高速pcb設(shè)計指南之八(doc23)-經(jīng)營管理(已修改)
2025-08-25 15:16 本頁面
【正文】 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 1 頁 共 23 頁 高速 PCB設(shè)計指南之八 掌握 IC封裝的特性以達(dá)到最佳 EMI抑制性能 將去耦電容直接放在 IC封裝內(nèi)可以有效控制 EMI并提高信號的完整性，本文從 IC 內(nèi)部封裝入手，分析 EMI的來源、 IC 封裝在 EMI控制中的作用，進(jìn)而提出 11個有效控制 EMI的設(shè)計規(guī)則，包括封裝選擇、引腳結(jié)構(gòu)考慮、輸出驅(qū)動器以及去耦電容的設(shè)計方法等，有助于設(shè)計工程師在新的設(shè)計中選擇最合適的集成電路芯片，以達(dá)到最佳 EMI抑制的性能。 現(xiàn)有的系統(tǒng)級 EMI控制技術(shù)包括： 電路封閉在一個 Faraday 盒中 (注意包含電路的機(jī)械封裝應(yīng)該密封 )來實(shí)現(xiàn) EMI屏蔽； 電路板或者系統(tǒng)的 I/O 端口上采取濾波和衰減技術(shù)來實(shí)現(xiàn)EMI控制； 現(xiàn)電路的電場和磁場的嚴(yán)格屏蔽，或者在電路板上采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)嚴(yán)格控制 PCB走線和電路板層 (自屏蔽 )的電容和電感，從而改善 EMI性能。 EMI控制通常需要結(jié)合運(yùn)用上述的各項(xiàng)技術(shù)。一般來說，越接近 EMI源，實(shí)現(xiàn) EMI控制所需的成本就越小。 PCB上的集成電路芯片是 EMI 最主要的能量來源，因此如果能夠深入了解集成電路芯片的內(nèi)部特征，可以簡化 PCB 和系統(tǒng)級設(shè)計中的 EMI 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 2 頁 共 23 頁 控制。 PCB板級和系統(tǒng)級的設(shè)計工程師通常認(rèn)為，它們能夠接觸到的 EMI來源就是 PCB。顯然，在 PCB設(shè)計層面，確實(shí)可以做很多的工作來改善 EMI。然而在考慮 EMI 控制時，設(shè)計工程師首先應(yīng)該考慮 IC 芯片的選擇。集成電路的某些特征如封裝類型、偏置電壓和芯片的工藝技術(shù) (例如 CMOS、 ECL、 TTL)等都對電磁干擾有很大的影響。本文將著重討論這些問題，并且探討 IC對 EMI控制的影響。 EMI的來源 數(shù)字集成電路從邏輯高到邏輯低之間轉(zhuǎn)換或者從邏輯低到邏輯高之間轉(zhuǎn)換過程中，輸出端產(chǎn)生的方波信號頻率并不是導(dǎo)致EMI的唯一頻率成分。該方波中包含頻率范圍寬廣的正弦諧波分量， 這些正弦諧波分量構(gòu)成工程師所關(guān)心的 EMI 頻率成分。最高 EMI頻率也稱為 EMI發(fā)射帶寬，它是信號上升時間而不是信號頻率的函數(shù)。計算 EMI發(fā)射帶寬的公式為： F=其中： F是頻率，單位是 GHz； Tr 是單位為 ns(納秒 )的信號上升時間或者下降時間。 從上述公式中不難看出，如果電路的開關(guān)頻率為 50MHz，而采用的集成電路芯片的上升時間是 1ns，那么該電路的最高 EMI發(fā)射頻率將達(dá)到 350MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該電路的開關(guān)頻率。而如果 IC 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 3 頁 共 23 頁 的上升時間為 500ps，那么該電路的最高 EMI 發(fā)射頻率將高達(dá)700MHz。眾所周知，電路中的每一個電壓值都對應(yīng)一定的電流，同樣每一個電流都存在對應(yīng)的電壓。當(dāng) IC 的輸出在邏輯高到邏輯低或者邏輯低到邏輯高之間變換時，這些信號電壓和信號電流就會產(chǎn)生電場和磁場，而這些電場和磁場的最高頻率就是發(fā)射帶寬。電場和磁場的強(qiáng)度以及對外輻射的百分比，不僅是信號上升時間的函數(shù)，同時也取決于對信號源到負(fù)載點(diǎn)之間信號通道上電容和電感的控制的好壞，在此，信號源位于 PCB板的 IC 內(nèi)部，而負(fù)載位于其它的 IC 內(nèi)部，這些 IC 可能在 PCB上，也可能不在該 PCB上。為了有效地控制 EMI，不僅需要關(guān)注 IC 芯片自身的電容和電感，同樣需要重視 PCB上存在的電容和電感。 當(dāng)信號電壓與信號回路之間的耦合不緊密時，電路的電容就會減小，因而對電場的抑制作用就會減弱，從而使 EMI 增大；電路中的電流也存在同樣的情況，如果電流同返回路徑之間耦合不佳，勢必加大回路上的電感，從而增強(qiáng)了磁場，最終導(dǎo)致 EMI增加。換句話說，對電場控制不佳通常也會導(dǎo)致磁場抑制不佳。用來控制電路板中電磁場的措施與用來抑制 IC 封裝中電磁場的措施大體相似。正如同 PCB設(shè)計的情況， IC 封裝設(shè)計將極大地影響 EMI。 電路中相當(dāng)一部分電磁輻射是由電源總線 中的電壓瞬變造成的。當(dāng) IC 的輸出級發(fā)生跳變并驅(qū)動相連的 PCB線為邏輯 “高 ”時， IC 芯片將從電源中吸納電流，提供輸出級所需的能量。對 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 4 頁 共 23 頁 于 IC 不斷轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的超高頻電流而言，電源總線始于 PCB上的去耦網(wǎng)絡(luò)，止于 IC 的輸出級。如果輸出級的信號上升時間為，那么 IC 要在 這么短的時間內(nèi)從電源上吸納足夠的電流來驅(qū)動 PCB 上的傳輸線。電源總線上電壓的瞬變?nèi)Q于電源總線路徑上的電感、吸納的電流以及電流的傳輸時間。電壓的瞬變由下面的公式所定義： V=Ldi/dt， 其中： L是電流傳輸路徑上電感的值； di表示信 號上升時間間隔內(nèi)電流的變化； dt表示電流的傳輸時間 (信號的上升時間 )。 由于 IC 管腳以及內(nèi)部電路都是電源總線的一部分，而且吸納電流和輸出信號的上升時間也在一定程度上取決于 IC 的工藝技術(shù)，因此選擇合適的 IC 就可以在很大程度上控制上述公式中提到的所有三個要素。 IC封裝在電磁干擾控制中的作用 IC 封裝通常包括：硅基芯片、一個小型的內(nèi)部 PCB以及焊盤。硅基芯片安裝在小型的 PCB 上，通過綁定線實(shí)現(xiàn)硅基芯片與焊盤之間的連接，在某些封裝中也可以實(shí)現(xiàn)直接連接。小型PCB實(shí)現(xiàn)硅基芯片上的信號和電源與 IC 封裝上的對應(yīng)管腳之間的連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了硅基芯片上信號和電源節(jié)點(diǎn)的對外延伸。貫穿該 IC 的電源和信號的傳輸路徑包括：硅基芯片、與小型 PCB之間的連線、 PCB走線以及 IC 封裝的輸入和輸出管腳。對電容 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 5 頁 共 23 頁 和電感 (對應(yīng)于電場和磁場 )控制的好壞在很大程度上取決于整個傳輸路徑設(shè)計的好壞。某些設(shè)計特征將直接影響整個 IC 芯片封裝的電容和電感。 首先看硅基芯片與內(nèi)部小電路板之間
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