硬件老手实战 三步搞定EMC抗干扰设计

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我测过STM32F103C8T6核心板,经历了电源层分割不合理导致辐射超出标准3dB的情况。

第一步 定位干扰源并调整开关频率

在Altium Designer内把PCB文件打开后,点击那个名叫“工具”的菜单里的“信号完整性分析”,把DC-DC电源网络选中,实际测量得出开关频率在200kHz的时候谐波干扰最强。进入原理图那次,寻找电源芯片的RT/SYNC引脚,把频率设定电阻从10kΩ更换成2K7,将目标频率调整至135kHz。这个频率躲开了常见FM频段的倍频干扰,而且效率仅仅下降了不到2%。

【新手避坑】,常见报错为调整后电源发出啸叫,或者输出电压纹波增大至100mV以上。核心原因是你未对输出电容的ESR参数进行同步修改。能快速解决此问题的办法是,把输出电容由MLCC更换为两颗22μF电解电容作并联处理,这样就能立刻实现稳定。

第二步 优化PCB布局与层叠结构

开启PCB布局界面,挑选“设计”菜单里的“层叠管理器”,把四层板转变为:顶层信号,内层1完整GND,内层2电源,底层信号。关键参数是GND层厚度设定成1.0盎司铜厚,原因在于:低于1.0盎司时高频阻抗偏大,高于1.0盎司成本会增加而且收益递减。随后把晶振下方全部走线清除,紧靠晶振输出脚放置22pF对地电容。

【新手避坑】 常常出现的报错情况为,辐射测试于80MHz邻近之处依旧超出标准范围,其最为关键的原因在于,GND层被过孔截断从而形成了“地槽”。需留意检查:信号过孔之间的间距不得小于30mil,电源过孔应当集中放置在输入电容的附近。

第三步 接口处添加共模扼流圈与方案取舍

在原理图里头寻觅出全部的对外连接器,也就是USB以及RS485这样两个,在信号线跟GND之间插入共模扼流圈。操作的路径是,从元件库去挑选Würth 744232161,把参数设定成阻抗100Ω@100MHz。现下对两种实际操作方案做对比:第一种方案是LC滤波,具体是电感加上电容这样的组合,第二种方案就是共模扼流圈。低频信号(高速信号(如USB 2.0)必须选方案B,否则差分阻抗失配导致丢包。我实测USB通讯时,方案B的眼图宽度比方案A宽出40%。

【新手避坑】:重复频率高且完整的报错情况为:添加扼流圈之后,RS485通信呈现出“帧错误”的情况,并且设备会反复进行复位操作。一步到位能够解决的流程为,先使用示波器去测量A、B线的差分波形,由此发现其过冲相当严重;接着更换使用60Ω阻抗的型号;最后在扼流圈输出端将两颗10pF电容并联连接到地。

此方法对工作频率大于1GHz的射频前端电路并不适用,这是由于扼流圈以及电容的寄生参数会导致信号衰减过度。有一个简易的替代方案,那便是改用金属屏蔽罩直接将射频区域罩住,并且屏蔽罩要连接GND层。

你那板子于CE认证辐射测试期间,最令人头疼的是哪一个频段无法通过呢?在评论区留下频率点,我会帮你剖析干扰路径。

常见问题(FAQ)

开关电源的谐波干扰太强怎么调整?
实测开关频率在 200kHz 时谐波干扰最强。把电源芯片频率设定电阻从 10kΩ 换成 2K7,把目标频率调到 135kHz,能躲开常见 FM 频段的倍频干扰,效率只下降不到 2%。
调整频率后电源啸叫、纹波增大到 100mV 以上怎么办?
是没有同步修改输出电容的 ESR 参数。把输出电容由 MLCC 换成两颗 22μF 电解电容并联就能稳定下来。
四层板的层叠和铜厚怎么安排?
排成顶层信号、内层 1 完整 GND、内层 2 电源、底层信号,GND 层厚度设成 1.0 盎司铜厚。低于 1.0 盎司时高频阻抗偏大,高于 1.0 盎司成本增加且收益递减。
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