06.信号完整性、EMC设计

信号完整性设计 (Signal Integrity，SI)

信号完整性设计主要关注在电路板上传输信号时的质量。它确保信号在传输过程中不会失真或受到干扰。信号完整性设计包括：

• 传输线理论：分析信号在导体中传播的方式。

  信号在电路中传播时，常常被视作在传输线上传输。相比理想的直流电压，任何交流信号都会引起信号在时间和空间上的变化，尤其在高速应用中，传输线特性不可忽视：

  • 特征阻抗（Z₀）：传输线的固有阻抗，设计时需确保信号源和负载的阻抗匹配，以减少反射。
  • 信号延迟：随着信号从一个点传播到另一个点，信号会有传播延迟。不同因素可以影响这个延迟，如介质材料和线宽。

• 反射：当信号遇到阻抗不匹配的区域时，可能会反射回来，导致失真。

  当信号遇到阻抗不匹配的界面（如连接器、焊点等）时，部分信号会被反射回来。这种反射可能导致信号失真，设计时要考虑：

  • 使用匹配阻抗，以最小化反射。
  • 通过终端电阻或匹配器件来消除反射。

• 串扰：相邻信号线之间的干扰可能导致信号质量下降。

  • 增加信号线之间的间距。
  • 使用双绞线或差分信号设计。
  • 使用地线间隔，减少电干扰。

• 电源完整性：确保电源为逻辑元件提供稳定的电压和电流。

  • 去耦电容：在电源与地之间添加去耦电容，能够平滑瞬时电流变化。
  • 电源轨设计：设计宽电源轨以降低电流密度，从而降低电压降。

使用信号完整性仿真工具（如SPICE、HyperLynx、Sigrity等）可以在设计早期识别潜在问题，包括反射、串扰和时延。这有助于优化设计，提高信号质量。

• 布局和布线 PCB的设计布局和布线对信号完整性有着重要影响。基础策略包括：
  • 确保短而直接的信号路径。
  • 适当分配地面层，以减少电感和电阻。
  • 将高频信号线与低频信号线分开。

EMC设计 (Electromagnetic Compatibility)

EMC设计涉及确保设备在电磁环境中正常工作，同时不会对其他设备产生干扰。它包括：

• 电磁干扰（EMI）：指电路或设备通过不同的方式（如辐射和传导）产生的干扰信号，可能影响其他设备的正常运行。
• 电磁抗扰性（EMS）：指设备对外部电磁波的抵抗能力。良好的EMS让设备在各种环境下都能保持稳定工作
• 屏蔽和接地设计：采用合适的设计和材料来减少电磁干扰。

1.设计原则

• 源头控制：尽量从源头减少噪声。例如，选择低噪声的部件，优化电路设计。
• 路径控制：通过设计降低噪声传播的路径。例如，合理布置接地，减少电流回流路径。
• 敏感度控制：提高设备对干扰信号的抵抗能力，例如采用屏蔽设计。

2. 屏蔽

屏蔽能有效地阻止电磁场辐射和干扰：

• 材料选择：常见的屏蔽材料有铝、铜和特殊的电磁屏蔽涂层。
• 结构设计：封闭的外壳能有效屏蔽电磁干扰，合理的缝隙和接触设计也很重要。

3. 接地

良好的接地设计是EMC设计的核心：

• 单点接地：采用单个接地点，减少接地回路的形成，降低噪声干扰。
• 地平面设计：在PCB上使用地平面可以减少电感，提高信号质量。

4. 布局和布线

• 信号线和电源线分开：将敏感信号线与高频、功率信号线分开，可以减少相互干扰。
• 尽量减少回路面积：回路面积小可以降低辐射强度，有助于减少EMI。

5.滤波和去耦

• 滤波器：在信号线路上添加滤波器，可以有效抑制传导干扰。
• 去耦电容：在电源引脚添加去耦电容，能够平滑电源供应，减少噪声。

6. 标准与测试

遵循国际标准，如IEC、CISPR、FCC等，可以确保设备符合EMC要求。设计完成后，进行EMC测试是必要的步骤，包括：

• 辐射干扰测试：检查设备在工作状态下的辐射水平。
• 传导干扰测试：检查通过电缆和电源线传导产生的干扰。

7. 设计迭代

EMC设计通常需要多次迭代和优化，尤其是在测试中发现问题后。设计团队需要灵活应对问题，并进行必要的调整。