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如何在PCB板设计中增强电磁兼容性

恩智浦MCU加油站 来源:恩智浦MCU加油站 作者:恩智浦MCU加油站 2022-05-19 10:42 次阅读

在PCB设计中,电磁兼容性(EMC)异常重要,关系到整个项目的成败,稍早前本加油站发表了两篇相关文章,对这个问题所涉及到的方方面面,做了一个全面的梳理。

如何在PCB板设计中,增强电磁兼容性

如何在PCB板设计中,增强电磁兼容性(续)本文将重点讲解电源部分设计在EMC方面的考虑。

1. 概述

MCU硬件系统中,电源接口的硬件设计是非常重要和必不可少的部分。同时,电源和接口的EMC设计在产品和项目是非常常见和容易出现问题的两个设计要点。本文简要介绍和讨论了关于电源和接口在EMC设计和布局布线的考虑。

2.电源EMC设计考虑

2.1 电源电路设计

在MCU硬件系统设计中,我们经常用到的电源包括LDO和DC-DC Buck/Boost电路

DC-DC电路又可以分为PWM工作模式,PFM工作模式和PWM-PFM混合工作模式。LDO电源电路具有电源输出纹波小,负载响应快,静态功耗低,噪声抑制比高和外围器件少等优点。但相应地,也存在Vdrop压降和电源转换效率低等缺点。DC-DC Buck/Boost电路具有电源转换效率高,输入电压范围宽和输出电流大等特点。但同时由于电路的开关特性而具有电源输出纹波噪声大,负载响应较慢和外围电路复杂成本高等缺点。在进行电源电路设计时,应根据实际系统的设计要求,选择合适的电源类型和拓扑结构。同时,从电磁兼容性的角度来讲,有以下几点需要注意:

选择低ESR的电源输出电容,以降低输出电源纹波,并提高负载响应速度;

选择低ESR和带shield屏蔽的电感,以降低纹波和EMI噪声;

PWM-PFM工作模式可根据负载的要求和动态变化,进行合理选择和切换。

PWM模式下,纹波噪声小,重负载时效率高;

PFM模式下,静态功耗小,轻负载时效率高,负载响应速度快,但纹波噪声较大。

2.2 电源电路PCB layout设计

电源电路PCB Layout设计时,一些布局布线的设计规则和方法可以作为参考,如下所示:

电源输入和输出滤波电容布局时,首先要将小容值电容放在靠近电源输入或输出的位置,然后依次是大容值滤波电容。因为小容值可以提供快速的响应时间,能滤除电源中高频干扰部分,大容值的体电容能够滤除低频干扰并提供负载瞬间大电流的蓄储能力。

其次,滤波电容应摆放在电源输入端或输出端与芯片电源引脚之间的路径上,保证电源输入或输出必然经过滤波电容。

再次,也需保证滤波电容的GND距离芯片GND引脚之间的距离最短,以最大程度地缩短回流路径,降低GND网络阻抗;

增加电源输入或输出端换层时过孔数量,以减少电源阻抗;

尽量减少GND换层,保证GND在芯片的TOP层有完整的地平面,以减少地阻抗;

电源输入和输出的回流路径保持最小。

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图 1. DC-DC电源最小化回流路径

如下图所示,电源电路优化过程包括如下几方面的优化:

去掉元器件引脚间的残留锐角铜皮;

增加电源输入过孔数量,确保先经过输入滤波电容,并提高与电感的隔离度;

优化地平面的回流路径,使得电源环路面积最小;

尽可能加粗电源走线,保证电源走线的低阻抗特性;

优化输出电容的接地,确保在最小的回流路径上。

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图2. DC-DC电源优化过程

在使用内电层作为电源层平面或者走线时,有以下需要关注的要点:

电源层分割时,应考虑整板电源层内缩,即保证电源层在PCB电路板边缘要相对于GND层内缩。这样可有效减少PCB电路板的EMI辐射。

电源层分割或走电源线时,应注意尽量减少避空的过孔,保证电源平面或电源线的低阻抗特性。

在接口或者高隔离要求的电路中,要保证GND层和电源层的同时隔离。例如RS485电路,它采用光耦隔离电路来提高板级隔离度,同时要将隔离电路下面的GND层和电源层进行避空隔离。

电源层的电源域进行换层时,需要在就近的地方放置电源滤波电容,并增加过孔的数量,保证电源工作在最大负载时的载流能力。

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图3. DC-DC电源走内电层的情况

3. 接口电路EMC设计考虑

在产品设计中,我们通常会设计诸如USB, HDMI,RJ-45, RS422/485和音频输入等接口,以满足汽车,工业和消费级客户的不同应用需求。

从EMC设计的角度出发,需要从电路滤波设计和GND分割隔离处理等方面进行考虑和设计。

接口电路滤波设计,例如USB接口加共模抑制电感,RJ-45接口加LC滤波电路等。

如下图所示,以RS485接口为例,对比介绍了接口的隔离设计,主要采取了以下措施以满足EMC设计的要求。

电路设计中增加了光耦隔离设计;

采用单点接地连接的方式,在每一层GND都进行信号板级GND和接口GND进行分割处理,保证足够的分割间隙;

保持跨越GND分割间隙的走线最短。

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图4. RS485接口采用隔离设计之前的Layout

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图5. RS485接口隔离设计之后的Layout

原文标题:电源和接口的EMC设计考虑

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    oelectronics LDO40L低压差稳压器是一款400mA、38V LDO,非常适合用于严苛的汽车环境。LDO40L稳压器的静态电流低至45uA,因此适合用于永久连接电池电源的应用。当点火开关关闭时且电子模块保持活动模式时,此特性尤其重要。 LDO40L具有各种嵌入式保护功能,包括电流限制和热关断。另外,LDO40L还具有-0.3V至40V输入电压范围、低压差以及低静态电流等特性,因此适合用于低功耗工业和消费类应用。 LDO40L低压差稳压器符合汽车应用类AEC-Q100标准,采用带可湿性侧翼的紧凑型DFN-6 (3x3) 封装。 特性 符合AEC-Q100标准(1级) 低静态电流:45µA(无负载时的典型值) 高达38V的宽输入工作电压范围 低启动电压:3.5V 输出电流:高达400mA 输出电压选项: 可调电压:最低2.5V 固定电压:3.0V、3.3V、5.0V、8.5V 输出电压精度: ±1%(25°C时的典型值) ±3%(包括线路...
    发表于 10-28 09:50 227次 阅读
    LDO40LPU50RY STMicroelectronics LDO40L 低压差稳压器

    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    oelectronics M95M04 4MB串行EEPROM组织为524288 x8位,通过SPI总线访问。这些EEPROM的电源电压范围为1.8V至5.5V,保证工作温度范围为-40°C至85°C。这些串行EEPROM具有512字节识别页面,用于存储敏感的应用参数,这些参数可永久锁定在只读模式下。 特性 兼容SPI总线 存储器阵列: 4mbeeprom 512字节页面大小 额外识别页面 增强ESD保护 封装: SO8n(m95m04-drmn6tp) tssop8(m95m04-drdw6tp) 规范 写入时间: 5ms内字节写入 5ms内页面写入 最高时钟频率:10MHz 单电源电压:1.8V至5.5V 工作温度范围:-40°C至85°C 超过4百万次写入循环 数据保留超过40年 功...
    发表于 10-28 09:37 280次 阅读
    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    Integrated MAX2008x相机电源保护IC是双路/四路相机保护器IC,可为四个输出通道中的每一个提供高达600mA负载电流。这些IC采用3V至5.5V电源供电,相机电源电压范围为3V至15V,在300mA时输入至输出电压降为110mA(典型值)。MAX2008x IC具有使能输入和IC接口,用于读取器件的诊断状态。该IC设有板载ADC,可通过每个开关读取电流。MAX2008x相机电源IC包括分别在每个输出通道上的过热关断和过流限制。该电源保护IC的理想应用是雷达和相机模块同轴电缆供电。 特性 小尺寸解决方案: 多达四个600mA保护开关 输入电源:3V至15V 3V至5.5V服务电源 26V电池短路隔离 可调电流限制:100mA至600mA 可选I2C地址 小型 (4mm x 4mm) 20引脚SWTQFN封装 精度: 电流限制精度:±8% 0.5ms软启动 0.25ms软关断 关断电流:0.3μA 压降:110m...
    发表于 10-21 10:50 607次 阅读
    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    Integrated MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635电源模块是一系列稳压器IC和电源模块。这些器件实现散热更好、尺寸更小且更加简单的电源解决方案。MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内工作。该模块在4.5V至36V输入范围内工作,可提供高达2A输出电流。 特性 简单易用 宽输入范围:4.5V至36V 0.9V至12V可调输出 (MAXM17635) 3.3V和5V固定输出电压版本 (MAXM17633和MAXM17634) 400kHz至2.2MHz可调频率,可实现与外部时钟同步 反馈精度:±1.2% 输出电流:高达2A 内部补偿 陶瓷电容器 高效率 可选的PWM、PFM或DCM工作模式 关断电流:低至2.8μA(典型值) 灵活的设计 可编程软启动和预偏置启动 ...
    发表于 10-21 10:20 308次 阅读
    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    Integrated MAXM17630、MAXM17631和MAXM17632喜马拉雅uSLIC™降压电源模块可用来设计散热更好、尺寸更小、更加简单的电源解决方案。MAXM17630和MAXM17631是高效同步降压型DC-DC模块,具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内运行。 该电源模块的工作电压范围为4.5V至36V,可提供高达1A的输出电流。MAXM17630和MAXM17631模块分别具有3.3V和5V固定输出电压。MAXM17632模块具有可调输出电压(0.9V至12V)。该器件提供真正的即插即用电源解决方案,大大降低了设计复杂性和制造风险,缩短了上市时间。内部补偿覆盖整个输出电压范围,因此无需外部补偿元件。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用峰值电流模式控制架构,可在脉宽调制 (PWM) 、脉频调制 (PFM) 或断续导通模式 (DCM) 下工作,从而在轻负载条件下实现高效率。该模块系列在-40°C至+125°C范围内的反馈电压调节精度为±1.2%。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用紧凑的薄型16引脚3mmx3mmx1.75mm uSLIC封装,且可提供仿真模...
    发表于 10-21 09:59 237次 阅读
    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    X-NUCLEO-NFC06A1 X-NUCLEO-NFC06A1NFC读卡器扩展板基于ST25R3916的STM32和STM8核苷

    NFC读卡器IC:ST25R3916 47毫米x 34英寸毫米,四匝,13.56MHz的电感在PCB和相关联的调谐电路 6个通用的LED ISO 18092的无源和有源引发剂,ISO 18092的被动和主动目标 NFC-A和NFC-F卡模拟 ISO 14443A和ISO14443B ISO 15693 的FeliCa™ 最多1.7 W的输出功率与差天线 在X-细胞核 - NFC06A1 NFC读卡器扩展板是基于ST25R3916设备上。
    发表于 05-21 01:05 267次 阅读

    X-NUCLEO-NFC05A1 X-NUCLEO-NFC05A1NFC读卡器扩展板基于ST25R3911B的STM32和STM8核苷

    NFC读卡器IC:ST25R3911B 47毫米x 34英寸毫米,四匝,13.56MHz的电感在PCB和相关联的调谐电路 6个通用的LED ISO 18092(NFCIP-1)活性的P2P ISO 14443A和ISO14443B ISO 15693 的FeliCa ™ VHBR 6.8 Mbit / s的AFE和PCD到PICC成帧 3.4 Mbit / s的PICC向PCD成帧 最多1.4 W的输出功率与差天线 的X细胞核 - NFC05A1是基于所述ST25R3911B的NFC读卡器扩展板。
    发表于 05-20 19:05 294次 阅读

    NCP176 LDO稳压器 500 mA 超低压降 高PSRR 带使能

    是一款超低压差稳压器,可提供高达0.5 A的负载电流,并在25°C时保持0.8%的出色输出电压精度。工作输入电压范围为1.4 V至5.5 V,使该器件适用于锂离子电池供电产品以及后调节应用。该产品提供3.3 V固定输出电压选项,其他电压选项可根据要求提供,范围为0.7 V至3.6 V.NCP176具有完全的过热保护和输出短路保护。小型6引脚XDFN6 1.2 mm x 1.2 mm封装使该设备特别适用于空间受限的应用程序。 特性 优势 1.4 V至5.5 V工作输入电压范围 适用于锂离子电池或后调节应用 几种固定输出电压可根据要求提供的选项和其他选项范围为0.7 V至3.6 V 设计灵活性 Typ的低静态电流。 60μA 延长电池寿命 极低压降:130 mV典型值。在Iout = 0.5 A(2.5V版本) 扩展电池范围 1 kHz PSRR时高75 dB 适用于噪声敏感电路 内部软启动 限制浪涌电流 室温下±0.8%精度 高输出电压精度 热关断和限流保护 保护产品和系统免受损坏 使用小型1μF陶瓷电容器稳定 节省PCB空间和系统成本 应用 终端产品 电池供电设备 便携式通信设备 相机,...
    发表于 07-29 22:02 3920次 阅读

    NCP161 LDO稳压器 450 mA 超高PSRR 超低噪声

    是一款线性稳压器,能够提供450 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:
    发表于 07-29 21:02 609次 阅读

    LV5768V-A 降压稳压器 开关 1通道

    V-A是一个1通道降压型开关稳压器。 特性 优势 不受负载影响的软启动电路。 电源电路稳定运行。 频率FOLD BACK为负时下垂。 过流保护 内置逐脉冲OCP电路。通过使用外部MOS的导通电阻来检测。 过流保护 开启/关闭功能(启用控制) 可在外部启用控制 同步整流的1通道降压型开关稳压控制器方法 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 21:02 684次 阅读

    NCP81274 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

    74是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位接通,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 20:02 419次 阅读

    NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

    76是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达4个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 20:02 453次 阅读

    LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

    JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 19:02 398次 阅读

    NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 610次 阅读

    NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 224次 阅读

    NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

    0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 18:02 407次 阅读

    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

    8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 17:02 409次 阅读
    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口