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PCB系统设计指南.docx


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PCB系统设计指南.docx
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时间:2021年x月x日

书山有路勤为径,学海无涯苦作舟
页码:第页 共10页

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高速PCB设计指南之八

第一篇 掌握IC封装的特性以达到最佳EMI抑制性能

将去耦电容直接放在IC封装内可以有效控制EMI并提高信号的完整性,本文从IC内部封装入手,分析EMI的来源、IC封装在EMI控制中的作用,进而提出11个有效控制EMI的设计规则,包括封装选择、引脚结构考虑、输出驱动器以及去耦电容的设计方法等,有助于设计工程师在新的设计中选择最合适的集成电路芯片,以达到最佳EMI抑制的性能。 现有的系统级EMI控制技术包括:
(1) 电路封闭在一个Faraday盒中(注意包含电路的机械封装应该密封)来实现EMI屏蔽;
(2) 电路板或者系统的I/O端口上采取滤波和衰减技术来实现EMI控制;
(3) 现电路的电场和磁场的严格屏蔽,或者在电路板上采取适当的设计技术严格控制PCB走线和电路板层(自屏蔽)的电容和电感,从而改善EMI性能。
EMI控制通常需要结合运用上述的各项技术。一般来说,越接近EMI源,实现EMI控制所需的成本就越小。PCB上的集成电路芯片是EMI最主要的能量来源,因此如果能够深入了解集成电路芯片的内部特征,可以简化PCB和系统级设计中的EMI控制。
PCB板级和系统级的设计工程师通常认为,它们能够接触到的EMI来源就是PCB。显然,在PCB设计层面,确实可以做很多的工作来改善EMI。然而在考虑EMI控制时,设计工程师首先应该考虑IC芯片的选择。集成电路的某些特征如封装类型、偏置电压和芯片的工艺技术(例如CMOS、ECL、TTL)等都对电磁干扰有很大的影响。本文将着重讨论这些问题,并且探讨IC对EMI控制的影响。

1、EMI的来源
数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑高之间转换过程中,输出端产生的方波信号频率并不是导致EMI的唯一频率成分。该方波中包含频率范围宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量构成工程师所关心的EMI频率成分。最高EMI频率也称为EMI发射带宽,它是信号上升时间而不是信号频率的函数。计算EMI发射带宽的公式为:
F=0.35/Tr
其中:F是频率,单位是GHz;Tr是单位为ns(纳秒)的信号上升时间或者下降时间。
从上述公式中不难看出,如果电路的开关频率为50MHz,而采用的集成电路芯片的上升时间是1ns,那么该电路的最高EMI发射频率将达到350MHz,远远大于该电路的开关频率。而如果IC的上升时间为500ps,那么该电路的最高EMI发射频率将高达700MHz。众所周知,电路中的每一个电压值都对应一定的电流,同样每一个电流都存在对应的电压。当IC的输出在逻辑高到逻辑低或者逻辑低到逻辑高之间变换时,这些信号电压和信号电流就会产生电场和磁场,而这些电场和磁场的最高频率就是发射带宽。电场和磁场的强度以及对外辐射的百分比,不仅是信号上升时间的函数,同时也取决于对信号源到负载点之间信号通道上电容和电感的控制的好坏,在此,信号源位于PCB板的IC内部,而负载位于其它的IC内部,这些IC可能在PCB上,也可能不在该PCB上。为了有效地控制EMI,不仅需要关注IC芯片自身的电容和电感,同样需要重视PCB上存在的电容和电感。
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