在PCB設(shè)計中，電磁兼容性(EMC)異常重要，關(guān)系到整個項目的成敗，稍早前本加油站發(fā)表了兩篇相關(guān)文章，對這個問題所涉及到的方方面面，做了一個全面的梳理：

如何在PCB板設(shè)計中，增強電磁兼容性？

本文將重點講解電源部分設(shè)計在EMC方面的考慮。

1. 概述

在MCU硬件系統(tǒng)中，電源和接口的硬件設(shè)計是非常重要和必不可少的部分。

同時，電源和接口的EMC設(shè)計在產(chǎn)品和項目是非常常見和容易出現(xiàn)問題的兩個設(shè)計要點。

本文簡要介紹和討論了關(guān)于電源和接口在EMC設(shè)計和布局布線的考慮。

2. 電源EMC設(shè)計考慮

2.1 電源電路設(shè)計

在MCU硬件系統(tǒng)設(shè)計中，我們經(jīng)常用到的電源包括LDO和DC-DC Buck/Boost電路。

DC-DC電路又可以分為PWM工作模式，PFM工作模式和PWM-PFM混合工作模式。

LDO電源電路具有電源輸出紋波小，負載響應快，靜態(tài)功耗低，噪聲抑制比高和外圍器件少等優(yōu)點。但相應地，也存在Vdrop壓降和電源轉(zhuǎn)換效率低等缺點。

DC-DC Buck/Boost電路具有電源轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬和輸出電流大等特點。但同時由于電路的開關(guān)特性而具有電源輸出紋波噪聲大，負載響應較慢和外圍電路復雜成本高等缺點。

在進行電源電路設(shè)計時，應根據(jù)實際系統(tǒng)的設(shè)計要求，選擇合適的電源類型和拓撲結(jié)構(gòu)。

同時，從電磁兼容性的角度來講，有以下幾點需要注意：

選擇低ESR的電源輸出電容，以降低輸出電源紋波，并提高負載響應速度；

選擇低ESR和帶shield屏蔽的電感，以降低紋波和EMI噪聲；

PWM-PFM工作模式可根據(jù)負載的要求和動態(tài)變化，進行合理選擇和切換。
PWM模式下，紋波噪聲小，重負載時效率高；
PFM模式下，靜態(tài)功耗小，輕負載時效率高，負載響應速度快，但紋波噪聲較大。

2.2 電源電路PCB layout設(shè)計

電源電路PCB Layout設(shè)計時，一些布局布線的設(shè)計規(guī)則和方法可以作為參考，如下所示：

電源輸入和輸出濾波電容布局時，首先要將小容值電容放在靠近電源輸入或輸出的位置，然后依次是大容值濾波電容。因為小容值可以提供快速的響應時間，能濾除電源中高頻干擾部分，大容值的體電容能夠濾除低頻干擾并提供負載瞬間大電流的蓄儲能力。
其次，濾波電容應擺放在電源輸入端或輸出端與芯片電源引腳之間的路徑上，保證電源輸入或輸出必然經(jīng)過濾波電容。
再次，也需保證濾波電容的GND距離芯片GND引腳之間的距離最短，以最大程度地縮短回流路徑，降低GND網(wǎng)絡(luò)阻抗；

增加電源輸入或輸出端換層時過孔數(shù)量，以減少電源阻抗；

盡量減少GND換層，保證GND在芯片的TOP層有完整的地平面，以減少地阻抗；

電源輸入和輸出的回流路徑保持最小。

圖 1. DC-DC電源最小化回流路徑

如下圖所示，電源電路優(yōu)化過程包括如下幾方面的優(yōu)化：

去掉元器件引腳間的殘留銳角銅皮；

增加電源輸入過孔數(shù)量，確保先經(jīng)過輸入濾波電容，并提高與電感的隔離度；

優(yōu)化地平面的回流路徑，使得電源環(huán)路面積最??；

盡可能加粗電源走線，保證電源走線的低阻抗特性；

優(yōu)化輸出電容的接地，確保在最小的回流路徑上。

圖2. DC-DC電源優(yōu)化過程

在使用內(nèi)電層作為電源層平面或者走線時，有以下需要關(guān)注的要點：

電源層分割時，應考慮整板電源層內(nèi)縮，即保證電源層在PCB電路板邊緣要相對于GND層內(nèi)縮。這樣可有效減少PCB電路板的EMI輻射。

電源層分割或走電源線時，應注意盡量減少避空的過孔，保證電源平面或電源線的低阻抗特性。

在接口或者高隔離要求的電路中，要保證GND層和電源層的同時隔離。例如RS485電路，它采用光耦隔離電路來提高板級隔離度，同時要將隔離電路下面的GND層和電源層進行避空隔離。

電源層的電源域進行換層時，需要在就近的地方放置電源濾波電容，并增加過孔的數(shù)量，保證電源工作在最大負載時的載流能力。

圖3. DC-DC電源走內(nèi)電層的情況

3. 接口電路EMC設(shè)計考慮

在產(chǎn)品設(shè)計中，我們通常會設(shè)計諸如USB, HDMI,RJ-45, RS422/485和音頻輸入等接口，以滿足汽車，工業(yè)和消費級客戶的不同應用需求。

從EMC設(shè)計的角度出發(fā)，需要從電路濾波設(shè)計和GND分割隔離處理等方面進行考慮和設(shè)計。

接口電路濾波設(shè)計，例如USB接口加共模抑制電感，RJ-45接口加LC濾波電路等。

如下圖所示，以RS485接口為例，對比介紹了接口的隔離設(shè)計，主要采取了以下措施以滿足EMC設(shè)計的要求。

電路設(shè)計中增加了光耦隔離設(shè)計；

采用單點接地連接的方式，在每一層GND都進行信號板級GND和接口GND進行分割處理，保證足夠的分割間隙；

保持跨越GND分割間隙的走線最短。

圖4. RS485接口采用隔離設(shè)計之前的Layout

圖5. RS485接口隔離設(shè)計之后的Layout

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來源： 恩智浦MCU加油站
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審核編輯 黃宇