面对电磁辐射干扰,如何轻松进行电子线路设计布局?

出处:Excelpoint 发布于:2022-05-17 17:10:12

    电磁辐射干扰问题
    无线通信非常复杂,要分基带和射频,在数字电子线路设计中,多数工程师常常对电磁兼容性(EMC)的问题感到困扰。
    EMC是指电子系统在目标电磁环境下保持良好性能且不会向该环境中引入大量电磁干扰的能力。
    电磁环境包含辐射和传导能量。EMC也包含辐射和敏感度两方面。辐射是指产品不必要地产生电磁能量。为了打造一种具备电磁兼容性的环境,通常需要控制辐射。敏感度是一种用于衡量电子产品容忍其他电磁产品的辐射,或传导电磁能量影响或其他电磁影响的能力指标。抗扰度与敏感度相反。敏感度高的设备抗扰度低。常见的EMC问题包括:电磁辐射发射超出标准要求;ESD静电放电问题产生的失效现象如系统死机、系统复位、显示面板出现错误;产品的辐射抗扰度问题导致某些频率上产品的信号输出变化巨大,通信出现错误,或系统复机、死机。针对EMC常见问题,Excelpoint世健的工程师Wolfe Yu提出了他的看法并给出了解决方案。
    电磁辐射原理
    使用闭合导体,在其两端加载时变电流,就会产生波动的磁场和围绕它的电场。当电荷加速移动时,如果同时出现近场和远场,近场跟着电荷做加速运动,而远场无法与电荷移动同步,就会出现扭结(Kink)。电场扭结太大,就会脱离原来的场,辐射出去。


    图1  电场扭结及辐射原理
    通常来说,采用两根平行线缆,长度相对比波长短,所产生的电场为近场,我们通常称为“差分信号”,这种线缆很难产生扭结(Kink)。如果线缆张开一定的角度,电磁场就会出现不协调,形成近场和远场,产生扭结(Kink),形成天线,这也是无线通信中的天线原理。

    图2  远场的形成原理
    传输波形的谐波分量
    在数字电路中,大部分基带信号都类似于方波,这些波形是无数依次递减的谐波分量叠加而成。电流的谐波分量会产生波动的磁场,这些磁场会通过耦合或者辐射的方式往下传输。

    图3  数字信号的谐波分量
    PCB传输线路模型
    在PBC Layout中,大部分工程师喜欢把电源线或者信号线和地分开布,这样很危险,因为一旦环路和高频信号的波长接近,就会形成一个环形天线,高频的谐波频率会通过电磁场耦合进来,形成共振。

    图4  PCB布线中产生的环形天线
    根据下面两种布线,两个导体会形成一个电容。按照电磁场辐射原理,左边布线,电子在高频运动的时候,很容易形成近场和远场,产生扭结,发射电磁波。同时也很容易接收外来电磁波。而右边布线,电源和地之间,回路足够小,形成闭合回路,电场辐射就非常微弱,很难产生电场辐射,也很难被其他电磁场干扰。

    图5  电源和地的布局布线对比
    大部分信号,特别是高速信号,都会设计成差分电路。在差分电路中,主要分为直流分量和交流分量,直流分量不会产生交变磁场,交流分量会产生交变磁场,产生电磁干扰。

    图6  差分电路模型
    有关差分电路的布局布线问题,其实就是严格按照等长对称线来实现一个封闭电路,电磁场很难穿透差分电路。这就是为何差分信号的传输特性相对比较稳定。除了需要对差分信号做等分布线之外,工程师还需要对差分信号做电源匹配和包地。

   

图7  差分电路等长对称原理
    实际上,在电路结构中,各个回路的电源和地才是整个电路中的差分对,大多时候,工程师们喜欢把电源布线,布成如图8所示的结构,在早期的单面板产品布局布线中,这算是的布线方法。

    图8  传统单面板布局布线图
    随着通信速率要求的提高,图8中这个布线结构就会形成天线效应,产生电磁波辐射。所以为了降低电磁干扰,Wolfe Yu建议在布线时将电源和地尽量布在一起。


    图9  主芯片电源地布线建议
    电流汇集模型
    有关电流连续性的问题,有一个比较形象的比喻:每颗电容都是一个蓄水池,上游存储的蓄水要大于下游,才不会因为断流造成河流干枯。电源供电原理相同,设计不当,就会引发强电磁干扰。

    图10  电流汇集模型之蓄水池理论
    再来看看电源拓扑,DCDC电源大致分为三个环(一说四个环),高频交流斩波环把两个直流输入环和输出环分割开来,交流环主要做高速PWM斩波,产生电磁切割,一旦布线不好,容易产生电磁辐射。

    图11  DCDC电源拓扑图
    为了设计方便,Wolfe建议在布局的时候,把两个直流环和交流环分开布局,方便在布线的时候分开布线。

    图12  DCDC电源布局布线建议
    基于同轴线的全封闭电路
    在传输线路中,工程师们很难保证电路能够达到100%的闭合效果。为了防止在传输线上产生电磁辐射,于是提出一种基于同轴线的传输方式。同轴线传输就是把电磁场封闭在内外导体之间,辐射损耗和受外界损耗都非常小。

    图13  同轴线闭合电磁场
    同轴线传输解决了高速信号传输的电磁辐射的问题。除了电磁辐射问题,电路传输中还会面临另外一个问题。那就是,当信号频率很高的时候,除了阻性负载,还有容性负载和感性负载产生的反射信号,反射信号会叠加在原信号上,改变原信号的形状,这被称为“传输线损耗”。

    图14  传输线等效模型
    图14是一个传输线等效模型,除了阻性负载,还存在容性负载和感性负载。根据理论公式,很容易计算出传输线的阻抗值。为了抵消反射信号,工程师可以在电路源端和负载之间插入无源网络,使负载阻抗和源阻抗共轭匹配,这就是阻抗匹配。

    图15  阻抗匹配原理
    Microchip基于CoaXpress?一揽子解决方案
    Excelpoint世健代理的Microchip推出一种基于CoaXpress?的视频传输方案就是基于同轴线的全封闭电路传输方案。
    EQCO125T40集成均衡器、CDR和电缆驱动,可以实现在一根电缆或PCB跟踪对上发送/接收信号,在1.25 Gbps/12.5 Gbps 8b/10b编码下行传输,以及20.833 Mbps/41.666 Mbps 8b/10b编码的上行传输,传输距离远可以达到40m。
    同轴电缆固有地被其外部导体屏蔽,从而使其对许多操作环境中存在的外部电磁干扰(EMI)高度耐受,特别是在嘈杂的工厂环境中。这使CoaXpress可以应用于各种复杂的工业环境,是高清摄像头镜头传输的不二方案。

    图16 基于CoaXpress的视频传输方案
    这颗芯片搭载在基于Microchip PolarFire视频平台上,客户可以利用Microchip提供的IP包轻松完成产品开发,缩短开发流程。

    图17  Microchip PolarFire视频平台

    图18  MIC28517评估板
    同时,Excelpoint世健为客户提供相关参考设计以及技术指导,针对国内客户在进行DCDC设计以及布局布线时容易出现的一系列技术瓶颈,推出一系列PCB布线指导,同时也提供PCB设计文件让客户方便导入,帮助客户轻松进行电子线路设计布局。

关键词:电子线路

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