降低EMI的高速PCB设计注意事项

作者：Divyesh Patel，Kinjan Patel

本文档是根据对高速信号和电源开关的电磁干扰的实际观察编写的，电磁干扰可能导致认证过程失败。产品中使用的组件的布局和原理图设计建议可能在数据表中提供，但实际观察和解决方案可能会有所不同。

本文档介绍高速信号，如 HDMI、MIPI CSI、MIPI DSI 和以太网。频率范围高于9 kHz的辐射应在认证标准的设定范围内。来自器件的辐射通常是PCB上高频时钟的多个谐波。与差分时钟相比，单端时钟辐射更多，因为单端信号的电压电平和功率更高。强烈建议在任何高速单端时钟的源端使用0欧姆串联电阻器。

在认证期间，增加串联电阻值有助于控制时钟中存在的过冲和下冲，这是辐射的主要原因。增加串联电阻器的值有助于减少过冲和下冲。串联端接电阻的最大值可以通过接收器的建立和保持时间违规来确定。还建议尽可能不要使用重复的频率。

例如，如果将两个开关稳压器部件用作电源稳压器，则请确保两个开关频率都不在相同的开关频率下工作，因为辐射总和会超过禁止的辐射限值。时钟信号的长度越长，辐射功率就越大。例如，较长的HDMI电缆将充当天线，因此在这种情况下HDMI接口的辐射会更高。

布局在辐射中起着重要作用。确保时钟信号的设计符合特性阻抗要求和围绕时钟走线提供的连续接地，以避免阻抗不匹配。非常准确地遵循芯片制造商的布局指南，并确保制造商从辐射角度审查该特定部分的原理图和布局。芯片制造商可能会根据他们在与芯片相关的认证失败方面的经验，对新设计提出一些建议。

1. HDMI（高清多媒体接口）

HDMI接口引起的EMI故障在嵌入式产品中最常见。HDMI辐射出现在基波上，通常高达148.5MHz、297MHz、445.5MHz、594MHz、742.5MHz和891MHz的次谐波。

辐射源可能来自HDMI电缆，PCB设计或显示器本身（如果未经过认证）。共模扼流圈和端接电阻/电容器应有助于消除PCB上的辐射，但HDMI电缆选择时会发生常见错误。来自不同制造商的不同电缆提供不同的发射水平，即使它们是屏蔽的。因此，从 Molex 或 TE 等值得信赖的供应商处选择电缆非常重要。当然，所选电缆应屏蔽并内置铁氧体磁芯。建议携带3-4根不同的电缆（来自不同的品牌）进行预扫描，以验证每根电缆的性能。

以下技术可以帮助减少HDMI信号的辐射：

- 共模扼流圈应选择截止频率比基频高5-6倍的共模扼流圈。在148.5MHz的情况下，超过1GHz的截止频率应该是理想的。
- 从一层传递到另一层的差分信号应确保接地通孔与信号相邻，以降低环路电感。
- 在HDI PCB的情况下，接地通孔应作为信号向下传输，以最短路径回流到源。
- 金属外壳应利用良好的接地方案，使用屏蔽连接器将电缆屏蔽层与外壳适当端接，以减少干扰。
- 在具有不同电位（接地和电源）的参考平面的情况下，建议使用旁路电容器。
- 其他一般准则，如长度匹配（10mil 对内和 100mil 对间）、阻抗匹配（100 欧姆）、固体参考平面、微带布线、较少的过孔数量、45 度弯曲是遵循的最佳实践。

2. MIPI DSI 和 CSI（移动行业处理器接口）

MIPI信号（CSI/DSI）专为移动行业设计，因此它们是非常低功率的差分信号，并且不太可能辐射。MIPI信号时钟因分辨率参数而异。

在携带MIPI信号的FPC电缆上可能会辐射。在定制电缆的情况下，我们在两侧添加屏蔽或接地可以立即提供帮助，但它可能会影响电缆的灵活性。最佳方法是使用直接图层上的阴影线地面作为参考地面。具有更高带宽的离路共模扼流圈将有助于消除PCB的共模噪声。MIPI信号的数据速率对于D-PHY为80Mbps-2.5Gbps，对于C-PHY的数据速率为183Mbps-5.7Gbps。因此，提供瓜尔环和至少 40 密耳与其他信号的隔离非常重要。

以下技术可以帮助减少MIPI信号的辐射：

- 为D-PHY选择截止频率超过2GHz的共模扼流圈。C-PHY 可以使用特殊滤波器来传递三重信号。
- 从一层传递到另一层的差分信号应确保接地通孔与信号相邻，以降低环路电感。
- 在HDI PCB的情况下，接地通孔应作为信号向下传输，以最短路径回流到源。
- 如果FPC上有EMI薄膜，请确保薄膜的末端连接到FPC上的曝光信号接地。
- 在具有不同电位（接地和电源）的参考平面的情况下，建议使用旁路电容器。
- 其他一般准则，如长度匹配（25密耳对内和55密耳对间），阻抗匹配（少数情况下为100欧姆/ 85欧姆），固体参考平面，微带布线，较少的过孔数量，45度弯曲是遵循的最佳实践。

3. 以太网

以太网信号上的辐射与双绞线电缆的长度成正比。电缆上的屏蔽 CAT5 电缆和铁氧体磁芯将有助于减少干扰。

当电缆上的共模噪声通过机箱接地返回噪声时，差分MDI信号会辐射。

来自单端MII和电源部分的噪声可以通过机箱接地耦合到双绞电缆，从而产生不必要的辐射。

以下技术可以帮助减少以太网信号的辐射：

- 以太网电缆上的铁氧体磁芯可以降低EMI。在认证过程中保留不同类型的 CAT5 电缆。
- MDI 信号应与 MII 信号很好地隔离（至少相距 40 密耳）。
- 保持单端MII信号的最小长度。
- 在所有层中，应保持磁性元件下方的空隙。
- 从一层传递到另一层的MDI和MII信号应确保接地通孔位于信号附近，以降低环路电感。
- 在HDI PCB的情况下，接地通孔应作为信号向下传输，以最短路径回流到源。
- 金属外壳应利用良好的接地方案，电缆屏蔽层使用屏蔽 RJ 45 连接器与外壳适当端接，以减少干扰。
- 在具有不同电位（接地和电源）的参考平面的情况下，建议使用旁路电容器。
- 其他一般准则，如长度匹配（10mil 对内和 100mil 对间）、阻抗匹配（100 欧姆）、固体参考平面、微带布线、较少的过孔数量、45 度弯曲是遵循的最佳实践。

4. 直流-直流电源发电

对于高速PCB设计，嘈杂的电源是EMI-EMC辐射的主要贡献者之一。稳定且噪声较小的电源肯定有助于降低EMI。

用于高速接口的处理器、内存和桥接芯片在非常低的电压下工作。在设计中选择 DC-DC 开关稳压器以获得高输出电流和效率。但开关频率、这些开关产生的纹波（过冲和下冲）噪声也会造成辐射。地面中噪声信号的耦合会增加辐射，因为地面将与电缆一起移动，电缆可以充当高频噪声的天线。

如果系统实际功耗较高（》10W），并且产品中涉及较长的电缆，则建议在输入直流电源上使用共模扼流圈和LC滤波。在线计算器可用于计算需要衰减辐射功率的特定频率的L和C值。电感值越高，则首选空间内没有约束。

一般来说，在开关频率的过冲和下冲处观察到的高频（振铃）更有可能辐射。

缓冲器调谐将有助于减少这种过冲和下冲功率。使用较大的封装或高额定功率电阻器，因为高频噪声将被旁路，较小的封装可能会增加PCB的温度。缓冲电路应安装在电感器的开关节点上。

高速PCB设计要记住的要点

·表面贴装部分应优先于通孔部分。电容器等通孔部件在80MHz以上会变得更感性，这可能会导致更高频率的辐射/分选问题。
·保持高速信号走线尽可能小，并尽可能提供接地以减少环路电感。
·尽量避免堆叠相邻的信号层，或使用正交布线来减少电容耦合。
·将去耦电容放置在非常靠近IC引脚的位置。这将有助于更快地在电源和接地之间切换。
·对信号使用星形路由，对电源使用单点路由。
·在电源输出上使用铁氧体磁珠。在铁氧体磁珠周围放置电容器将充当高频噪声的低通滤波器。
·在每个时钟输出端保持 0E 系列端接电阻器，该输出为 》1MHz。这将有助于在出现干扰问题时进行调整。
·对于晶体，根据数据表选择考虑负载和杂散电容的并联电容器。它们是辐射的基本来源，因此请遵循IC建议进行晶体布线。此外，尽量将晶体/振荡器保持在PCB的中心，而不是边缘。
·PCB边缘的走线不应以90度角布线。
·保留射频部分的屏蔽配置。这是FCC（模块化认证）的强制性要求。
·高频方波由多个高频正弦波组成。因此，请确保这种类型的关键信号周围应有适当的接地。
·确保对于连续接地层，过孔不应使岛与非常薄的铜区域连接。这可以增加信号的接地返回路径。
·FR4 材料最好具有 《5Gbps 时钟速度和低成本。对于高于5Gbps，请使用其他材料，如Nelco，Megatron，Rogers。
·保持高速信号中其他信号的》3W间距

·与接地层相比，电源层应位于PCB边缘内。根据经验法则，最好是 20H。（H=层间介电厚度）

总结

本文档基于对高速PCB设计中EMI降低的实际观察。EMI预防措施对认证非常有帮助。高速接口的辐射因设计而异，因此建议在设计中使用有助于在认证过程中进行调整的规定。

本文档介绍了PCB上常用的高速信号的注意事项。 几乎所有产品都观察到HDMI接口引起的EMI问题。串联、并联端接、扼流圈对减少辐射没有多大帮助。HDMI电缆和HDMI显示器的变化会改变辐射功率。长电缆将充当高速接口的天线，因此如果产品连接了多根长电缆（例如，汽车产品），则需要采取许多预防措施。