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【導(dǎo)讀】USB接口具有傳輸速度快，支持熱插拔以及連接多個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各類計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品中。本文電磁兼容解決方案主要結(jié)合usb2.0接口電路特點(diǎn)，從產(chǎn)品原理圖的接口電路出發(fā)，提供符合產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)要求的具體的emc設(shè)計(jì)方案，從而使產(chǎn)品能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格要求，獲得良好的emc品質(zhì)，提升產(chǎn)品的可靠性。

一、 usb接口面臨電磁兼容問題

由于usb接口其運(yùn)行速率較高，容易通過usb連接線纜對(duì)外高頻輻射超標(biāo)，同時(shí)由于帶電熱插拔，容易受到瞬間電壓沖擊和靜電干擾。因此我們?cè)诋a(chǎn)品接口設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重從接口濾波設(shè)計(jì)，防護(hù)設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)電纜多個(gè)方面考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。

本文電磁兼容解決方案主要結(jié)合usb2.0接口電路特點(diǎn)，從產(chǎn)品原理圖的接口電路出發(fā)，提供符合產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)要求的具體的emc設(shè)計(jì)方案，從而使產(chǎn)品能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格要求，獲得良好的emc品質(zhì)，提升產(chǎn)品的可靠性。

二、 usb接口標(biāo)準(zhǔn)要求

帶有usb接口的典型消費(fèi)類產(chǎn)品，需要滿足相關(guān)電磁兼容要求，與usb相關(guān)的電磁兼容項(xiàng)目要求如下，其他如應(yīng)用在軍品、汽車電子、鐵路電子要求則有所不一樣，具體請(qǐng)參考相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。

三、原理圖emc設(shè)計(jì)

四、原理圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)說明

4.1濾波設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

L1為共模濾波電感，用于濾除差分信號(hào)上的共模干擾；

L2為濾波磁珠，用于濾除為電源上的干擾；

C3、C4為電源濾波電容，濾除電源上的干擾；

C1、C2 為預(yù)留設(shè)計(jì)，注意電容盡量小，如實(shí)際影響信號(hào)傳輸，可以不焊接。

4.2防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

D1、D2、D3組成usb接口防護(hù)電路，能快速泄放靜電干擾，避免內(nèi)部電路遭受靜電的干擾。

C5、C6為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達(dá)到2KV以上。

4.3 特殊要求：

4.3 R1、R2為限流電阻，差分線之間耦合會(huì)影響信號(hào)線的外在阻抗，可以用此電阻實(shí)現(xiàn)終端最佳匹配，使用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4.4 器件選型要求：

L1為共模電感，共模電感阻抗選擇范圍為60Ω/100MHz~120Ω/100MHz，典型值選取90Ω/100MHz；

L2選用磁珠，磁珠阻抗范圍為100Ω/100MHz~1000Ω/100MHz，典型值選取600Ω/100MHz ；磁珠在選取時(shí)通流量應(yīng)符合電路電流的要求，磁珠推薦使用電源用磁珠；

C3、C4兩個(gè)電容在取值時(shí)要相差100倍，典型值為1000pF、0.1uF；小電容用濾除電源上的高頻干擾，大電容用于濾除電源線上的紋波干擾；

D1、D2、D3選用TVS，TVS反向關(guān)斷電壓為5V。TVS管的結(jié)電容對(duì)信號(hào)傳輸頻率有一定的影響，usb2.0的TVS結(jié)電容小于5pF；

C5、C6為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達(dá)到2KV以上。

4.5 相關(guān)電磁兼容器件選型建議清單

五、PCB設(shè)計(jì)說明

5.1布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

元器件布局要按照信號(hào)流向進(jìn)行布局；

防護(hù)器件要盡可能的靠近接口放置，確保引線電感最小，以保證防護(hù)器件能正常的進(jìn)行防護(hù)動(dòng)作。

應(yīng)將芯片放置在離地層最近的信號(hào)層，并盡量靠近usb插座，縮短差分線走線距離。

5.2布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

共模電感下方不能走其它信號(hào)線。

如果usb接口芯片需串聯(lián)端電阻或者D線接上拉電阻時(shí)．務(wù)必將這些電阻盡可能的靠近芯片放置。

將usb差分信號(hào)線布在離地層最近的信號(hào)層。

保持usb差分線下端地層完整性，如果分割差分線下端的地層，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性，并會(huì)增加外部噪聲對(duì)差分線的影響。

在usb差分線的布線過程中，應(yīng)避免在差分線上放置過孔（via），過孔會(huì)造成差分線阻抗失配。

保證差分線的線間距在走線過程中的一致性，如果在走線過程中差分線的間距發(fā)生改變，會(huì)造成差分線阻抗的不連續(xù)性。

在繪制差分線的過程中，使用45°彎角或圓弧彎角來代替90°彎角，并盡量在差分線周圍的150 mil范圍內(nèi)不要走其他的信號(hào)線，特別是邊沿比較陡峭的數(shù)字信號(hào)線更加要注意其走線不能影響usb差分線。

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EMC寄語(yǔ)：

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來越多的電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)品都需要進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，其中EMC測(cè)試是必備的檢驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)之一。但EMC測(cè)試項(xiàng)目費(fèi)用較貴，EMC實(shí)驗(yàn)室造價(jià)昂貴，絕大部分測(cè)量設(shè)備又需要采用進(jìn)口設(shè)備，導(dǎo)致很少檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)有能力建造EMC實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)階段賦予的，一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如果不考慮EMC因素，就會(huì)很容易導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗，以致不能通過相關(guān)EMC法規(guī)的測(cè)試或認(rèn)證。例如，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工程師們根據(jù)需求，設(shè)計(jì)出效果良好的濾波電路，置入產(chǎn)品I/O(輸入/輸出）接口的前級(jí)，可使因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處；設(shè)計(jì)出隔離電路（如變壓器隔離和光電隔離等）解決通過電源線、信號(hào)線和地線進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長(zhǎng)線傳輸而引起的干擾；設(shè)計(jì)出能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量；通過選擇元器件和合理安排的電路系統(tǒng)，使干擾的影響減少。
EMC技能:整改小技巧

1、150kHz-1MHz，以差模為主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干擾的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干擾是共模，低頻段是差摸干擾。用一個(gè)電阻串個(gè)電容后再并到Y(jié)電容的引腳上，用示波器測(cè)電阻兩引腳的電壓可以估測(cè)共模干擾。2、保險(xiǎn)過后加差模電感或電阻。3、小功率電源可采用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。4、前端的π型EMI零件中差模電感只負(fù)責(zé)低頻EMI，體積別選太大(DR8太大，能用電阻型式或DR6更好)否則幅射不好過，必要時(shí)可串磁珠，因?yàn)楦哳l會(huì)直接飛到前端不會(huì)跟著線走。5、傳導(dǎo)冷機(jī)時(shí)在0.15MHz-1MHz超標(biāo)，熱機(jī)時(shí)就有7dB余量。主要原因是初級(jí)BULk電容DF值過大造成的，冷機(jī)時(shí)ESR比較大，熱機(jī)時(shí)ESR比較小，開關(guān)電流在ESR上形成開關(guān)電壓，它會(huì)壓在一個(gè)電流LN線間流動(dòng)，這就是差模干擾。解決辦法是用ESR低的電解電容或者在兩個(gè)電解電容之間加一個(gè)差模電感。6、測(cè)試150kHz總超標(biāo)的解決方案：加大X電容看一下能不能下來，如果下來了說明是差模干擾。如果沒有太大作用那么是共模干擾，或者把電源線在一個(gè)大磁環(huán)上繞幾圈， 下來了說明是共模干擾。如果干擾曲線后面很好，就減小Y電容，看一下布板是否有問題，或者就在前面加磁環(huán)。7、可以加大PFC輸入部分的單繞組電感的電感量。8、PWM線路中的元件將主頻調(diào)到60kHz左右。9、用一塊銅皮緊貼在變壓器磁芯上。10、共模電感的兩邊感量不對(duì)稱，有一邊匝數(shù)少一匝也可引起傳導(dǎo)150kHz-3MHz超標(biāo)。11、一般傳導(dǎo)的產(chǎn)生有兩個(gè)主要的點(diǎn)：200kHz和20MHz左右，這幾個(gè)點(diǎn)也體現(xiàn)了電路的性能;200kHz左右主要是漏感產(chǎn)生的尖刺;20MHz左右主要是電路開關(guān)的噪聲。處理不好變壓器會(huì)增加大量的輻射，加屏蔽都沒用，輻射過不了。12、將輸入BUCk電容改為低內(nèi)阻的電容。13、對(duì)于無Y-CAP電源，繞制變壓器時(shí)先繞初級(jí)，再繞輔助繞組并將輔助繞組密繞靠一邊，后繞次級(jí)。14、將共模電感上并聯(lián)一個(gè)幾k到幾十k電阻。15、將共模電感用銅箔屏蔽后接到大電容的地。16、在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將共模電感和變壓器隔開一點(diǎn)以免互相干擾。17、保險(xiǎn)套磁珠。18、三線輸入的將兩根進(jìn)線接地的Y電容容量從2.2nF減小到471。19、對(duì)于有兩級(jí)濾波的可將后級(jí)0.22uFX電容去掉(有時(shí)前后X電容會(huì)引起震蕩) 。20、對(duì)于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對(duì)傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用銅泊包起來屏蔽接到地，或者用一塊小的PCB將此電容與變壓器和PCB隔開。或者將此電容立起來， 也可以用一個(gè)小電容代替。21、對(duì)于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對(duì)傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用一個(gè)1uF/400V或者說0.1uF/400V電容代替， 將另外一個(gè)電容加大。22、將共模電感前加一個(gè)小的幾百uH差模電感。23、將開關(guān)管和散熱器用一段銅箔包繞起來，并且銅箔兩端短接在一起，再用一根銅線連接到地。24、將共模電感用一塊銅皮包起來再連接到地。25、將開關(guān)管用金屬套起來連接到地。26、加大X2電容只能解決150kHz左右的頻段，不能解決20MHz以上的頻段，只有在電源輸入加以一級(jí)鎳鋅鐵氧體黑色磁環(huán)，電感量約50uH-1mH。27、在輸入端加大X電容。28、加大輸入端共模電感。29、將輔助繞組供電二極管反接到地。30、將輔助繞組供電濾波電容改用瘦長(zhǎng)型電解電容或者加大容量。31、加大輸入端濾波電容。32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz這兩處傳導(dǎo)都不過，可在共模電路前加一個(gè)差模電路。也可以看看接地是否有問題，該接地的地方一定要加強(qiáng)接牢，主板上的地線一定要理順，不同的地線之間走線一定要順暢不要互相交錯(cuò)的。33、在整流橋上并電容，當(dāng)考慮共模成分時(shí)，應(yīng)該鄰角并電容，當(dāng)考慮差模成分時(shí)，應(yīng)該對(duì)角并電容。34、加大輸入端差模電感。

2、產(chǎn)品電磁兼容騷擾源有：

1、設(shè)備開關(guān)電源的開關(guān)回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。2、設(shè)備直流電源的整流回路：工頻線性電源工頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百kHz；開關(guān)電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)十MHz。3、電動(dòng)設(shè)備直流電機(jī)的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。4、電動(dòng)設(shè)備交流電機(jī)的運(yùn)行噪聲：高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。5、變頻調(diào)速電路的騷擾發(fā)射：開關(guān)調(diào)速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。6、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)切換的開關(guān)噪聲：由機(jī)械或電子開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。7、智能控制設(shè)備的晶振及數(shù)字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。8、微波設(shè)備的微波泄漏：騷擾源主頻數(shù)GHz。9、電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的電磁騷擾發(fā)射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。10電視電聲接收設(shè)備的高頻調(diào)諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz，高次諧波可延伸到數(shù)GHz。11、信息技術(shù)設(shè)備及各類自動(dòng)控制設(shè)備的數(shù)字處理電路：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz（經(jīng)內(nèi)部倍頻主頻可達(dá)數(shù)GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。