高速數字系統電路板的電磁兼容分析

摘 要：在現今科技發展下，電路板設計不再是將各網絡正確連接那么單純。尤其在高速數字系統電路板上電磁兼容成為必須要考慮的因素，使不同種類的網絡之間不會相互干擾。文章采用電磁兼容設計準則應用于電路布局，并且使用日本NEC所開發的EMIStream模擬軟件進行系統模擬，在設計初期就將電磁兼容問題納入考慮，使設計能符合國際規范及一般工業標準電子產品規范的可

1 高速數字系統電磁兼容的理念概述

近年來科技快速的發展，各式各樣的電子產品無不追求輕薄短小，而電路板的規格也趨向縮小化與多層板，如何在有限空間內進行高速數字系統電路板布局和解決電磁干擾相關問題已成為工程師重要的技術。

常見高速數字系統電路板布局須注意的事項如布線與貫孔間的串擾、元件擺放位置、電路布線的長度、貫孔對高速電路的影響，其中布線與貫孔設計最容易產生干擾問題，好的布線與貫孔設計能減少傳輸線間的串擾，進一步提升信號的品質。一般傳統的設計流程，在設計的過程中往往只考慮信號完整性、電源完整性，卻常常忽略了高速數字系統電路板上傳輸線所造成的電磁干擾問題。本文在設計的過程中加入對電磁兼容的考慮，借助當前市面上的電子設計自動化（EDA）工具，在布局前期就解決如疊層、布局規則、元件選擇等影響信號完整性的問題進行模擬與分析，并且能提早有效改善設計的缺失。

借助EMIStream模擬軟件來分析與控制設計流程，有效的解決高速數字系統電路板設計的信號完整性、電源完整性、電磁干擾等問題。經過模擬與分析后，進行實際硬件電路設計與制作，并通過水平極化與垂直極化實際量測，觀察電路板電磁干擾輻射情形與模擬結果進行比對與分析，以達成本文的設計方法。

2 高速數字系統電路板的電磁兼容布局模擬與實測

在高速數字系統電路板模擬部分采用日本NEC所開發的EMIStream，主要為高速數字系統電路板布局后進行模擬，此外還有電源平面共振分析，能夠分析高速數字系統電路板中電源與接地之間的共振情形。模擬采用SM8952電路，其外部輸入的石英震蕩頻率為40MHz，可以計算出震蕩周期為1/40MHz，等于25ns，因此可用最短的指令周期來計算可得到SM8952 I/O的工作頻率約為3.3MHz。

2.1 高速數字系統電路板布局后模擬

在進行模擬時將SM8952各I/O的工作頻率設定為3.3MHz，從使用EMIStream 在高速數字系統電路板布局后的模擬結果來看，信號線越接近紅色則代表該信號在該高速數字系統電路板設計中輻射強度越高。模擬發現RE1信號因跨越24V的電源分割平面，造成信號電流的回授路徑（Return path）不連續，因此信號品質相當不好，輻射強度根據軟件判斷為7p所以RE1信號為本次設計中輻射情形最嚴重的布線。因此將24V的電源平面重新分割讓RE1信號避開此電源平面，再做一次模擬。雖然在模擬圖片上顯示出該信號還是以紅色表示，但根據旁邊EMIcheck result結果可以得知該信號的輻射強度由7p降低至6p，經由軟件可以驗證出該修正方法可降低輻射情形，但其成果有限。因此在第三次模擬前，修改了RE1信號線上的貫孔數量與位置，并且在Top層增加鋪銅使RE1信號能夠有一完整的參考平面，讓該信號有一良好的回授路徑，此外將信號線避開5V電源平面的邊緣，減少RE1造成電路板板邊輻射的情形。模擬結果顯示，RE1信號經過修正后已從原本的紅色變成黃色，且輻射值由原先的6p減至為3p，經模擬結果顯示出本次修改能夠有效的達到降低信號輻射的情形。

2.2 電源平面共振分析

使用EMIStream進行電源共振分析（Power plane resonance analysis）模擬，該模擬可以分析出電源層在哪個頻率點會引起電源波動并借此來修正電路或增加元件來改善其波動情形。在這分別為高速數字系統電路板電源層上的5V與24V兩部分的分割區做模擬，而模擬結果越趨近于紅色，則表示該區域電源平面引起的共振情形越嚴重。模擬所示，為5V電源分割區的模擬結果，經由色表判斷輻射情形，其顏色越接近紅色表示該區塊的電壓波動越大其值越接近0dB，0dB的參考電壓值為電源層的5V與24V，而5V電源分割區均在淺藍與綠色之間，并無太大的波動問題。從電壓頻率圖可以看出在各頻率點均沒超過0dB的預設值，其中當頻率到達1GHz以上也能夠有大約-7dB左右的表現，經模擬顯示本文所采用的設計方式具有良好的穩定電源。24V電源分割區模擬結果顯示，其顏色偏向于黃色與橘色，相較于5V分割區24V分割區的電源波動情形較為不理想，但在各個頻率點均沒超過預設值0dB，其波動情形尚在接受的范圍內。

2.3 電路板BSMI十米電波暗室量測結果

由垂直與水平極化量測超標的相關數值看出，本次的高速數字系統電路板量測結果仍有些改進空間，特別是40MHz部分超標許多因為在高速數字系統電路板布局過程SM8952 選用錯誤的封包，為補救電路板功能完整，制作晶片轉接板進行腳位修正，因此使SM8952懸空而通過轉接板從SM8952所接出去的信號線就類似于晶片內部的打線，讓信號線直接在空氣中對外輻射，高速數字系統電路板上最高頻率的元件為石英晶體，其信號連接至SM8952的第14腳與第15腳，因此40MHz的信號也是從高速數字系統電路板由裸線連接到SM8952，所以在量測時造成40MHz量測高出標準值。

在實際應用中為解決這一超標現象，可采用以下措施進行解決：減小地噪聲，即將一些關鍵信號線、高速時鐘線均在內層布線，夾在電源層和地層之間，并在40MHz時鐘線兩側采取“包地”的方法，用兩根平行的地線將該時鐘線包裹起來以減少減小EMI發射；減小高頻電流幅度，由于高速電路在不同的頻率下呈現不同的阻抗特性，從信號完整性的角度來看，可應用串聯阻抗匹配能夠有效抑制信號反射和振蕩。

3 結束語

本文提出四層高速數字系統電路板布局，布局利用區域劃分將高速信號與低速信號分開區域布線，布線在轉折處采用鈍角方式，接地利用貫孔技巧使布線長度縮短距離，電源切割5V與12V面積，電源層面積遵守20H-rule與地層面積保持比例規劃，接地層保持完整，且通過連接外部接頭與大地連接，并部分面積鋪銅降低電磁干擾，且利用電容在電源輸入端和晶片電源腳濾波雜訊。電路模擬以電磁模擬軟件EMIStream進行電磁干擾的分析，經由模擬過程與修正硬件設計，最后呈現電磁波能有效的減少輻射。顯示本論文提出的設計技巧能有效的抑制電磁干擾，提升信號完整性和電源完整性。

參考文獻

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