PCB电磁兼容设计技术资料大放送-第一季

世界上只有两种硬件工程师,一种是已经遇到电磁兼容性问题,一种是将要遇到电磁兼容性问题。这里套用 EricBogatin 的《信号完整性与电源完整性分析》一书里的经典名句。

电机设备和电子产品在使用过程中可能产生电磁辐射,以致干扰其他设备的正常运行,甚至影响人体健康。因此几乎全球主要经济体的国家已在过去二十年期间先后立法规范,要求任何产品所产生的电磁辐射必须符合电磁干扰/兼容的法规标准,否则不准上市销售。而近年来随着无线通讯的快速发展,世界各国的法规标准日趋严格。由于现代的电子产品,功能越来越强大,操作速度越来越快,电子线路也越来越密集与复杂,电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题变成了设计上的主要挑战,因此除了对电路设计技术水准的要求越来越高外,目前也开始 PCB 与 IC 半导体电路的 EMC 问题展开研究。一个好的电子产品,除了产品本身优异的功能外,高水准的电磁兼容电路设计,对产品品质及技术性能指标都具有相当关键的影响力。电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行最佳化设计,使之能成为符合各国或地区电磁兼容标准的产品。

然而,以往解决 EMC 的问题往往是见树不见林,也就是仅针对部分问题寻求抑制对策,而欠缺系统性的全面设计规划,以至于无法有共通性的解决方案;因此解决电磁干扰/兼容的问题需要理论与经验的结合,且需要在设计电路或系统之初即以系统观点考虑可能的电磁干扰/兼容问题,更要事先进行原因分析(Root Cause Analysis, RCA)的评估,事后进行补救所花费的成本将更可观。电磁干扰/兼容的领域很广泛,包括电力、电脑、通讯、控制、医疗设备、运输电子、军事设备、资讯科技、消费性电子、家用电器、信号传输、材料特性、量测技术、屏蔽技术、生医电磁学(bio-electromagnetics)等。

目前在工作频率越来越高的情况下,许多在低频时问题不大的信号完整性(SI)以及电磁干扰(EMI)问题是越来越严重。由于电路中的单位密度元件增加,造成电路走线引起的问题越来越多。举个栗子,印刷电路板上的微带线在传输电子信号时,由于电磁波会藉由介质向外传播,而产生电磁辐射或耦合的现象,影响其他电子元件正常工作。过去在设计电路走线时,因为频率较低,因此考虑的因素相对来说并不多,只要遵守一些基本原则就足够应付了,但随着传输速度增加,工作频率上升,渐渐的已无法防止电磁效应所产生的干扰,因此从过去的单一传输信号线之后,差模传输对也逐渐在一些产品上被采用,差模信号的传输是利用两大小相同相位相反的信号同时传输,此时因为电流反向,磁场相互抵销,造成破坏性干涉,因此能够降低电磁干扰(EMI)。此外,早期探讨电磁兼容测试是在测试设备与设备或系统与系统间相互干扰,而随着无线通讯的应用与日俱增与科技的日新月异,产品体积轻薄短小化且功能丰富多的状况下,高速数字系统的设计都需附加愈来愈多的无线通讯技术;如在 Notebook 中加入 GSM、WLAN、GPS、Bluetooth、DVB-H……等,在缩小的体积内建置更多的无线通讯模组与天线。目前我们发现不管是系统或元件(如模组、天线),当这些系统或元件整合到数字无线通讯系统时,这些系统或元件间产生噪声的干扰可能会影响到其本身的传输性能,如 datarate 降低、传输距离变短等。此种无线通讯的 Platform Noise 观念其实跟 EMC 是相同的,只是 Platform Noise 又是更严重的问题,因为很多意图发射的元件或模组一起紧密建置于系统内时,在操作情况下,所需注意的焦点已经不单单只在设备与设备之间的 EMC 问题,更是演进到系统内模组兴模组间的兼容性测试与设计分析。

此外,随着半导体电路(IC)的功能越来越强、操作速度愈来越快、应用愈来愈广泛,使得目前资讯通讯与车辆产业在系统整合时所造成的电磁干扰问题也越来越严重,半导体电路已成为电子系统之整体电磁干扰能量的重要来源,一般而言,解决 EMC 的问题越往源头越容易解决,而且解决的成本亦较低,因此除了在设计初期即进行模拟分析外,EMC 技术发展的趋势将是由系统开始,而后逐渐朝模组与电路板设计方向的系统内干扰问题研究,未来则无可置疑地必须往芯片层级的设计与制程解决 EMC 的问题,产业界将导入芯片层级之 EMC 限制值概念,研究其对模组与系统之 EMC 效应影响以及管制机制。以期能够提升产业界解决 EMC、PI、SI 等迫切问题的技术与能力,建立完整的 EMC 设计规范与量测技术,并培养国内产业界在纳米时代之 IC 设计与产品差异性设计时所需的相关专业人才。从系统层面到芯片所遭遇之 EMC 问题列举相关的研究课题如下:

车辆电磁干扰/兼容(Automotive EMI/EMC)

车用电子通讯设备日渐普及,宽频时代的定位、天线、安全、多媒体、娱乐、电子收费、远距离医疗等高科技的电子产品都可能成为车内配备。多种电子产品集中在狭小空间里,彼此间容易产生电磁干扰,而可能衍生之行车安全问题更是各国交通主管单位与大车厂所关注的问题,因此 ISO11451 及 ISO11452 等系列标准及制定出从整车到电子控制模组(ECU)的 EMC 标准,值得投入研究。例如火星塞引燃的突波(Surge)及马达运转时产生之反电动势(back EMF)暂态波形对车内电子通讯设备(如音响、收音机等)的电磁干扰、天线所发射的电磁波对车内电子通讯设备的电磁干扰、电子通讯设备间的相互电磁干扰、雷突波(LEMP)对车内电子通讯设备的电磁干扰都是研究的课题,尤其目前我国及世界各国正积极发展电动车辆及相关汽车电子产业,更需投入相关之研究与设计技术,其中汽车电子的未来趋势将是朝向安全车辆(先进式安全汽车 ASV;线控刹车、驾驶、以及汽阀)、智能车辆(车内网路、ITS、Telematics、与短距通讯 DSRC)、绿能车辆(EV、HEV、FCEV)发展,因此在高速数字电子与低驱动电力的复杂动力组合架构下,车辆之电磁兼容设计与验测技术将面临新的挑战。

无线通信系统干扰/兼容(Wireless Communications EMI/EMC)

现代电子产品功能整合越来越强大,操作速度越来越快且强调无线上网与通信的能力,而内部的数字电子线路也越来越密集与复杂,因此除了传统的电磁干扰和电磁兼容问题变成了高速数字电路设计上的主要挑战,对电路性能设计技术水准的要求越来越高外,目前也开始朝系统内干扰(Intra-system)问题展开研究,因为它将会直接导致无线通信传输性能劣化的 Platform Noise 问题。一个好的数字无线通信电子产品,除了产品本身优异的功能外,高水准的电磁兼容电路设计,对产品品质及技术性能指标都具有相当关键的影响力。PlatformNoise 设计实际上就是针对数字无线通信产品内部电磁兼容产生的电磁干扰进行系统最佳化设计,使之能成为符合各主要厂商(如 Nokia、Motorola、SONYERICSON、Dell…等)对于其无线通信系统高灵敏度(sensitivity)要求的产品。早期探讨电磁兼容测试是在测试设备与设备或系统与系统间相互干扰,而随着无线通讯的应用与日俱增与科技的日新月异,产品体积轻薄短小化且功能丰富多的状况下,高速数字系统的设计都需附加愈来愈多的无线通讯技术;如在 Notebook 中加入 GSM、WLAN、GPS、Bluetooth、DVB-H……等,在缩小的体积内建置更多的无线通讯模组与天线。目前我们发现不管是系统或元件(如模组、天线),当这些系统或元件整合到数字无线通讯系统时,这些系统或元件间产生噪声的干扰可能会影响到其本身的传输性能,如 datarate 降低、传输距离变短等。此种无线通讯的 Platform Noise 观念其实跟 EMC 是相同的,只是 Platform Noise 又是更严重的问题,因为很多意图发射的元件或模组一起紧密建置于系统内时,在操作情况下,所需注意的焦点已经不单单只在设备与设备之间的 EMC 问题,更是演进到系统内模组兴模组间的兼容性测试,而因应此趋势,电磁兼容设计与验证已经逐渐从电子设备或系统设计的重心转移到模组与半导体电路元件(SOC)上,并必须投入系统整合设计之 EMC 研究。

印刷电路板的电磁干扰/兼容(EMI/EMCinPCB)

随着电子产品操作频段不断的提高,印刷电路板的电磁干扰问题越来越严重。印刷电路板在设计之初通过电磁干扰/兼容检验,在装机整合过程后,可能无法通过检验或无法运作。这类问题牵涉到元件摆置、导线布置、接地系统设计、辐射干扰信号的压制等,都是值得探讨的课题。

半导体电路系统与封装的电磁干扰/兼容(EMI/EMC in SoC, SiP and Package)

鉴于近年来半导体制程技术之演进相当快速,在晶圆厂与设计公司进入纳米时代,其所设计的电路参数变化效应也已进入到影响芯片效能的时代,然而这些进步却衍生如 Signal Integrity 与 EMC 等相关的问题,使得系统芯片在实现整合混合信号(mixed-signal)功能与高速 I/O 介面时将更加困难,同时由于低电压制程技术的普及,使得系统与芯片层级的电源完整性(PI)与 ESD 问题亦亟待解决。电子通讯产品的硬体整合往系统芯片(SoC)及系统封装(SiP)的方向发展,包括整合天线在芯片或封装内部。电磁干扰/兼容问题是射频半导体电路(RFIC)或单晶微波积体电路(MMIC)与基频处理器共设计过程的重要议题,值得研究。

暂态电磁干扰/兼容(Transient EMI/EMC)

通讯、雷达、智能车辆、医疗等系统均装配许多高灵敏度的电子仪器设备,易受到暂态感应电流的干扰。这些电子通讯系统内有很多 IC 零件,如果没有适当的保护措施,很容易造成误动作、暂时性甚至永久性的损坏。引起设备损坏的暂态电磁干扰源包括雷突波(LEMP)、静电放电(ESD)、核爆脉冲波(NEMP)、电流突波(Surge)等,值得研究。

天线隔离度解决方案

随着无线通讯产品之缩小化与通讯频带整合之需求,多频或宽频天线设计是必然的趋势,也因此在同一产品内,有包含多支天线的需求,如何增加多天线之间隔离度的问题,以避免个无线系统间之非意图辐射耦合(如 spurious emission)问题,都值得研究。相关的研究课题包括:多馈入(multi-port)天线的设计,同时满足数个无线通讯系统的输出入需求并且不互相干扰、多天线之间的隔离度以及 MIMO 天线间之隔离度对信号传输影响的研究分析、天线间去耦合的电路设计…等等,均为重要的研究主题。

屏蔽材料(Shieldingmaterials)

利用材料的特性将电子通讯系统内元件与元件间或元件与子系统间的电磁场隔离,一则防止电磁波向外辐射造成干扰,一则抑制外来的电磁波干扰内部的电子通讯系统。屏蔽材料的研究课题包括材料的电磁特性分析、材料结构形状的研究、材料厚度的影响等。例如开发船舰、飞机上的吸波漆材以降低船舰、飞机的雷达截面积、防高频电磁波的衣料开发等,尤其是造价极高之电波无反射室之建造应用,在在均广泛使用兼容性的屏蔽与吸波材料,此一领域已经广受微波领域的重视,未来更应积极发展宽频材料之设计与特性量测技术。

电磁干扰/兼容量测技术(EMI/EMC test and measurement techniques)

电磁干扰/兼容量测是否准确取决于量测环境是否合格、量测仪器是否标准、量测仪器与待测物间的电磁耦合效应是否排除、人为的操作程序是否正确等诸多因素。许多既有的电磁干扰/兼容的量测程序、环境、仪器等均有标准规范或国际认证。新的电子通讯产品不断的推出,部份量测技术尚未订定标准规范或必须修订,如何设计一套恰当的量测技术值得研究。

模型化及模拟技术(Modeling and Simulation)

值得研究的课题包括建立输入/输出缓冲器资讯规格(IBIS)模型以及互连线路(Interconnects)的等效电路模型,发展计算电磁方法等,藉由模拟技术探讨信号/电源完整度(SI/PI)与电磁干扰/兼容之间的关联性,并能有效应用于各项从元件、模组、电路板、一直到完整系统之电磁干扰/兼容议题的预测与防范分析上。


这里分享一些电磁兼容性设计方面的资料,分享给大家,算是第一季吧,以后应该还会有更多的分享。

  • 《电磁兼容工程》
  • 《电磁兼容导论》
  • 《Grounds for Grounding A Circuit to System Handbook》
  • 《辐射发射控制设计技术》
  • 《高速数字设计》
  • 《EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers》
  • 《实用电子元器件与电路基础》
  • 《麦克斯韦方程直观》
  • 《产品设计中的 EMC 技术》
  • 《印刷电路板设计-在真实设计里的 EMI 控制》
  • 《EMC 电磁兼容设计与测试案例分析》

还有一些 EMC/EMI 方面的文档,都是大厂出品:

  • 《NEC 应用笔记 改善 EMC 的 PCB 设计》
  • 《摩托罗拉电路板级的电磁兼容设计》
  • 《如何设计符合 EMI 要求的 PCB》
  • 《Getting EMC Design Right First Time》
  • 《高速数字电路设计及 EMC 设计》
  • 《PCB 的 EMC 设计指南-华为》

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