USB接口电磁兼容（EMC）解决方案

USB 2.0接口电磁兼容（EMC）解决方案（赛盛技术工程技术研究院提供）一、 USB2.0接口面临电磁兼容问题USB接口具有传输速度快，支持热插拔以及连接多个设备的特点，目前已经在各类计算机、消费类产品中广泛应用。由于USB2.0则可以达到速度480Mbps，其运行速率较高，容易通过USB连接线缆对外高频辐射超标，同时由于带电热插拔，容易受到瞬间电压冲击和静电干扰。因此我们在产品接口设计时，需要着重从接口滤波设计，防护设计，PCB设计、结构电缆多个方面考虑电磁兼容设计。本文电磁兼容解决方案主要结合USB2.0接口电路特点，从产品原理图的接口电路出发，提供符合产品实际设计要求的具体的EMC设计方案，从而使产品能够满足电磁兼容标准与规格要求，获得良好的EMC品质，提升产品的可靠性。

二、 USB2.0接口标准要求带有USB接口的典型消费类产品，需要满足相关电磁兼容要求，与USB相关的电磁兼容项目要求如下，其他如应用在军品、汽车电子、铁路电子要求则有所不一样，具体请参考相关电磁兼容标准要求。序号测试项目测试要求性能判据1辐射发射(RE)30~230MHz 40dB(μV/m)230~1000MHz 47dB(μV/m)测量距离10m准峰值（QP）2射频场感应的传导骚扰(CS)0.15~80MHz 10V 80%AM(1kHz)150Ω源阻抗性能判据A3射频电磁场辐射(RS)80~1000MHz 20V/m 80%AM(1kHz)性能判据A4静电放电(ESD)接触放电±6kV性能判据B空气放电±8kV三、原理图EMC设计：

四、原理图设计要点说明：4.1滤波设计要点：L1为共模滤波电感，用于滤除差分信号上的共模干扰；L2为滤波磁珠，用于滤除为电源上的干扰；C3、C4为电源滤波电容，滤除电源上的干扰；C1、C2 为预留设计，注意电容尽量小，如实际影响信号传输，可以不焊接。4.2防护设计要点：D1、D2、D3组成USB接口防护电路，能快速泄放静电干扰，避免内部电路遭受静电的干扰。C5、C6为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，耐压要求达到2KV以上.4.3 特殊要求：4.3 R1、R2为限流电阻，差分线之间耦合会影响信号线的外在阻抗，可以用此电阻实现终端最佳匹配，使用时根据实际情况进行调整。4.4 器件选型要求：L1为共模电感，共模电感阻抗选择范围为60Ω/100MHz~120Ω/100MHz，典型值选取90Ω/100MHzL2选用磁珠，磁珠阻抗范围为100Ω/100MHz~1000Ω/100MHz，典型值选取600Ω/100MHz ；磁珠在选取时通流量应符合电路电流的要求，磁珠推荐使用电源用磁珠C3、C4两个电容在取值时要相差100倍，典型值为1000pF、0.1uF；小电容用滤除电源上的高频干扰，大电容用于滤除电源线上的纹波干扰；D1、D2、D3选用TVS，TVS反向关断电压为5V。TVS管的结电容对信号传输频率有一定的影响，USB2.0的TVS结电容小于5pF；C5、C6为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，耐压要求达到2KV以上.4.5 相关电磁兼容器件选型建议清单L1=共模电感WCM-2012-900TL2=磁珠FBMA-11-201209-601A20TD1、D2、D3=TVSBV05CC3、C41000PF、100NfC1、C25PF/NCC5、C61000PF/2KVR1、R20ohm五、PCB设计说明5.1布局设计要点元器件布局要按照信号流向进行布局；防护器件要尽可能的靠近接口放置，确保引线电感最小，以保证防护器件能正常的进行防护动作。应将芯片放置在离地层最近的信号层，并尽量靠近USB插座,缩短差分线走线距离。5.2布线设计要点共模电感下方不能走其它信号线。如果USB接口芯片需串联端电阻或者D线接上拉电阻时．务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。将USB差分信号线布在离地层最近的信号层。保持USB差分线下端地层完整性，如果分割差分线下端的地层，会造成差分线阻抗的不连续性，并会增加外部噪声对差分线的影响。在USB差分线的布线过程中，应避免在差分线上放置过孔(via)，过孔会造成差分线阻抗失配。保证差分线的线间距在走线过程中的一致性，如果在走线过程中差分线的间距发生改变，会造成差分线阻抗的不连续性。在绘制差分线的过程中，使用45°弯角或圆弧弯角来代替90°弯角，并尽量在差分线周围的150 mil范围内不要走其他的信号线，特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响USB差分线。EMC寄语：随着时代的发展，越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测，其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵，EMC实验室造价昂贵，绝大部分测量设备又需要采用进口设备，导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的，一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素，就会很容易导致EMC测试失败，以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如，产品设计研发工程师们根据需求，设计出效果良好的滤波电路，置入产品I/O(输入/输出）接口的前级，可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处；设计出隔离电路（如变压器隔离和光电隔离等）解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰，同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰；设计出能量吸收回路，从而减少电路、器件吸收的噪声能量；通过选择元器件和合理安排的电路系统，使干扰的影响减少。EMC技能:整改小技巧1、150kHz-1MHz，以差模为主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干扰的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干扰是共模，低频段是差摸干扰。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上，用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰。2、保险过后加差模电感或电阻。3、小功率电源可采用PI型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。4、前端的π型EMI零件中差模电感只负责低频EMI，体积别选太大(DR8太大，能用电阻型式或DR6更好)否则幅射不好过，必要时可串磁珠，因为高频会直接飞到前端不会跟着线走。5、传导冷机时在0.15MHz-1MHz超标，热机时就有7dB余量。主要原因是初级BULk电容DF值过大造成的，冷机时ESR比较大，热机时ESR比较小，开关电流在ESR上形成开关电压，它会压在一个电流LN线间流动，这就是差模干扰。解决办法是用ESR低的电解电容或者在两个电解电容之间加一个差模电感。6、测试150kHz总超标的解决方案：加大X电容看一下能不能下来，如果下来了说明是差模干扰。如果没有太大作用那么是共模干扰，或者把电源线在一个大磁环上绕几圈， 下来了说明是共模干扰。如果干扰曲线后面很好，就减小Y电容，看一下布板是否有问题，或者就在前面加磁环。7、可以加大PFC输入部分的单绕组电感的电感量。8、PWM线路中的元件将主频调到60kHz左右。9、用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。10、共模电感的两边感量不对称，有一边匝数少一匝也可引起传导150kHz-3MHz超标。11、一般传导的产生有两个主要的点：200kHz和20MHz左右，这几个点也体现了电路的性能;200kHz左右主要是漏感产生的尖刺;20MHz左右主要是电路开关的噪声。处理不好变压器会增加大量的辐射，加屏蔽都没用，辐射过不了。12、将输入BUCk电容改为低内阻的电容。13、对于无Y-CAP电源，绕制变压器时先绕初级，再绕辅助绕组并将辅助绕组密绕靠一边，后绕次级。14、将共模电感上并联一个几k到几十k电阻。15、将共模电感用铜箔屏蔽后接到大电容的地。16、在PCB设计时应将共模电感和变压器隔开一点以免互相干扰。17、保险套磁珠。18、三线输入的将两根进线接地的Y电容容量从2.2nF减小到471。19、对于有两级滤波的可将后级0.22uFX电容去掉(有时前后X电容会引起震荡) 。20、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用铜泊包起来屏蔽接到地，或者用一块小的PCB将此电容与变压器和PCB隔开。或者将此电容立起来， 也可以用一个小电容代替。21、对于π型滤波电路有一个BUCk电容躺倒放在PCB上且靠近变压器此电容对传导150kHz-2MHz的L通道有干扰，改良方法是将此电容用一个1uF/400V或者说0.1uF/400V电容代替， 将另外一个电容加大。22、将共模电感前加一个小的几百uH差模电感。23、将开关管和散热器用一段铜箔包绕起来，并且铜箔两端短接在一起，再用一根铜线连接到地。24、将共模电感用一块铜皮包起来再连接到地。25、将开关管用金属套起来连接到地。26、加大X2电容只能解决150kHz左右的频段，不能解决20MHz以上的频段，只有在电源输入加以一级镍锌铁氧体黑色磁环，电感量约50uH-1mH。27、在输入端加大X电容。28、加大输入端共模电感。29、将辅助绕组供电二极管反接到地。30、将辅助绕组供电滤波电容改用瘦长型电解电容或者加大容量。31、加大输入端滤波电容。32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz这两处传导都不过，可在共模电路前加一个差模电路。也可以看看接地是否有问题，该接地的地方一定要加强接牢，主板上的地线一定要理顺，不同的地线之间走线一定要顺畅不要互相交错的。33、在整流桥上并电容，当考虑共模成分时，应该邻角并电容，当考虑差模成分时，应该对角并电容。34、加大输入端差模电感。2、产品电磁兼容骚扰源有：1、设备开关电源的开关回路：骚扰源主频几十kHz到百余kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。2、设备直流电源的整流回路：工频线性电源工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz；开关电源高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。3、电动设备直流电机的电刷噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。4、电动设备交流电机的运行噪声：高次谐波可延伸到数十MHz。5、变频调速电路的骚扰发射：开关调速回路骚扰源频率从几十kHz到几十MHz。6、设备运行状态切换的开关噪声：由机械或电子开关动作产生的噪声频率上限可延伸到数百MHz。7、智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰：骚扰源主频几十kHz到几十MHz，高次谐波可延伸到数百MHz。8、微波设备的微波泄漏：骚扰源主频数GHz。9、电磁感应加热设备的电磁骚扰发射：骚扰源主频几十kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。10电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波：骚扰源主频数十MHz到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。11、信息技术设备及各类自动控制设备的数字处理电路：骚扰源主频数十MHz到数百MHz（经内部倍频主频可达数GHz），高次谐波可延伸到十几GHz。可在文章末尾点评或留言后，可获取下面宝典！学习如春起之苗,不见其日增,而日有所长。欢迎持续《质量提升与技术》公众号关注与分享