数字类硬件电路 EMC 设计

1. 数字类硬件电路EMC设计

2. 前言 • EMC设计流程已经启动； • 针对EMC设计流程大家共同讨论制定了五个CHECKLIST：《数字控制类产品EMC设计checklist》，《功率系统EMC设计checklist》，《功率模块的EMC设计查检表》，《PCB的EMC设计checklist》，《结构EMC设计checklist》，在以后产品设计中，将会依据这些CHECKLIST进行评审； • 本培训胶片针对《数字控制类产品EMC设计CHECKLIST》，对大家的硬件EMC设计提供一些指导。

3. 数字控制类硬件电路EMC设计关键点 • 电源部分的EMC设计； • 接口部分的EMC设计； • 关键芯片的EMC设计； • 晶体和晶振的EMC设计； • 连接器及接插件的EMC设计； • 地的处理； • 复位、拨码和指示灯电路的EMC设计。

4. 硬件电路EMC设计关键点 • 电源部分的EMC设计； • 接口部分的EMC设计； • 关键芯片的EMC设计； • 晶体和晶振的EMC设计； • 连接器及接插件的EMC设计； • 地的处理； • 复位、拨码和指示灯电路的EMC设计。

5. 电源部分的EMC设计 • 电源输入电路的EMC设计； • 电源输出电路的EMC设计； • 电源转换芯片的EMC设计；

6. 电源输入部分的EMC设计 遵循的原则： • 先防护后滤波； • CLASS B规格要求的电源输入端推荐两级滤波电路，且尽量靠近输入端； • 在电源输入端滤波电路前和滤波电路中无采样电路和其它分叉电路；如果一定有采样电路，采样电路应额外增加了足够的滤波电路；

7. 电源输入部分的EMC设计 原因说明： • 先防护后滤波； • 第一级防护器件应在滤波器件之前，防止滤波器件在浪涌、防雷测试中损坏，或导致滤波参数偏离，第二级保护器件可以放在滤波器件的后面； • 选择防护器件时，还应考虑个头不要太大，防止滤波器件在PCB布局时距离接口太远，起不到滤波效果。 红色圆圈内为滤波，黄色圆圈内为防护器件。

8. 电源输入部分的EMC设计 原因说明： • CLASS B规格要求的电源输入端推荐两级滤波电路，且尽量靠近输入端； • CLASS B要求比CLASS A要求小10dB，即小3倍，所以应有两级滤波电路。 • CLASS A规格要求至少一级滤波电路。 • 所谓一级滤波电路指包含一级共模电感的滤波电路。 红色圆圈内为两级共模电感，黄色圆圈内为三级Y电容，推荐三级Y电容，至少两级，保留前面和中间的两级Y电容。

9. 电源输入部分的EMC设计 原因说明： • 在电源输入端滤波电路前和滤波电路中无采样电路和其它分叉电路；如果一定有采样电路，采样电路应额外增加了足够的滤波电路； • 电源采样电路应从滤波电路后取； • 如果采用电路精度很高，必须从电源输入口进行采样时，必须增加额外滤波电路。

10. 电源输入部分的EMC设计 原因说明： • 如果采用电路精度很高，必须从电源输入口进行采样时，必须增加额外滤波电路。

11. 电源输入部分的EMC设计 • 从上页中的原理图标示的这两个圆圈大家会想到什么？ • 两个插座？横穿单板的两根走线！ • 电源输入滤波无效！ 电压采样电路造成的EMC问题已经有很多案例，请大家关注！

12. 电源输出部分的EMC设计 遵循的原则： • 电源模块输出一定要求有滤波措施,推荐使用共模电感或差模电感； • 长距离电源走线是否预留足够电容组10uF/0.1uF或1uF/0.01uF，应考虑PCB板每间隔7.5cm放置一对。

13. 电源输出部分的EMC设计 原因说明： • 电源模块输出一定要求有滤波措施,推荐使用共模电感、磁珠或差模电感； • 用共模电感进行滤波，防止开关电源的噪声串到整个单板的电源、地上； 可用共模电感进行滤波

14. 电源输出部分的EMC设计 • 用磁珠进行滤波，防止开关电源的噪声串到整个单板的电源、地上； 可用磁珠进行滤波

15. 电源输出部分的EMC设计 • 在电源输出端设计Y电容时，需斟酌，如有螺钉可使Y电容就近接地时，可考虑增加，否则不用。 • 因电源输出端常在单板中间，如要设计Y电容，应考虑是否可以就近接地，当不能就近接地时，而必须拉长线进行接地时，可能会引起坏效果，可以考虑不用Y电容，直接用共模电感、磁珠和X电容即可。 • 见下图所示的电源输出端Y电容，为了接地拉长线得不偿失。

16. 电源输出部分的EMC设计 原因说明： • 长距离电源走线是否预留足够电容组10uF/0.1uF或1uF/0.01uF，应考虑PCB板每间隔7.5cm放置一对。 • 当电源模块有多路电源输出时，比如提供给通讯接口的通讯电源、地，提供给传感器供电的12V、24V电源、地，提供给继电器驱动用的12V电源、地，均会存在长距离走线问题，为了使电源、地之间的阻抗最小，且回路最小，应每隔7.5cm增加一对电容。 点亮黄色走线为通讯电路供电的5V电源、地，走线长达25cm多，走线上增加了两对电容进行滤波。 应在设计之初加以考虑。

17. 电源转换芯片的EMC设计 遵循的原则： • 电源转换芯片输入输出端应并联BULK电容和去耦电容； • 电容容值应依据芯片手册推荐，或者依据驱动能力来估算。 • 开关转换芯片输出应考虑磁珠进行滤波。

18. 硬件电路EMC设计关键点 • 电源部分的EMC设计； • 接口部分的EMC设计； • 关键芯片的EMC设计； • 晶体和晶振的EMC设计； • 连接器及接插件的EMC设计； • 地的处理； • 复位、拨码和指示灯电路的EMC设计。

19. 接口部分的EMC设计 • 串口接口电路的EMC设计； • 网口接口电路的EMC设计； • I/O接口电路的EMC设计； • E1接口电路的EMC设计。

20. 串口接口电路的EMC设计 遵循的原则： • 先防护后滤波； • 422/485/CAN差分接口优先选用共模电感或者磁珠进行滤波，232接口用磁珠进行滤波；滤波电路尽量靠近端口，磁珠或共模电感到端子间PCB走线长度小于2.5cm； • 如防护器件过多，磁珠到端子间PCB走线长度距离大于2.5cm，则应在最靠近接口处增加Y电容或高压电容进行滤波，Y电容要满足耐压要求； • 如果采用屏蔽电缆，屏蔽层要接PGND； • 需要接出到端子的通讯地需要经过滤波；

21. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： • 先防护后滤波； • 第一级防护器件应在滤波器件之前，防止滤波器件在浪涌、防雷测试中损坏，或导致滤波参数偏离，第二级保护器件可以放在滤波器件的后面； • 选择防护器件时，还应考虑个头不要太大，应尽量选择贴片元件，防止滤波器件在PCB布局时距离接口太远，起不到滤波效果。 黄色圈内为防护电路，红色圆圈内为滤波电路。 此电路为两级防护电路，有防雷要求时适用，无防雷要求，只用TVS管即可。

22. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： • 422/485差分接口优先选用共模电感或者磁珠进行滤波，232接口用磁珠进行滤波；滤波电路尽量靠近端口，磁珠或共模电感到端子间PCB走线长度小于2.5cm； • 422/485为差分线，最好采用共模扼流圈进行滤波，无合适贴片器件选择时，也可选择磁珠进行滤波，232接口为非平衡线，应选择磁珠进行滤波；距接口2.5cm为PCB布局要求。 红色圈内为滤波电路。此电路485接口电路，采用磁珠进行滤波。

23. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： 此电路为有控制端的232接口电路，采用磁珠进行滤波。 此电路232接口电路，采用磁珠进行滤波。

24. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： 此电路为带modem 232接口电路，采用磁珠进行滤波。

25. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： • 如防护器件过多，磁珠到端子间PCB走线长度距离大于2.5cm，则应在最靠近接口处增加Y电容或高压电容进行滤波，Y电容要满足耐压要求； 此电路为有防雷要求的485接口电路，因空气放电管，限流电阻及TVS管PCB布局需要很大空间，用来的滤波的L12、L13磁珠的滤波效果大打折扣，因此在接口增加Y电容进行滤波。增加Y电容后磁珠可去掉。

26. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： • 如果采用屏蔽电缆，屏蔽层要接PGND； • 当采用屏蔽电缆时，应选择屏蔽连接器，保证连接器外壳与结构360度搭接； • 当采用非屏蔽连接器时，电缆屏蔽时应接PGND，端子定义应为PGND； • 当本产品无PGND时，可就近接到接口GND上。

27. 串口接口电路的EMC设计 原因说明： • 需要接出到端子的通讯地需要经过滤波； • 用于通讯的232接口的地端子应经过滤波； • 只用于调试的232接口的地端子可不经过滤波； • 为了延长传输距离而将地引出的地端子也需经过滤波。

28. 网口接口电路的EMC设计 遵循的原则： • 网口防护器件结电容满足要求(小于10pF)（网口差模防护器件优选SLUV2.8-4） • 网口应设计BOB-SMITH电路，中心抽头到地75欧姆电阻功率不小于1/8W，电容耐压2kV；网口未用四线接地电容耐压2kV • 网口点灯线驱动加磁珠和限流电阻；网口点灯电源线上加磁珠；推荐使用LC进行滤波 • 网口PHY芯片的模拟电源和数字电源隔离，且模拟电源和数字电源间采用LC或者PI滤波电路；网口PHY芯片地不分割； • 金属外壳的网口连接器应选择有金属弹片的RJ45连接器；塑料外壳选择塑料RJ连接器；金属外壳的网口连接器接PGND；

29. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 网口防护器件结电容满足要求(小于10pF)（网口差模防护器件优选SLUV2.8-4） • 网口传输速率较高，对防护器件的结电容要求很高，应小于5pF，优选SLUV2.8-4，编码15040165；

30. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 因SLUV2.8-4成本较高，对成本要求很高的产品也可采用下图中的TVS管和二极管的组合进行差模防护，因为3个管子的导通时间过长，芯片不能够耐受，需要在防护器件后串接2.2欧姆电阻进行退耦。

31. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 网口应设计BOB-SMITH电路，中心抽头到地75欧姆电阻功率不小于1/8W，电容耐压2kV；网口未用四线接地电容耐压2kV Bob－Smith电路。红色圈内的电路都为电路的一部分，整个电路的共模抑制作用大于10dB。蓝色圈内的电容耐压要求2kV。

32. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 网口点灯线驱动加磁珠和限流电阻；网口点灯电源线上加磁珠；推荐使用LC进行滤波 • 电源与驱动端的磁珠在PCB布局时应跨接在网口变压器的隔离带上，保证隔离变压器的共模隔离作用。

33. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 网口PHY芯片的模拟电源和数字电源隔离，且模拟电源和数字电源间采用LC或者PI滤波电路；网口PHY芯片地不分割； • 如果网口PHY芯片的数字地与模拟地，数字信号管脚和模拟信号管脚可以清晰分割，在原理图设计时地可以分割； • 网口PHY芯片的数字电源与模拟电源采用PI型滤波电路。 PHY芯片的电源、地均可以进行分割。

34. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 网口PHY芯片的模拟电源和数字电源隔离，且模拟电源和数字电源间采用LC或者PI滤波电路；网口PHY芯片地不分割； • 如果PHY芯片地管脚不可清晰分割，则地不分割，只进行电源分割。 PHY芯片的电源分割，地不进行分割。

35. 网口接口电路的EMC设计 原因说明： • 金属外壳的网口连接器应选择有金属弹片的RJ45连接器；塑料外壳选择塑料RJ连接器；金属外壳的网口连接器接PGND； • 当采用屏蔽电缆时，应选择屏蔽RJ45连接器； • 当要求结构屏蔽时，应选择屏蔽RJ45连接器； • 当系统接地良好时，最好选择屏蔽RJ45连接器； • 当系统接地不良，或者无接地时，最好选择塑料RJ45连接器；

36. I/O接口电路的EMC设计 遵循的原则： • 先防护后滤波； • 连接到系统外、非隔离的I/O端口，接口一定要滤波（共模电感或者磁珠或Y电容）； • 接口优先选用共模电感滤波，或者用磁珠；滤波电路尽量靠近端口，磁珠或共模电感到端子间PCB走线长度小于2.5cm；如防护器件过多，磁珠到端子间PCB走线长度距离大于2.5cm，则在最靠近接口处增加Y电容或高压电容进行滤波，Y电容要满足耐压要求； • I/O接口线缆如果采用屏蔽电缆，则电缆屏蔽层应接PGND； • 传感器的电源、地、信号线在接口处进行滤波（共模电感或者磁珠或Y电容）； • 输出到端子的电源、地必须经过滤波处理，禁止直接引出。

37. I/O接口电路的EMC设计 原因说明： • 先防护后滤波；（同电源接口） • 连接到系统外、非隔离的I/O端口，接口一定要滤波（共模电感或者磁珠或Y电容）。 • 系统内部连线，线缆长度很短，不会形成天线辐射，可以不加滤波电路； • 凡是要连接电缆到系统外的端口，链接线缆长度大于10cm以上的I/0接口均要增加滤波电路； • 差分电路优选共模扼流圈； • 非差分电路优选磁珠； • 不推荐选择Y电容，避免噪声电流在系统上不受控，引起其它的问题。

38. I/O接口电路的EMC设计 原因说明： • 接口优先选用共模电感滤波，或者用磁珠；滤波电路尽量靠近端口，磁珠或共模电感到端子间PCB走线长度小于2.5cm；如防护器件过多，磁珠到端子间PCB走线长度距离大于2.5cm，则在最靠近接口处增加Y电容或高压电容进行滤波，Y电容要满足耐压要求； • 当防护器件过多且个头比较大，导致滤波器件在PCB布板时距离接口很远，推荐接口增加Y电容进行滤波。

39. I/O接口电路的EMC设计 原因说明： • I/O接口线缆如果采用屏蔽电缆，则电缆屏蔽层应接PGND；

40. I/O接口电路的EMC设计 原因说明： • 传感器的电源、地、信号线在接口处进行滤波（共模电感或者磁珠或Y电容）； • 传感器接口电源、地、信号均需要引出，且接出线缆较长，因此均需要经过滤波； • 电源和地可以经过共模电感进行滤波，也可通过磁珠进行滤波； • 信号线如果是差分线，可经过共模扼流圈进行滤波，如不是差分线，则可通过磁珠进行滤波；

41. I/O接口电路的EMC设计 原因说明： • 输出到端子的电源、地必须经过滤波处理，禁止直接引出； • 当防护器件过多且个头比较大，导致滤波器件在PCB布板时距离接口很远，推荐接口增加Y电容进行滤波。 • 电源和地经过磁珠滤波； • PCB布板如下：

42. E1接口电路的EMC设计 遵循原则： • 先防护后滤波； • E1接口采用共模扼流圈进行滤波，滤波电路尽可能靠近端口（建议选择ST7078）；CLASS B强制

43. E1接口电路的EMC设计 原因说明： • 先防护后滤波； • E1通常为长距离传输线缆，接口防护的等级较高，要按照10/700浪涌波形进行测试，因此防护电路通常为两级。

44. E1接口电路的EMC设计 原因说明： • E1接口采用共模扼流圈进行滤波，滤波电路尽可能靠近端口（建议选择ST7078）；CLASS B强制 • E1接口信号为2.048M，传导测试结果有很明显的谐波成分，表现为1.024M的奇数倍，因此要在接口加共模电感进行滤波，CLASS B规格要求一定要增加。

45. 硬件电路EMC设计关键点 • 电源部分的EMC设计； • 接口部分的EMC设计； • 关键芯片的EMC设计； • 晶体和晶振的EMC设计； • 连接器及接插件的EMC设计； • 地的处理； • 复位、拨码和指示灯电路的EMC设计。

46. 关键芯片的EMC设计 遵循原则： • 关键芯片的电源滤波电容是否足够，按照3－4个电源管脚一个1－10uF电容，1-2个电源管脚一个0.1uF—0.01uF电容；芯片手册有推荐，应采用推荐方案； • 地址总线和数据总线增加匹配电阻;单向驱动匹配电阻在输出端增加；双向驱动的应两侧都增加匹配电阻，如空间有限，应在驱动能力较强的一端增加； • 地址总线和数据总线匹配电阻，不能用排阻; • 空闲管脚要进行上拉或者下拉，使其无效，提高抗干扰和降低辐射；例外情况依据芯片手册 • 信号的传输延时小于信号上升沿的1/6时，不是传输线，可以不用增加匹配电阻；当大于信号上升沿的1/6时，则为传输线，需要加匹配电阻。 • 芯片手册如果有相应的EMC策略，应采用； • 电源转换芯片输入输出端应并联BULK电容（公式）和去耦电容； • A/D、D/A芯片的数字电源和模拟电源进行滤波；地的处理依据芯片手册进行；

47. 关键芯片的EMC设计 原因说明： • 关键芯片的电源滤波电容是否足够，按照3－4个电源管脚一个1－10uF电容，1-2个电源管脚一个0.1uF—0.01uF电容；芯片手册有推荐，应采用推荐方案； • 大电容一般采用10uF，小电容通常采用0.1uF或者0.01uF； • 有的芯片手册有时会规定该电容容值，比如1uF，0.001uF，以芯片手册为准。

48. 关键芯片的EMC设计 原因说明： • 关键芯片的电源滤波电容是否足够，按照3－4个电源管脚一个1－10uF电容，1-2个电源管脚一个0.1uF—0.01uF电容；芯片手册有推荐，应采用推荐方案； 芯片电源的滤波电容布局图示。 具体电容数目应根据芯片具体电源管脚的分布来决定，如果电源管脚比较分散，则应每个管脚一个电容，如果有2-3个电源管脚比较集中，可以考虑只用一个电容。

49. 关键芯片的EMC设计 原因说明： • 地址总线和数据总线增加匹配电阻;单向驱动匹配电阻在输出端增加；双向驱动的应两侧都增加匹配电阻，如空间有限，应在驱动能力较强的一端增加； • 速率大于50MHz，上升沿小于5ns的总线和时钟信号应考虑信号完整性问题； • 所谓信号完整性问题就是信号的开关时间小于信号从源到负载再回到源的传输延迟；也即tr<tpd； • 当存在信号完整性问题时，要考虑进行阻抗匹配； • 四层板选择51欧姆左右，6层板选择33欧姆左右，可以根据测试结果进行调整； • 匹配电阻应加在源端，进行始端匹配。

50. 关键芯片的EMC设计 原因说明： • 地址总线和数据总线匹配电阻，不能用排阻; • 避免用排阻进行始端匹配，因排阻管脚太密，不能满足3W布线要求，会引起串扰问题； • 排阻可用来进行上下拉； • 匹配电阻布局时应满足3W要求，如位置紧张，可以将电阻交错放置。