Eric Bogatin,信号完整性杂志技术编辑
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Eric Bogatin是《信号完整性杂志》的技术编辑和Teledyne LeCroy信号完整性学院院长。此外,他是科罗拉多大学博尔德分校ECEE系的兼职教授。Eric通过整理所有可用的信息并找到最好的质量内容发布在signalintegrityjournal.com上,提高了信噪比。

EMC / EMI

控制EMC问题的最差设计实践

2020年12月29日

在他的LearnEMC网站, Todd Hubing提供了大量关于EMC最佳设计规则的有价值的信息。所有这些他都在他的现场课堂和在线课程中教授,并以文本和视频的形式免费提供内容。

将最佳实践应用到电路板设计是关于风险管理的。没有最佳的设计实践可以保证你的设计成功,但它们可以提高你的机会。除了最佳实践,Todd还收集了一些工程师应该避免的最糟糕的实践。

当然,没有一定会导致EMC故障的规则,但是可以从可能增加潜在EMC问题风险的指导方针中学到很多东西。它们应该让你思考应该避免的功能,或者至少是要质疑的功能。

在获得特别许可的情况下,我们在这里转载Todd收集的控制EMC问题的最差建议。

印刷电路板上的电路应按类型分组,功率电路离连接器最近,高速数字电路离连接器最远。

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此设计指导方针(或指示其他分组的变体)可能比任何其他EMC设计指导方针造成更疯狂的板布局。它忽略了一个基本概念,即不同的委员会有不同的功能。我们已经看到过带有非常高速数字信号的电路板在整个电路板上被路由,试图使数字组件远离连接器。

在决定组件的位置时,考虑组件的功能和速度当然很重要。然而,任何关于连接器位置的一般性陈述都更有可能产生一个糟糕的设计而不是一个好的设计。通常(但并非总是),将发送或接收信号的组件通过距离连接器最近的连接器放置是一个好主意。位置是很重要的,但是不考虑与电路相关的功能和信号而规定位置的设计指导方针是非常危险的。

模拟电路和数字电路之间应该有坚实的接地面。

这可能是有史以来最糟糕的EMC设计指南的竞争中的第二名。在某些情况下(极少数情况下),在模拟电路和数字电路之间留出一个接地平面是个好主意。这些情况总是与需要保持噪声电路产生的低频(< 100khz)电流与对低约3个数量级电流敏感的电路中的电流共享相同的铜返回路径有关。

不幸的是,通过干扰高频电流的流动和产生电压最终导致辐射发射问题,固体地平面的间隙会导致巨大的问题。在许多情况下,保持平面为固体,让两个电路共享平面是可以的。在需要低频隔离的情况下,为这些电路提供单独的返回路径几乎总是更好的。这通常是使用不同板层上的轨迹或平面来完成的。

I/O(连接器)下的接地面应与数字接地面分开,两者之间只有一个连接点。

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这一指导方针在30年前并不是不合理的,当时大多数董事会都是两层,人口密度较低,运行速度相对较慢。然而,今天这通常是最糟糕的一种布局地平面的方法。一般来说,目标应该是在辐射发射频率(例如30 MHz以上)下实现底盘和数字地面之间的低阻抗连接,并通过在低频将底盘与数字地面隔离来控制任何低频(例如<100 kHz)电流的流动。这个布局正好相反。因此,采用这种设计的产品通常有许多电容连接数字和底盘接地之间的间隙。这有效地形成了一个价值可疑的陷波滤波器。

将底盘接地放在单独的层上并与数字接地重叠,可以更好地实现低频隔离和高频连接。这允许使用多个低电感SMT电容连接在它们之间进行良好的高频连接。可以在数字接地和底盘接地之间的单点处进行低频连接,这是最有意义的;它可能在I/O附近,也可能不在。

一般的经验法则是:坚实的地面不应该被分割。如果接地平面需要清除出特定区域(例如,在磁性,功率逆变器,或高压隔离),这通常是好的。然而,将地平面分开/切开几乎总是一个坏主意。

低频电路应采用单点接地。高频电路应采用多点接地。

虽然这一指导方针的基本观点不一定是错误的,但不理解“地面”和“电流返回”之间区别的系统设计者使用这一指导方针来为一些糟糕的设计辩护。在低频率时,我们不希望所有的回流电流都通过一个点。然而,当人们盲目地试图应用这个概念时,就会发生这种情况。一般来说,我们希望通过限制选项来控制低频电流的流量。我们通过提供一个好的选择来控制高频电流的流动。单点和多点地基的概念很少有帮助,而且往往是糟糕设计想法的重要来源。

在时钟/振荡器位置提供数字地面到机箱连接。

通常情况下,这是一个坏主意。如果您的设计试图通过使用单点连接使机箱电流远离数字接地面,那么该连接应该沿着I/O连接器所在的边缘。通常情况下,时钟和振荡器都被排除在这个区域之外;所以在时钟/振荡器附近连接会破坏地面的单点特性。即使没有尝试控制低频电流,通常也没有任何好的理由尝试在时钟/振荡器附近建立数字接地到机箱的接地连接。

所有在感兴趣的最高频率下长度超过四分之一波长的迹线都应用匹配的电阻终止。

这听起来不像一个有争议的设计指导方针,但它导致许多设计师在许多情况下做了完全错误的事情。一般来说,最好将迹的传播延迟与信号的上升时间联系起来。如果传播延迟大于上升时间,我们可能需要考虑匹配的终止。(注意,“感兴趣的最高频率”定义不好,而传播延迟和上升时间很容易确定。)然而,我们的第一冲动不应该是去匹配痕迹。最好的解决办法是减缓上升时间。匹配的端子实际上使上升速度更快,并从电源吸取更多的电流。除非您正在构建非常高速的数字板或非常大的板,否则很少(如果有的话)迹线应该需要匹配的终端。

痕迹不应使急转弯的直角。

似乎没有人确切知道这条指导方针起源于哪里。EMC工程师经常说这是制造问题。电路板制造商说这是EMC问题。在Gbps数据速率下,在宽的、阻抗控制的轨迹上倒角可能是一个好主意。然而,通常情况下,转两个45度弯与转一个90度弯相比,并没有什么优势。

电源平面边缘不能与接地平面边缘齐平。它们被拉入的距离应该是平面间距的20倍(也就是20- h规则)。

虽然有可能设想的情况下,使动力平面略小于地面平面可能是一个好主意(例如,防止耦合的动力总线噪声覆盖在板的边缘电缆),很少有必要这样做。使动力平面小于地平面并不会减少来自平面的辐射,除非动力平面被夹在两个地平面之间。动力平面夹在两个地面平面之间不太可能产生辐射电磁干扰问题,即使动力平面与地面平面尺寸相同。如果想要减少板边缘的流苏场,2-H或3-H通常是足够的。

最重要的设计准则是不要盲目遵循任何设计准则。总是应用你自己的分析。

原文可以在这里找到:https://learnemc.com/some-of-the-worst-emc-design-guidelines

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