降低EMI的高速PCB設計注意事項

本文檔是根據對高速信號和電源開關的電磁干擾的實際觀察編寫的，電磁干擾可能導致過程失敗。產品中使用的組件的布局和原理圖設計建議可能在數據表中提供，但實際觀察和解決方案可能會有所不同。

本文檔介紹高速信號，如 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI 和以太網。頻率范圍高于9 kHz的輻射應在標準的設定范圍內。來自器件的輻射通常是PCB上高頻時鐘的多個諧波。與差分時鐘相比，單端時鐘輻射更多，因為單端信號的電壓電平和功率更高。強烈建議在任何高速單端時鐘的源端使用0歐姆串聯電阻器。

在期間，增加串聯電阻值有助于控制時鐘中存在的過沖和下沖，這是輻射的主要原因。增加串聯電阻器的值有助于減少過沖和下沖。串聯端接電阻的值可以通過接收器的建立和保持時間違規來確定。還建議盡可能不要使用重復的頻率。

例如，如果將兩個開關穩壓器部件用作電源穩壓器，則請確保兩個開關頻率都不在相同的開關頻率下工作，因為輻射總和會超過禁止的輻射限值。時鐘信號的長度越長，輻射功率就越大。例如，較長的HDMI電纜將充當天線，因此在這種情況下HDMI接口的輻射會更高。

布局在輻射中起著重要作用。確保時鐘信號的設計符合特性阻抗要求和圍繞時鐘走線提供的連續接地，以避免阻抗不匹配。非常準確地遵循芯片制造商的布局指南，并確保制造商從輻射角度審查該特定部分的原理圖和布局。芯片制造商可能會根據他們在與芯片相關的失敗方面的經驗，對新設計提出一些建議。

1. HDMI（高清多媒體接口）

HDMI接口引起的EMI故障在嵌入式產品中常見。HDMI輻射出現在基波上，通常高達148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz和891MHz的次諧波。

輻射源可能來自HDMI電纜，PCB設計或顯示器本身（如果未經過）。共模扼流圈和端接電阻/電容器應有助于消除PCB上的輻射，但HDMI電纜選擇時會發生常見錯誤。來自不同制造商的不同電纜提供不同的發射水平，即使它們是屏蔽的。因此，從 Molex 或 TE 等值得信賴的供應商處選擇電纜非常重要。當然，所選電纜應屏蔽并內置鐵氧體磁芯。建議攜帶3-4根不同的電纜（來自不同的品牌）進行預掃描，以驗證每根電纜的性能。

以下技術可以幫助減少HDMI信號的輻射：
    - 共模扼流圈應選擇截止頻率比基頻高5-6倍的共模扼流圈。在148.5MHz的情況下，超過1GHz的截止頻率應該是理想的。
    - 從一層傳遞到另一層的差分信號應確保接地通孔與信號相鄰，以降低環路電感。
    - 在HDI PCB的情況下，接地通孔應作為信號向下傳輸，以短路徑回流到源。
    - 金屬外殼應利用良好的接地方案，使用屏蔽連接器將電纜屏蔽層與外殼適當端接，以減少干擾。
    - 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用旁路電容器。
    - 其他一般準則，如長度匹配（10mil 對內和 100mil 對間）、阻抗匹配（100 歐姆）、固體參考平面、微帶布線、較少的過孔數量、45 度彎曲是遵循的實踐。

2. MIPI DSI 和 CSI（移動行業處理器接口）

MIPI信號（CSI/DSI）專為移動行業設計，因此它們是非常低功率的差分信號，并且不太可能輻射。MIPI信號時鐘因分辨率參數而異。

在攜帶MIPI信號的FPC電纜上可能會輻射。在定制電纜的情況下，我們在兩側添加屏蔽或接地可以立即提供幫助，但它可能會影響電纜的靈活性。方法是使用直接圖層上的陰影線地面作為參考地面。具有更高帶寬的離路共模扼流圈將有助于消除PCB的共模噪聲。MIPI信號的數據速率對于D-PHY為80Mbps-2.5Gbps，對于C-PHY的數據速率為183Mbps-5.7Gbps。因此，提供瓜爾環和至少 40 密耳與其他信號的隔離非常重要。

以下技術可以幫助減少MIPI信號的輻射：
    - 為D-PHY選擇截止頻率超過2GHz的共模扼流圈。C-PHY 可以使用特殊濾波器來傳遞三重信號。
    - 從一層傳遞到另一層的差分信號應確保接地通孔與信號相鄰，以降低環路電感。
    - 在HDI PCB的情況下，接地通孔應作為信號向下傳輸，以短路徑回流到源。
    - 如果FPC上有EMI薄膜，請確保薄膜的末端連接到FPC上的曝光信號接地。
    - 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用旁路電容器。
    - 其他一般準則，如長度匹配（25密耳對內和55密耳對間），阻抗匹配（少數情況下為100歐姆/ 85歐姆），固體參考平面，微帶布線，較少的過孔數量，45度彎曲是遵循的實踐。

3. 以太網

以太網信號上的輻射與雙絞線電纜的長度成正比。電纜上的屏蔽 CAT5 電纜和鐵氧體磁芯將有助于減少干擾。

當電纜上的共模噪聲通過機箱接地返回噪聲時，差分MDI信號會輻射。

來自單端MII和電源部分的噪聲可以通過機箱接地耦合到雙絞電纜，從而產生不必要的輻射。

以下技術可以幫助減少以太網信號的輻射：
    - 以太網電纜上的鐵氧體磁芯可以降低EMI。在過程中保留不同類型的 CAT5 電纜。
    - MDI 信號應與 MII 信號很好地隔離（至少相距 40 密耳）。
    - 保持單端MII信號的長度。
    - 在所有層中，應保持磁性元件下方的空隙。
    - 從一層傳遞到另一層的MDI和MII信號應確保接地通孔位于信號附近，以降低環路電感。
    - 在HDI PCB的情況下，接地通孔應作為信號向下傳輸，以短路徑回流到源。
    - 金屬外殼應利用良好的接地方案，電纜屏蔽層使用屏蔽 RJ 45 連接器與外殼適當端接，以減少干擾。
    - 在具有不同電位（接地和電源）的參考平面的情況下，建議使用旁路電容器。
    - 其他一般準則，如長度匹配（10mil 對內和 100mil 對間）、阻抗匹配（100 歐姆）、固體參考平面、微帶布線、較少的過孔數量、45 度彎曲是遵循的實踐。

4. 直流-直流電源發電

對于高速PCB設計，嘈雜的電源是EMI-EMC輻射的主要貢獻者之一。穩定且噪聲較小的電源肯定有助于降低EMI。

用于高速接口的處理器、內存和橋接芯片在非常低的電壓下工作。在設計中選擇 DC-DC 開關穩壓器以獲得高輸出電流和效率。但開關頻率、這些開關產生的紋波（過沖和下沖）噪聲也會造成輻射。地面中噪聲信號的耦合會增加輻射，因為地面將與電纜一起移動，電纜可以充當高頻噪聲的天線。

如果系統實際功耗較高（》10W），并且產品中涉及較長的電纜，則建議在輸入直流電源上使用共模扼流圈和LC濾波。在線計算器可用于計算需要衰減輻射功率的特定頻率的L和C值。電感值越高，則空間內沒有約束。

一般來說，在開關頻率的過沖和下沖處觀察到的高頻（振鈴）更有可能輻射。

緩沖器調諧將有助于減少這種過沖和下沖功率。使用較大的封裝或高額定功率電阻器，因為高頻噪聲將被旁路，較小的封裝可能會增加PCB的溫度。緩沖電路應安裝在電感器的開關節點上。

高速PCB設計要記住的要點

    ·表面貼裝部分應優先于通孔部分。電容器等通孔部件在80MHz以上會變得更感性，這可能會導致更高頻率的輻射/分選問題。
    ·保持高速信號走線盡可能小，并盡可能提供接地以減少環路電感。
    ·盡量避免堆疊相鄰的信號層，或使用正交布線來減少電容耦合。
    ·將去耦電容放置在非?？拷麵C引腳的位置。這將有助于更快地在電源和接地之間切換。
    ·對信號使用星形路由，對電源使用單點路由。
    ·在電源輸出上使用鐵氧體磁珠。在鐵氧體磁珠周圍放置電容器將充當高頻噪聲的低通濾波器。
    ·在每個時鐘輸出端保持 0E 系列端接電阻器，該輸出為 》1MHz。這將有助于在出現干擾問題時進行調整。
    ·對于晶體，根據數據表選擇考慮負載和雜散電容的并聯電容器。它們是輻射的基本，因此請遵循IC建議進行晶體布線。此外，盡量將晶體/振蕩器保持在PCB的中心，而不是邊緣。
    ·PCB邊緣的走線不應以90度角布線。
    ·保留射頻部分的屏蔽配置。這是FCC（模塊化）的強制性要求。
    ·高頻方波由多個高頻正弦波組成。因此，請確保這種類型的關鍵信號周圍應有適當的接地。
    ·確保對于連續接地層，過孔不應使島與非常薄的銅區域連接。這可以增加信號的接地返回路徑。
    ·FR4 材料具有 《5Gbps 時鐘速度和低成本。對于高于5Gbps，請使用其他材料，如Nelco，Megatron，Rogers。
    ·保持高速信號中其他信號的》3W間距
    ·與接地層相比，電源層應位于PCB邊緣內。根據經驗法則，是 20H。（H=層間介電厚度）

總結

本文檔基于對高速PCB設計中EMI降低的實際觀察。EMI預防措施對非常有幫助。高速接口的輻射因設計而異，因此建議在設計中使用有助于在過程中進行調整的規定。

本文檔介紹了PCB上常用的高速信號的注意事項。 幾乎所有產品都觀察到HDMI接口引起的EMI問題。串聯、并聯端接、扼流圈對減少輻射沒有多大幫助。HDMI電纜和HDMI顯示器的變化會改變輻射功率。長電纜將充當高速接口的天線，因此如果產品連接了多根長電纜（例如，汽車產品），則需要采取許多預防措施。