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標題: 印刷電路板設計-在真實設計里的EMI控制(共137頁pdf下載)內容很精彩 [打印本頁]

作者: tomzhao2008 時間: 2018-11-8 10:41
標題: 印刷電路板設計-在真實設計里的EMI控制(共137頁pdf下載)內容很精彩
Dr. Archàbeau˿t為IBM之資深EMI工程師，在EMI之分析上有非常深入之研究。我曾于 2002 年初參加過其于馬里蘭大學開辦之一短期課程，受益良多。同年 8 月間于 IEEE 研討會尋得并購買本書，特將之整理編譯以與大家分享。

Bruce上課之費用極為高昂，但確有其價值。我參加過其課程后曾與其聯繫希望能促成其至臺北開課，惜因時間、費用等因素未能實現，殊為可惜。但花些時間研讀其著作，相信也可讓大家獲益不少。本書內容闡述許多 EMI 之基本觀念，對于 EMI 工程師是很好的教科書。同時對于相關之產品設計工程師，如電子、Layout、機構工程師，也是建立正確 EMI 觀念之教材。畢竟，好的 EMI 產品設計是要各部分配合的。閱讀本書可以知道要如何做好 EMI 設計，更重要的是知道其原理為何，讓你不僅可以知其然，更知其所以然。

對不同的人而言，EMI/EMC控制代表著不同的涵義。對商業應用言，如錄影機、個人電腦、電視機等，其管制規范較之軍規/TEMPEST標準要鬆一些，但是。其還是有一定之困難度。商用產品較鬆標準的結果是，設計人員常被要求要降低干擾及耐受特性，以因應降低生產成本之目的。在EMI/EMC設計上之取捨很清楚，但對于是否絕對需要某些 EMI/EMC元件就沒有那麼清楚了。傳統上，EMI/EMC工程師使用以往之經驗、公式、材料手冊上之圖表，來從事產品設計之各個階段。在大學或是任何機構裡，很少有高品質之EMI/EMC工程師等級之訓練，許多在此領域工作之工程師，會發現到這種傳統之方法會越來越不適用了。，太空，以及其他因安全原因必須控制輻射之應用，武器系統，通訊等，對 EMI/EMC之要求都是遠在商業要求之上。這些更高等級之考量，需要更多之EMI/EMC設計，及更高之花費，同時還面對要降低成本之壓力。 EMI/EMC 的問題是肇因于器材內之導體上之時變電流，稱之為『di/dt 雜訊』。電流之變化產生了電磁場輻射。相反地，外來的電磁場能量也會導致電路上的
『di/dt 雜訊』，造成錯誤的邏輯運算及器材之誤動作。大多數的高速及快速上升時間之信號會造成EMI/EMC問題。這些問題會被連接到該器材之導線電纜所放大，在較低頻率變成有效率之天線。典型之解決方桉是使用屏蔽之外殼，對輸出入信號及電源線濾波，并且對機板上之信號線及電源平面提供濾波電路。而真正的問題是：『加多少才是足夠？』以及『會不會加太多？』
許多 EMC 工程師都會強調在產品研發之初期就要密切注意到 EMC 設計，此一『密切注意』通常只是在 EMC設計準則中一長串的『要如何..』及『不要如何..』。這些準則通常是根基于以往的產品經驗，而且很多準則會互相牴觸。我們缺少的準則是，在根本原因分析中我們不真正的知道為什麼我們需要這一項準則，或者，更重要的，當某一項準則因有些設計限制而無法實施時應使用哪些替代方法。設計者只是簡單的被告知『這樣做或是那樣做..』。

典型的設計程序之結果如下：
EMC 工程師提供給產品設計工程師一個 EMC 準則的表列。產品設計者無法、或是不愿意遵循所有的 EMC 設計準則。產品設計只使用了方便導入之 EMC 設計準則。樣品在 EMC 實驗室中測試，無法通過。

EMC 工程師及設計工程師花費 2 週至 2 月的時間增加電容、ferrite bead濾波、導電襯墊、金屬彈片直到問題解決。以修正過之 EMC 更新產品設計，開始量產準備。這一設計流程的結果是延遲第一批貨交貨的時間以及增加產品成本，因為這些EMC 零件并不是原始設計。顯然的，這不是我們所希望的流程，但它是最常見的流程。
本書之目的在于移除這些 EMC 設計流程之謎思。許多人將 EMC 設計看成是一種黑箱魔術，大膽猜測，或是更差狀況。EMC 設計是極端複雜的。有許多內部連接之現象發生，許多是難以預測的，特別是在其同時發生時。如果每一個潛在之干擾源都個別考慮到，那麼可以一個個的對每個干擾源進行適當的設計對策，這樣，設計者就不會在看整個產品時感到疑惑了。適當的 EMC設計并不僅僅是一串的準則。其需要有完整的程序，考慮到每一潛在源頭以及依序一個個的解決。自然的，主要的目標還是要確保產品之功能不被影響。如果，在設計階段，EMC 的考慮與功能性之考量都被包括且協調，則設計者才能在兩方面都獲致成功。

第二節 EMI干擾源
降低 EMI 最有效之方式是控制信號之分布以及它們的源頭。所以，這些信號是從哪裡來的？這些信號的起源可能有很多種，但是最主要的干擾是來自于 IC 中的高速切換電流。
幾乎所有的 EMI 干擾來自于產品某處存在之共模電流。所有的這些共模電流都來自于某些功能上之工作電流。如果這些工作電流能夠好好控制，讓它只含有工作上所需之諧波，來自于高頻諧波造成之不必要干擾就可以降低。此一共模電流的來源最有可能是工作信號之迴返電流路徑。當電路佈局工程師花很多精神在連接電路間之路徑時，很少會注意到迴返電流路徑。當時脈信號在10MHz 以下時，迴返電流不會是個問題。現今，機板上之時脈速度多至 200 至400MHz，且資料匯流排之速度高達 1GHz 是很普通的，因此，信號之佈線路徑應該視為是微波傳輸線(Transmission line)。不論是對EMC特性或是功能特性而言，信號線之高頻迴返電流路徑都是非常重要的。

第三節電感 Inductance
一個通常被誤解的觀念是對于電感的認知。初級工程師把電感認為是一個特定之零件，如在電感器(Inductor)及變壓器元件中，而很少考慮到在接地參考平面、信號佈線等等電流路徑上之電感。有電流流經一個環路，就會有電感的存在。有時候我們并不知道整個的路徑，并且整個路徑中也可能只有部分區域會造成輻射，所以區域電感的觀念也很重要。將區域電感組合起來，就可構成完整的環路電感了。也就是說，若是路徑一部份之區域電感被考慮到且將其降低了，則整個路徑的總電感也就降低了。
現今產品所使用的高速信號使得環路電感及區域電感變的比以往都要重要。即使是一個完美的超導體都會有電感。當電流流過電感阻抗時，會產生一個電位差。此一電位差會導致接地參考平面的雜訊、信號位準降低、造成 EMI 輻射的產生。

第四節接地 Ground
如果說電感是一個經常被誤解的觀念，那麼『接地』就是『最常』被誤解。當使用『接地 Ground』這個詞彙時，設計者通常是指許多種不同的事。它可能是指相對于 50/60Hz 之交流電源之安全接地(Safety earth reference)。它可能是指對高速佈線之信號參考點(Signal reference)。它可能是指在PCB上之電源迴返(Power return)，或者，它可能是指金屬機殼之機殼接地點(Chassis reference)。它甚至也可能指的是真正的大地接地點(Earth ground)，像是在EMI 開放測試場地(OATS)。很清楚的，在所有的這些場合中『接地 Ground』這個字不可能都是同樣的電位位準，但這卻是最原始『接地 Ground』的定義。『接地 Ground』是一個零電位的點。實際上，『接地 Ground』或是『零電位』只存在于無限值(infinite)，因之，除非我們使用了非常長的導線，否則真正的零接地電位是不可能存在我們的產品之中。
較清楚且明確的表示法是將在不同之場合將『接地』描述成說：『大地接地Earth-Ground』、『接地參考點 Ground-reference』、『電源參考點 Power-reference』、『機殼參考點 Chassis-reference』，等等。則說的人與聽的人就都可以明白了。

第五節屏蔽 Shielding
另外一個在 EMC中容易誤解的是屏蔽的觀念。古典的屏蔽理論講的是一個平面波撞擊到一個有開孔的屏蔽物。以我們現在所接觸的產品的構造言之，設計者所要面對的撞擊有開孔的屏蔽物的并不會是平面波，所以使用古典之趨近法可能會誤導結論。
在典型的產品中，能量的來源很靠近外殼之屏蔽及開孔。此一密切靠近之結構，使得在與屏蔽間存在電容、電感、或是電磁耦合感應電流。能量來源與屏蔽體間之距離是非常重要的，會造成耦合現象之巨大差異。在屏蔽上生成之感應電流找到適當之開孔，就會將能量轉移到屏蔽體之外，變成輻射干擾了。第六節結論對 PCB洽當的 EMC設計，最有效果的方法是考慮到每個不同的信號源頭，并且在信號源頭將其控制住。后面之幾章將會詳細的說明不同之信號源頭，以及如何來控制每一個個別的來源。在設計階段的早期就必須要考慮 EMC，并且持續到全部的設計階段。
很重要的是不要把EMC設計看成是一個簡單流程的步驟。在設計進行中，有許多工程上的折衷方桉(trade-offs)要考慮。如果設計者了解到我們的目標，并且了解到發生 EMI 輻射的源頭在哪裡及如何去控制它，那這個設計者就能夠很成功的掌握并做出正確的折衷判斷。如果EMC的設計流程只是遵循一連串的準則，哪麼當這個準則變得很困難或是無法實現時，此準則就會被忽略掉，此產品就會失敗，那麼整個流程就要再來過一次。
為了要完整的了解跟干擾源頭有關的完整程序，一些基本觀念必須要了解的很清楚，譬如說『接地』、『電感』及『屏蔽』。在這些方面有很多的錯誤觀念，本書的目的就是要協助來了解并降低對它們的誤解。

(Coupling Mechanism) 本章已經談過了解信號的出處以及其如何溢出系統是很重要的，但是還未提到在源頭與最后的洩漏點之間的耦合機制。通常，一旦說產品在EMC測試實驗室中測試不通過，再想要改善其耦合機制就太晚了，但是在某些情況之下，還是有一些方法可以改善以解決此問題。
第一項桉例一，時脈信號由接縫洩漏
假設在 PC 板某處有一個時脈信號源，而由一個機殼之縫隙洩漏出去。如果輻射之頻率為時脈基頻之第七次諧波或更高的諧波，通常最好的解決方式是在意圖信號上加濾波器。如果系統之運作確實需要快速的上升時間注，或是說此一有問題的頻率的確是必要的較低階諧波，則在源頭加濾波器就不太適宜了。時脈信號傳遞到洩漏縫隙的方式有很多種。最可能的方式是信號在機殼內輻射，然后再由開孔洩漏出去。經過縫隙附近的一條內部纜線或電線也可能會造成縫隙之洩漏。有時候移動內部纜線的位置就可以降低輻射的強度(如果這是部分原因的話)。時脈信號可能會耦合到其他的信號導體而進入到內部纜線然后輻射出

注：通常，時脈以及資料驅動器的上升時間并不需要到 IC所能驅動的那麼快。但是，設計者通常會以較快的上升時間當成預設值，以使信號 timing 分析容易些。這樣通常會讓 EMC 設計上增加成本，因為要多來控制許多不必要的高頻。在整個設計裡，會有許多的妥協要做，一旦知道了所造成的額外成本，通常較低的上升時間就可以被接受。去。一旦找到了耦合的機制，就可以加以控制。有許多可能的耦合路徑，無法在這裡一一的描述。

第二項桉例二，時脈信號由未屏蔽之纜線洩漏如前所述之源頭端加濾波方式還是可以使用。然而，在此桉例，時脈信號是藉由一個非屏蔽纜線傳遞到機殼之外。時脈信號適一個非意圖信號，因為我們根本就不希望它在那條導線上出現。能量可能由時脈佈線直接耦合到I/O之佈線，或經由另一個導體。能量可能在機殼內輻射然后耦合到 I/O 連接器以及/或是佈線。同時，如前面之例子，內部纜線可能作為將非意圖信號由其源頭傳遞到 I/O連接器之一條路徑。

第五節結論
在實驗室中并沒有按部就班的指導準則可讓我們用來解決 EMC問題。不過，有一些一般性的原則可以協助來減少花費的時間。隨機的應用銅箔膠帶、ferrite beads、以及濾波器并不是最容易或最快的解決問題方法。了解信號從哪裡來是很重要的。通常，信號可以在其源頭就控制住，那就不會造成系統信號洩漏的問題，因為雜訊信號的來源已經沒有了。如果無法在于源頭處控制，那就要來了解信號是如何由機殼中洩漏出去的。簡單的電壓探針在此方面是最有效的分析工具，因為它消除了近場探針可能的誤導。此種接觸式之電壓探針可以用來確認造成洩漏之機殼縫隙、纜線上的非意圖信號、以及屏蔽纜線之不當連接方式。最后，了解在信號源頭以及洩漏點間耦合之機制可以減少解決問題的時間。

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作者: heyouxue2332 時間: 2019-5-7 13:17
謝謝分享學習學習

作者: heyouxue2332 時間: 2019-5-7 13:18

很好的學習資料謝謝

作者: ck嚴生 時間: 2020-2-25 15:31
很有用的資料，謝謝分享

作者: ljtim 時間: 2021-4-21 02:29
好文章，謝謝

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