的电磁兼容设计要点课件

第六章第六章 PCB PCB的电磁兼容设计的电磁兼容设计 第六章 PCB的电磁兼容设计 1地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路被驱动电路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被2电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg31324寄生电容地线干扰1324寄生电容地线干扰4线路板走线的电感 L=0.002S(2.3lg(2S/W)+0.5 HWSL=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若：若：L1=L2L=(L1+M)/2MII线路板走线的电感 L=0.002S(2.3lg(25地线网格地线网格地线网格6n地线网格：地线网格：在双层板的两面布置尽量多的平行地线，一面水平线，另一面垂直线，然后在它们交叉的地方用过孔连接起来。虽然从上面的分析中知道：平行导体的距离远些，减小电感的作用更大，但是考虑到每个芯片的近旁应该有地线，往往每隔11.5cm布一根地线。n地线网格的制作方法：地线网格的制作方法：制作地线网格的一个关键是在布信号线之前布地线网格，否则是十分困难的。尽管地线要尽量宽，但是除了作为直流电源主回路的地线由于要通过较大的电流，需要有一定的宽度外，地线网格中的其它导线并不需要很宽，即使有一根很窄的导线，也比没有强。地线网格：在双层板的两面布置尽量多的平行地线，一面水平线，另7电源线噪声的消除电源线噪声的消除电源线电感电源线电感去藕电容去藕电容这个环路尽量小这个环路尽量小电源线噪声的消除电源线电感去藕电容这个环路尽量小8电源去耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近尽量使电源线与地线靠近电源去耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近9 去耦电容的选择去耦电容的选择C=dI dt dVZf1/2 LC各参数含义：各参数含义：在时间在时间dt内，电源线上出现内，电源线上出现了瞬间电流了瞬间电流dI，dI导致了电导致了电源线上出现电压跌落源线上出现电压跌落dV。去耦电容的选择C=dI dt dVZf1/2 LC10n最小容量：最小容量：储能电容的容量太小时，同样不能达到预期的效果。但这是因为储能不足造成的。储能电容的最小容量用下面公式计算：n C=dI dt/dVn式中，dV是在时间dt内，瞬变电流dI造成的电压瞬间跌落。n这个公式仅是概念性的，在实践中，常常采用试验的方法确定最佳电容值。根据试验，对14和16脚的芯片，4701000pF的电容具有最好的效果。n储能电容的种类：储能电容的种类：与滤波电容相同，要选择低电感的高频电容。例如瓷片电容或独石电容。n噪声电压控制的目标：噪声电压控制的目标：应设法使地线上任何两点的噪声电压，电源线对地的噪声电压，小于500mV。最小容量：储能电容的容量太小时，同样不能达到预期的效果。但这11增强去耦效果的方法增强去耦效果的方法增强去耦效果的方法增强去耦效果的方法电源电源地地铁氧体铁氧体注意铁氧体安装的位置注意铁氧体安装的位置接地线面接地线面细线细线粗线粗线用铁氧体增加用铁氧体增加电源端阻抗电源端阻抗用细线增加电用细线增加电源端阻抗源端阻抗增强去耦效果的方法电源地铁氧体注意铁氧体安装的位置接地线面细12线路板的两种辐射机理线路板的两种辐射机理差模辐射差模辐射共模辐射共模辐射电流环电流环杆天线杆天线线路板的两种辐射机理差模辐射共模辐射电流环杆天线13n辐射源：辐射源：线路板的辐射主要产生于两个源，一个是PCB走线，另一个是I/O电缆。根据辐射驱动电流的模式，辐射分为差模辐射和共模辐射两种。n 差模辐射：差模辐射：电路工作电流在信号环路中流动，这个信号环路会产生电磁辐射。由于这种电流是差模的，因此信号环路产生的辐射称为差模辐射。n 共模辐射：共模辐射：当传输信号的导体的电位与邻近导体的电位不同时，在两者之间就会产生电流。即使两者之间没有任何导体连接，高频电流也会通过寄生电容流动。这种电流称为共模电流，它所产生的辐射称为共模辐射。在电子设备中，电缆的辐射主要以共模辐射为主。辐射源：线路板的辐射主要产生于两个源，一个是PCB走线，另一14电流环路产生的辐射近场区内近场区内:H=IA/(4 D3)A/m E=Z0IA/(2 D2)V/m ZW=Z0（2 D/）远场区内远场区内:H=IA/(2D)A/m E=Z0 IA/(2D)V/m ZW=Z0=377 AI随频率、距离增加而增加 Z0 f、D电流环路产生的辐射近场区内:H=IA/(415导线的辐射近场区内近场区内:H=I L/(4 D2)A/m E=Z0I L /(8 2 D3)V/m ZW=Z0（/2 D）远场区内远场区内:H=I L/(2 D)A/m E=Z0 I L /(2 D)V/mI L随频率、距离增加而减小 Z0 f、D导线的辐射近场区内:H=I L/(4D2)16实际电路的辐射ZGZLVZC=ZG+ZL近场：近场：ZC 7.9 D f E=7.96VA/D3 （V/m）ZC 7.9 D f，E=63 I A f/D2 （V/m）H=7.96IA/D3 （A/m）远场：远场：E=1.3 I A f 2/D （V/m）H=E/(120)（A/m）环路面积环路面积=AI实际电路的辐射ZGZLVZC=ZG+ZL近场：ZC 17常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时：考虑地面反射时：E=2.6 I A f 2/D （V/m）常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时：18脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线频谱包络线差模辐射频率特性线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线脉冲的差模辐射包络线 1/d 1/tr40dB/decfff-20dB/dec-40dB/dec E=2.6 I A f 2/D EdB=20lg（2.6 I A/D）+40lg f 40dB/dec20dB/dec脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线差模辐射频率特性线脉冲的差模19不同逻辑电路为了满足不同逻辑电路为了满足EMIEMI指标要求指标要求所允许的环路面积所允许的环路面积仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N。因此，可能时，分散时钟频率。不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积仅代表了20几点说明n说明说明1：表中仅对单个环路的辐射进行了计算，如果n个环路的信号频率相同，则它们辐射的频率也相同，强度叠加，则总辐射正比于 n。因此，在设计电路时，尽量避免使用同一个时钟来获得不同的同步信号。如果，各个环路中电流的频率不同，则没有叠加的关系。n说明说明2：绝不意味着只要电路满足了这个条件（多个环路时，考虑叠加），PCB就能满足EMI指标要求。因为线路板的辐射不仅有差模辐射，还有共模辐射。而共模辐射往往比差模辐射更强。n说明说明3：如果线路板上某个环路不满足这些条件，则PCB肯定会产生超标电磁辐射。几点说明说明1：表中仅对单个环路的辐射进行了计算，如果n个环21如何减小差模辐射？如何减小差模辐射？E =2.6 I A f 2 /D低通滤波器低通滤波器布线如何减小差模辐射？E =2.6 I A 22n减小差模电流减小差模电流 I：在保证电路功能的前提下，尽量使用低功耗的芯片。当较长的导线上有较大的电流时，用缓冲器减小电流。n降低频率降低频率f：当电路功能允许时，尽量使用低速芯片。因此降低电路的频率的做法在许多场合是受到限制的。关于降低电路的频率，要用如下的概念来理解：n1 延长上升时间延长上升时间n2 滤除滤除 1/t r 频率以上的频率频率以上的频率n控制差模电流的环路面积：控制差模电流的环路面积：通过减小信号环路面积能够有效地减小环路的辐射。控制信号环路面积从两个方面入手，一个是在选用芯片时尽量选用大规模集成电路，表面安装形式的芯片，不使用安装座等，另一方面，在线路板布线时，尽量控制信号回路的面积。减小差模电流 I：在保证电路功能的前提下，尽量使用低功耗的芯23电路中的强辐射信号 1 10 100 1000 1 10 100 1000dB V/mdB V/m所有电路加电工作所有电路加电工作只有时钟电路加电工作只有时钟电路加电工作电路中的强辐射信号 1 10 24电流回路的阻抗LRIZ=R+j LL=/I A电流回路的阻抗LRIZ=R+jL25单层或双层板如何减小环路的面积单层或双层板如何减小环路的面积单层或双层板如何减小环路的面积26n减小回路面积的方法：减小回路面积的方法：一种简单的方法是在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射和对外界干扰的敏感度。根据前面的分析，当在信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。n如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，地线尽量宽些。这样形成的回路面积等于线路板的厚度乘以信号线的长度。减小回路面积的方法：一种简单的方法是在关键信号线边上布一条地27不良布线举例不良布线举例68HC1174HC00AB连接连接A、BE时钟不良布线举例68HC1174HC00AB连接A、BE时钟28随便设置的地线没有用在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗设计吗？随便设置的地线没有用在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是E29多层板能减小辐射多层板能减小辐射信号信号1电源层电源层地线层地线层信号信号2低频高频DC0.5 1 10 100 1G110地线面的阻抗，地线面的阻抗，m/平方平方地线面具有很小的地线阻抗地线面具有很小的地线阻抗多层板能减小辐射信号1电源层地线层信号2低频高频DC0.530地线面上的缝隙的影响地线面上的缝隙的影响模拟地模拟地数字地数字地A/D变换器L75mm25mmL :0 10cm VAB:15 75mVAB地线面上的缝隙的影响模拟地数字地A/D变换器L75mm231线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层地线层20H线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线32扁平电缆的使用地线一部分信号回流经过一部分信号回流经过ABCDABCD最好最好较好较好差差较好，但端接困难较好，但端接困难扁平电缆这两处都有地线这两处都有地线扁平电缆的使用地线一部分信号回流经过ABCDABCD最好较好33共模电流的测量共模电流的测量电流卡钳电流卡钳频谱分析仪频谱分析仪VdB VICM被测电流被测电流 IV传输阻抗：传输阻抗：ZT=V/I 共模电流的测量电流卡钳频谱分析仪VdBVICM被测电流 I34怎样减小共模辐射怎样减小共模辐射 E=1.26 I L f /D 共模滤波共模滤波共模扼流圈共模扼流圈减小共模电压减小共模电压使用尽量使用尽量短的电缆短的电缆共模滤波共模滤波电缆屏蔽电缆屏蔽怎样减小共模辐射 E=1.26 I L f35n电缆长度控制：电缆长度控制：n减小共模电流：减小共模电流：1 增加共模电流环路的增加共模电流环路的阻抗；阻抗；2 减小共模电压阻抗减小共模电压阻抗n减少电缆上的高频共模电流减少电缆上的高频共模电流n屏蔽电缆：屏蔽电缆：电缆长度控制：36平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/237增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路共模回路改善量改善量=20lg(E1/E2)=20lg(ICM1/ICM2)=20lg(VCM/ZCM1)/(VCM/ZCM2)=20 lg (ZCM2/ZCM1)=20 lg (1+ZL/ZCM1)dB增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路改善量=20lg(38I/O接口布线的一些要点干净区域滤波电容电源线连接地线连接信号滤波器信号滤波器隔离变压器/光耦隔离器桥壕沟壕沟时钟电路、高速电路I/O接口布线的一些要点干净区域滤波电容电源线连接地线连接信39滤波器电容量的选择R负载R源电容合适电容过大 低速接口10 100kB/s 高速接口 2MB/s低速CMOS TTL上升时间 tr 0.51s 50ns 100ns 10ns带宽 BW 320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz总阻抗 R 120 100 300 100150最大电容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF滤波器电容量的选择R负载R源电容合适电容过大 低速接口 40不同屏蔽层的传输阻抗102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000传输阻抗（传输阻抗（m /m）Hz铝箔铝箔单层编织单层编织最佳单层编织最佳单层编织双层编织双层编织双层编织双层编织+一层一层 金属金属双层编织+双层金属实心铜实心铜不同屏蔽层的传输阻抗102 103 41屏蔽层的错误接法CM屏蔽层的错误接法CM42电缆屏蔽层的正确端接利用机械力将屏蔽层压紧金属连接器护套指形簧片护套与屏蔽层端接导电弹性衬垫连接器上紧螺纹航空连接器D形连接器电缆屏蔽层的正确端接利用机械力将金属连接器护套指形簧片护套与43线路板上的局部屏蔽利用一层铜箔做屏蔽盒面屏蔽盒的接地间隔 /20所有穿出屏蔽盒的导线经过滤波片状电容线路板上的局部屏蔽利用一层铜箔做屏蔽盒面屏蔽盒的接地间隔 44n确定屏蔽区域的原则如下：n1 穿过屏蔽区域界面的导线尽量少；n2 穿过屏蔽区域界面的导线要可滤波确定屏蔽区域的原则如下：45PCB板 层的排布一般原则：1.元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；2.所有信号层尽可能与地平面相邻；3.尽量避免两信号层直接相邻；4.主电源尽可能与其对应地相邻；PCB板 层的排布一般原则：元件面下面（第二层）为地平面，提46