电源和接口的EMC设计考虑

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电源和接口的EMC设计考虑

在PCB设计中，电磁兼容性(EMC)异常重要，关系到整个项目的成败，稍早前本加油站发表了两篇相关文章，对这个问题所涉及到的方方面面，做了一个全面的梳理：
如何在PCB板设计中，增强电磁兼容性
如何在PCB板设计中，增强电磁兼容性(续)
本文将重点讲解电源部分设计在EMC方面的考虑。


1. 概述
在MCU硬件系统中，电源和接口的硬件设计是非常重要和必不可少的部分。
同时，电源和接口的EMC设计在产品和项目是非常常见和容易出现问题的两个设计要点。
本文简要介绍和讨论了关于电源和接口在EMC设计和布局布线的考虑。


2. 电源EMC设计考虑
2.1 电源电路设计
在MCU硬件系统设计中，我们经常用到的电源包括LDO和DC-DC Buck/Boost电路。


DC-DC电路又可以分为PWM工作模式，PFM工作模式和PWM-PFM混合工作模式。
LDO电源电路具有电源输出纹波小，负载响应快，静态功耗低，噪声抑制比高和外围器件少等优点。但相应地，也存在Vdrop压降和电源转换效率低等缺点。
DC-DC Buck/Boost电路具有电源转换效率高，输入电压范围宽和输出电流大等特点。但同时由于电路的开关特性而具有电源输出纹波噪声大，负载响应较慢和外围电路复杂成本高等缺点。
在进行电源电路设计时，应根据实际系统的设计要求，选择合适的电源类型和拓扑结构。
同时，从电磁兼容性的角度来讲，有以下几点需要注意：
·选择低ESR的电源输出电容，以降低输出电源纹波，并提高负载响应速度；
·选择低ESR和带shield屏蔽的电感，以降低纹波和EMI噪声；
·PWM-PFM工作模式可根据负载的要求和动态变化，进行合理选择和切换。
PWM模式下，纹波噪声小，重负载时效率高；
PFM模式下，静态功耗小，轻负载时效率高，负载响应速度快，但纹波噪声较大。


2.2 电源电路PCB layout设计
电源电路PCB Layout设计时，一些布局布线的设计规则和方法可以作为参考，如下所示：


·电源输入和输出滤波电容布局时，首先要将小容值电容放在靠近电源输入或输出的位置，然后依次是大容值滤波电容。因为小容值可以提供快速的响应时间，能滤除电源中高频干扰部分，大容值的体电容能够滤除低频干扰并提供负载瞬间大电流的蓄储能力。
其次，滤波电容应摆放在电源输入端或输出端与芯片电源引脚之间的路径上，保证电源输入或输出必然经过滤波电容。
再次，也需保证滤波电容的GND距离芯片GND引脚之间的距离最短，以最大程度地缩短回流路径，降低GND网络阻抗；
·增加电源输入或输出端换层时过孔数量，以减少电源阻抗；
·尽量减少GND换层，保证GND在芯片的TOP层有完整的地平面，以减少地阻抗；
·电源输入和输出的回流路径保持最小。

图 1.  DC-DC电源最小化回流路径

如下图所示，电源电路优化过程包括如下几方面的优化：
·去掉元器件引脚间的残留锐角铜皮；
·增加电源输入过孔数量，确保先经过输入滤波电容，并提高与电感的隔离度；
·优化地平面的回流路径，使得电源环路面积最小；
·尽可能加粗电源走线，保证电源走线的低阻抗特性；
·优化输出电容的接地，确保在最小的回流路径上。

图2.  DC-DC电源优化过程

在使用内电层作为电源层平面或者走线时，有以下需要关注的要点：
·电源层分割时，应考虑整板电源层内缩，即保证电源层在PCB电路板边缘要相对于GND层内缩。这样可有效减少PCB电路板的EMI辐射。
·电源层分割或走电源线时，应注意尽量减少避空的过孔，保证电源平面或电源线的低阻抗特性。
·在接口或者高隔离要求的电路中，要保证GND层和电源层的同时隔离。例如RS485电路，它采用光耦隔离电路来提高板级隔离度，同时要将隔离电路下面的GND层和电源层进行避空隔离。
·电源层的电源域进行换层时，需要在就近的地方放置电源滤波电容，并增加过孔的数量，保证电源工作在最大负载时的载流能力。

图3.  DC-DC电源走内电层的情况

3. 接口电路EMC设计考虑
在产品设计中，我们通常会设计诸如USB, HDMI,RJ-45, RS422/485和音频输入等接口，以满足汽车，工业和消费级客户的不同应用需求。


从EMC设计的角度出发，需要从电路滤波设计和GND分割隔离处理等方面进行考虑和设计。
接口电路滤波设计，例如USB接口加共模抑制电感，RJ-45接口加LC滤波电路等。
如下图所示，以RS485接口为例，对比介绍了接口的隔离设计，主要采取了以下措施以满足EMC设计的要求。
·电路设计中增加了光耦隔离设计；
·采用单点接地连接的方式，在每一层GND都进行信号板级GND和接口GND进行分割处理，保证足够的分割间隙；
·保持跨越GND分割间隙的走线最短。

图4. RS485接口采用隔离设计之前的Layout

图5. RS485接口隔离设计之后的Layout

有需要进一步了解的读者，可以继续阅读恩智浦的文档：
AN13202-<EMCDesign Recommendation on i.MXRT Series>.

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