符合电磁相容要求的PCB设计-ASUS版good

Nov,22,20001符合電磁相容要求的印刷電路板設計技術Printer Circuit Board Design Techniques for EMC ComplianceNov,22,20002EMC之基本介紹•Emission幅射：電磁干擾（EMI）之傳播，特別是radiated及conducted之射頻干擾（RFI）。•Susceptibility容忍度：對於耐受性元件（Victims）有傷害之EMI效應。如靜電放電ESD或其他電氣高壓。（亦名Immunity；EMS）Nov,22,20003EMI之現象EMS之現象遭受干擾致功能喪失，當機等RS來自電源線之電源突波、雷擊波、電源變動、等等干擾。人手之靜電放電幅射干擾傳導干擾及電流諧波Nov,22,20004幅射測試之標準場地Open Area Test SiteEUT放置處(能量之源頭)接收天線傳播路徑Nov,22,20005傳輸天線接收天線接地平面Nov,22,20006EMI之傳播路徑雜訊源頭傳輸路徑接受者控制Emissions降低雜訊源之強度降低傳輸效率控制Susceptibility降低傳輸效率增加接受者之免疫力傳導Conducted幅射Radiated傳導Conducted幅射RadiatedNov,22,20007標準檢驗局位於汐止實驗室之室內型幅射干擾測試場Nov,22,20008隱藏之電路hidden schematic•EMI是被動元件正常狀態行為以外的結果•高頻特性–電阻器----電感與電阻串聯且並聯一個電容。–電容器----電感與電阻與電容串聯。–電感器----電感與電容並聯。Nov,22,20009元件低頻行為高頻行為響應電線電阻電容電感ZZZZffff元件在RF頻率範圍之特性串聯諧振並聯諧振Nov,22,200010EMC之模式三元素•能量之源頭---振盪頻率•被能量干擾之接受者---接收天線•在源頭與接受者間之耦合路徑—空間、導線一般而言，經由PCB佈線設計，以減低RF能量之源頭，是最經濟有效的方式。Nov,22,200011EMC與印刷電路板•需要多少佈線層（routing layer）•需要多少電源及接地平面（在可接受的成本價格內）•兩種基本之結構–Microstrip–StriplineNov,22,200012H2ww介電質,rSurface Microstrip表面Embedded Microstrip埋入Single stripline一個信號層對稱stripline:H1=H2不對稱stripline:H1H2Microstrip 及Stripline之方式Dual stripline兩個信號層接地平面信號線Reference planeBtDhH1tW: Trace寬度h: Trace距平面之高度t: Trace之厚度B: 全部介電質厚度D: 兩個stripline trace之間距htBhtwB信號線Nov,22,2000133-W間隔Cd位於頂層之信號trace分佈電容映像平面幅射RF能量以Microstrip方式對clock佈線Nov,22,200014Cd位於兩層之間之信號trace分佈電容映像平面無幅射RF能量，已被兩層映像平面所捕捉以Stripline方式對clock佈線Cd分佈電容映像平面Nov,22,200015Layer『層』之堆疊分配•秘訣1：每一個繞線層（routing layer）必定要相鄰於一個完整平面（solid plane），以降低迴路長度。•秘訣2：電源層與接地層相鄰，以降低Ground Bounce。–兩層板–四層板–六層板–八層板以目前之產業，討論厚度62mil之電路板，1至3ns上升時間，3至6mil之層間距，FR4之介電填充材料。Nov,22,200016兩層板Power GridGround Grid. 板子上層全為垂直trace. 下層板全為水平trace. 貫穿孔為水平及垂直交點. 每一IC及相交之power及ground間有decoupling電容. 信號線隨著水平及垂直圖形走Nov,22,200017兩層板使用幅射狀之power及信號拉線I/O ConnectorPower ConnectorPower及Ground之Trace須相鄰配線，以減低在電源系統之環路電流Decoupling電容Power Trace〔實線〕Ground Trace（虛線）此處，若電源及接地連接到一起，會產生環路電流。應避免之。Nov,22,200018幅射狀之傳遞Radial Migration最高速度/頻率最低速度/頻率CPUI/OBus Bus BusDriversRAMPower connectorNov,22,200019幅射狀之傳遞Radial MigrationI/O之連接及界面低速類比電路中速RF頻寬之電路如Memory, Support Logic, Bus低速數位電路高速RF頻寬之電路如CPU,Clocks,Cache,DMA幅射狀傳遞之PCB佈局分割Nov,22,200020四層板•將最高速clock佈線於相鄰ground plane且不相鄰於power planeBest layer for flux cancellation (slow speed signals)1 Signal 12 Ground3 Power4 Signal 2Use smallest distance for lower power impedanceMay exhibit poor flux cancellationSignal 1層因緊鄰Gnd面，為最佳之佈線層。Signal 2層易受電源雜訊之耦合。Nov,22,200021六層板•Config I–對clock信號及高頻元件，較常用之方式。（四層佈線層）唯一安全之佈線層1 Signal 12 Ground3 Signal 24 Signal 3差的電源平面阻抗在信號2、3、4上有較差的noise margins，因為電源通量要經由信號2至Ground移動5 Power6 Signal 4差的磁通抵消（對信號3及信號4）Nov,22,200022•Config II–此方式有較佳之特性，因為在Ground及Power平面間有較好之層間decoupling（四層佈線層）差的磁通量抵消1 Signal 12 Signal 23Ground4 PowerPower及Ground間低的電源阻抗5 Signal 36 Signal 4差的磁通抵消好的磁通量抵消差的磁通抵消Gnd 與Power 相鄰，為較佳之方式。Nov,22,200023•Config III–此方式有最佳之特性，對所有佈線層有較好之flux cancellation。以及有較低的電源平面阻抗（三層佈線層）6 Signal 3極好的佈線層（X方向）1 Signal 12 Ground3 Signal 24 Power填充物質（fill material）5 Ground低的電源阻抗好的磁通量抵消X-Y Paired Trace好的磁通抵消極好的佈線層（Y方向）每一信號層皆相鄰於完整平面。Signal 2與Power間為較厚之基板，使得減低電源雜訊之耦合。Nov,22,200024八層板•對RF電流有較緊密之磁通量抵消，此方式為較佳之堆疊方式。其有四層佈線層及四層平面層極好的佈線層（X方向）1 Signal 12 Ground3 Signal 24 Ground5 Power6 Signal 3X-Y Paired Trace電源及接地面間極佳的磁通抵消極好的佈線層（Y方向）7 Ground8 Signal 4極好的佈線層（X方向）X-Y Paired Trace極好的佈線層（Y方向）填充物質（fill material）填充物質（fill material）Nov,22,20002520-H Rule •由於磁通之連結，RF電流存在於Power plane之邊緣。•要減低此效應，所有電源平面應較相鄰之地平面小（依照20-H Rule）。Nov,22,200026Power planeGround planeTraceRFPower planeGround planeTracePower planeGround plane10-H100-H20-H通量邊界Power及Ground平面在邊緣處產生fringing現象，發生RF EmissionRF電流不會由板子邊緣fringe。RF電流有一迴返平面。不會發生RF Emission。在10-H時，此平面之阻抗變化開始發生。在20-H時，達到70%之通量邊界。在100-H時，達到98%之通量邊界（flux boundary）。RF fringingNov,22,200027Power planeGround plane突出之Power pinPower plane比Ground plane小20 x 0.006‖=0.120‖0.120‖Signal planeSignal planeGround planePower plane0.120‖側面圖0.006‖無銅箔層之區域20-H Rule之應用頂視圖Nov,22,200028接地方式•單點接地–電路及信號連線之速度在1MHz以下時，單點接地是最好之方式–依成本及結構，有單點串聯或單點並聯接地兩種方式–1MHz以上頻率，一般不使用單點接地。•多點接地–高頻產品設計通常是使用多點機殼接地。多點接地，將RF電流並連由Ground plane至機殼之地，可減低由PCB電源平面看出來之地阻抗。–CPU-主機板或adapter（daughter card，add-on card）必須要使用多點接地Nov,22,200029L1 I1 L2 I2 L3 I3132L1 I1 L2 I2 L3 I3I2+I3I=I1+I2+I3（a）單點串聯接地132（b）單點並聯接地132（c）多點接地系統—適用於10M以上高頻電路L1 L2 L3三種不同之接地方式機殼接地Nov,22,200030接地及信號迴路•在RF能量的傳遞上，環路（Loop）是主要的貢獻者。•在PCB上之EMI壓制，最重要之考慮點在於地或信號迴返路徑之控制。•永遠把高速電路及振盪器置於離銅柱越近越好。Nov,22,200031123單點接地Motherboard大的信號迴返環路面積Ground trace之並連接地主機板之信號參考接地，作為接地環路控制接地環路控制/20/20/20/20/20/20/20/20/20螺絲固定至金屬機殼螺絲固定點間之距離應不超過電路板上最高頻率之/20Nov,22,200032不好之佈線方式較佳之佈線方式VccVccGndGnd電源及接地之佈線Nov,22,200033電流IDifferential-Mode之幅射：環路中流動之電流造成磁場而幅射。面積A電流IE= 2.63 x 10-14[V/m]Af2Id小電流環路Differential-Mode Radiation之解決方案：減少環路面積：地迴路之佈線；電源供應之去耦合對信號線提供阻泥：濾波電路；電容；修整波型；終端電路提供較好之屏蔽方式Nov,22,200034映像平面層IMAGE PLANE•PCB內部相鄰於電路或信號之銅箔層•為了要移除PCB上之common-mode RF電流，所有之信號佈線層必須要相鄰於一映像平面。數位信號信號迴返是信號trace在地平面上之鏡像地平面RF Source 電流通量RF Return 電流通量