從哪裡來是很重要的。通常，信號(hào)可以在其源頭就控制住，那就不會(huì)造成系統(tǒng)信號(hào)洩漏的問題，因?yàn)殡s訊信號(hào)的來源已經(jīng)沒有了。如果無法在于源頭處控制，那就要來了解信號(hào)是如何由機(jī)殼中洩漏出去的。簡(jiǎn)單的電壓探針在此方面是最有效的分析工具，因?yàn)樗私鼒?chǎng)探針可能的誤導(dǎo)。此種接觸式之電壓探針可以用來確認(rèn)造成洩漏之機(jī)殼縫隙、纜線上的非意圖信號(hào)、以及屏蔽纜線之不當(dāng)連接方式。最后，了解在信號(hào)源頭以及洩漏點(diǎn)間耦合之機(jī)制可以減少解決問題的時(shí)間。

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