8 高速信号的EMC分析

高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材电子工业出版社教材配套电子教案配套电子教案第八章第八章高速信号的高速信号的EMC分析分析 l电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术l电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术l电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术lPCB中的电磁兼容中的电磁兼容电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术 接地是电路或系统正常工作的基本技术要求之一，也是接地是电路或系统正常工作的基本技术要求之一，也是EMC性能高低之关键因素。合理地应用接地技术，可以抑制电磁噪声，性能高低之关键因素。合理地应用接地技术，可以抑制电磁噪声，提高系统的抗干扰能力。并且良好的接地对电磁场有很好的屏蔽作提高系统的抗干扰能力。并且良好的接地对电磁场有很好的屏蔽作用，能释放设备机壳上积累的大量的电荷，从而避免产生静电放电用，能释放设备机壳上积累的大量的电荷，从而避免产生静电放电效应。效应。l接地的种类接地的种类 根据接地的作用不同，可以将设备的根据接地的作用不同，可以将设备的“地地”分成以下三大类：分成以下三大类：工作地、安全地和出于电磁兼容需要接地。工作地、安全地和出于电磁兼容需要接地。电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术1.工作地工作地 工作地是为了使电路能够正常工作而提供的一个基准电位。工作地是为了使电路能够正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。2.安全地安全地 安全地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷，产生静安全地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。安全。3.出于电磁兼容需要接地出于电磁兼容需要接地 除了设备工作和安全保护之外，有时设计人员对设备还需要除了设备工作和安全保护之外，有时设计人员对设备还需要采取一些措施，比如屏蔽、滤波等，这些也是需要接地的。因此采取一些措施，比如屏蔽、滤波等，这些也是需要接地的。因此还用到诸如屏蔽接地、滤波接地、噪声和干扰抑制、静电接地等还用到诸如屏蔽接地、滤波接地、噪声和干扰抑制、静电接地等接地方法接地方法。电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术l 接地方式接地方式接地没有一个很系统的理论或模型，人们在考虑接地时接地没有一个很系统的理论或模型，人们在考虑接地时只能依靠过去的经验或从书上看到的经验。接地的方法很多，只能依靠过去的经验或从书上看到的经验。接地的方法很多，具体使用哪一种方法取决于系统的结构和功能。接地的方式具体使用哪一种方法取决于系统的结构和功能。接地的方式可以分为三种：单点接地、多点接地和混合接地。可以分为三种：单点接地、多点接地和混合接地。图图8.1 8.1 接地方式示意图接地方式示意图电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术1.单点接地单点接地单点接地连接是指在产品的设计中，接地线路与单独一单点接地连接是指在产品的设计中，接地线路与单独一个参考点相连，该点常常以地球为参考。个参考点相连，该点常常以地球为参考。图图8.2 8.2 单点接地单点接地电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术2.2.多点接地多点接地3.3.多点接地就是所有电路的地线接到公共地线的不多点接地就是所有电路的地线接到公共地线的不同点，一般电路就近接地。同点，一般电路就近接地。图图8.3 8.3 多点接地多点接地电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术3.3.混合接地混合接地混合接地则是结合了单点接地和多点接地的综合应用，既包混合接地则是结合了单点接地和多点接地的综合应用，既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。图图8.4 8.4 混合接地混合接地电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术l模拟电路与数字电路的接地模拟电路与数字电路的接地模拟电路的接地模拟电路的接地数字电路的接地数字电路的接地数模混合电路的接地数模混合电路的接地电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术l 接地电阻接地电阻接地电阻通常越小越好，一般要求接地电阻小于接地电阻通常越小越好，一般要求接地电阻小于4；对；对于移动设备，接地电阻可小于于移动设备，接地电阻可小于10。接地电阻由接地线电阻、。接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。接触电阻和地电阻组成。降低接地电阻的方法有以下三种：降低接地电阻的方法有以下三种：降低接地线电阻，为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。降低接地线电阻，为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接，并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。靠地连接，并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水如在土壤中注入盐水)。电磁兼容中的接地技术电磁兼容中的接地技术l地线的设计地线的设计地线的设计要注意以下几点：地线的设计要注意以下几点：正确选择单点接地与多点接地。正确选择单点接地与多点接地。接地线应尽量加粗，地线宽度应是信号、控制线的接地线应尽量加粗，地线宽度应是信号、控制线的13倍。倍。接地线构成闭环路。接地线构成闭环路。CMOS运放电路的输入阻抗很高，且易受感应，在使用时对不用运放电路的输入阻抗很高，且易受感应，在使用时对不用端要接地或接正电源。端要接地或接正电源。在多层板中，专门设置一层地线面。在多层板中，专门设置一层地线面。根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路要分别设置地线。根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路要分别设置地线。对于数字电路，在双面板中设置地线网格。对于数字电路，在双面板中设置地线网格。模拟电路比较敏感，为了防止串扰，应采用单点接地。模拟电路比较敏感，为了防止串扰，应采用单点接地。同时具有模拟和数字功能的电路板，模拟地和数字地的电源铜箔同时具有模拟和数字功能的电路板，模拟地和数字地的电源铜箔通常是分离的，两种铜箔只在电源处连接。通常是分离的，两种铜箔只在电源处连接。电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术 屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用蔽体将元部件、电路、组合件、和辐射。具体讲，就是用蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽作为电磁兼容控防止它们受到外界电磁场的影响。屏蔽作为电磁兼容控制的重要手段，可以有效地抑制电磁干扰。制的重要手段，可以有效地抑制电磁干扰。屏蔽效能和波阻抗是屏蔽和电磁兼容中的两个重要概屏蔽效能和波阻抗是屏蔽和电磁兼容中的两个重要概念。念。电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术 屏蔽效能屏蔽效能 屏蔽效能屏蔽效能(SE)是指没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽是指没有屏蔽时空间某个位置的场强与有屏蔽时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。时该位置的场强的比值，它表征了屏蔽体对电磁波的衰减程度。定义式：定义式：波阻抗波阻抗 电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗。电磁波中的电场分量与磁场分量的比值称为波阻抗。定义式：定义式：电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术l屏蔽的分类屏蔽的分类 屏蔽按其机理可分为：屏蔽按其机理可分为：静电屏蔽静电屏蔽 电场屏蔽电场屏蔽 磁场屏蔽磁场屏蔽 电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术l电磁屏蔽的设计电磁屏蔽的设计1.屏蔽技术屏蔽技术 常用的屏蔽技术有多层屏蔽和薄膜屏蔽。常用的屏蔽技术有多层屏蔽和薄膜屏蔽。2.屏蔽材料屏蔽材料电磁波在穿过屏蔽材料时会由于能量的损耗而产生衰减。这种损耗电磁波在穿过屏蔽材料时会由于能量的损耗而产生衰减。这种损耗可以分为反射损耗和吸收损耗两部分。可以分为反射损耗和吸收损耗两部分。3.屏蔽结构屏蔽结构屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料，而且取决于屏蔽屏蔽体的屏蔽效能不仅取决于构成屏蔽体的材料，而且取决于屏蔽体的结构。电屏蔽体的形状最好设计为盒形或是全封闭的，但现实中体的结构。电屏蔽体的形状最好设计为盒形或是全封闭的，但现实中一个完全封闭的屏蔽体是没有任何价值的，机箱或壳体上常开有很多一个完全封闭的屏蔽体是没有任何价值的，机箱或壳体上常开有很多显示窗、通风口、不同部分结合的缝隙等。可以根据需要适当地进行显示窗、通风口、不同部分结合的缝隙等。可以根据需要适当地进行结构设计，来进一步减小分布电容。结构设计，来进一步减小分布电容。电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术l 印制电路板中的屏蔽印制电路板中的屏蔽 在排版设计中需注意以下几点：在排版设计中需注意以下几点：避免印制导线之间的寄生耦合避免印制导线之间的寄生耦合 印制导线的屏蔽印制导线的屏蔽 减小磁性元件对印制导线的干扰减小磁性元件对印制导线的干扰电磁兼容中的屏蔽技术电磁兼容中的屏蔽技术l 屏蔽的设计原则屏蔽的设计原则 设计之前必须确定电磁环境，包括电磁场的类型、场的强度、频率设计之前必须确定电磁环境，包括电磁场的类型、场的强度、频率以及屏蔽体至源的距离。以及屏蔽体至源的距离。当需要综合考虑低频磁场和高频磁场的屏蔽时，可以在屏蔽体上再当需要综合考虑低频磁场和高频磁场的屏蔽时，可以在屏蔽体上再镀上一层其他材料。镀上一层其他材料。为了获得更好的屏蔽效能，可采用双层屏蔽或多层屏蔽。为了获得更好的屏蔽效能，可采用双层屏蔽或多层屏蔽。多块材料组成屏蔽体时，为了保持磁连续性可采用机械法和焊接法。多块材料组成屏蔽体时，为了保持磁连续性可采用机械法和焊接法。电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术l滤波器滤波器1.线上干扰的类型线上干扰的类型 线上的干扰电流按其流动路径可以分为如下两类：线上的干扰电流按其流动路径可以分为如下两类：差模干扰电流差模干扰电流 差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，它在差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，它在两导线之间传输，属于对称性干扰。两导线之间传输，属于对称性干扰。共模干扰电流共模干扰电流 共模干扰电流是在火线、零线与大地共模干扰电流是在火线、零线与大地(或其他参考物体或其他参考物体)之间之间流动的干扰电流，它在导线与地流动的干扰电流，它在导线与地(机壳机壳)之间传输，属于非对称性之间传输，属于非对称性干扰。干扰。电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术2.滤波器的分类滤波器的分类 滤波器是由电阻、电容、电感、铁氧体磁珠和共模滤波器是由电阻、电容、电感、铁氧体磁珠和共模线圈等器件构成的频率选择性网络。根据要滤除的干扰线圈等器件构成的频率选择性网络。根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器可以分信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器可以分为：为：低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术3.滤波器的选择滤波器的选择选择滤波器，一般需要考虑以下因素：选择滤波器，一般需要考虑以下因素：要求电磁干扰滤波器在相应的工作频段范围内，能满足负载要求要求电磁干扰滤波器在相应的工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性。的衰减特性。要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求。要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求。在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相失配。负载阻抗相失配。滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压。来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压。滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流一致。滤波器允许通过的电流应与电路中连续运行的额定电流一致。滤波器应具有足够的机械强度，并且结构简单，质量轻，体积小，滤波器应具有足够的机械强度，并且结构简单，质量轻，体积小，安装方便，安全可靠。安装方便，安全可靠。电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术l电磁干扰电磁干扰(EMI)滤波器滤波器1.EMI滤波器的构造原理滤波器的构造原理 EMI滤波器必须是双向射频滤波器：一方面要滤除从交流电滤波器必须是双向射频滤波器：一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰。其基本电路如下：部发出噪声干扰。其基本电路如下：图图8.5 EMI8.5 EMI滤波器的基本电路滤波器的基本电路电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术2.几种有代表性的几种有代表性的EMI滤波器滤波器表表8.1 有代表性的几种有代表性的几种EMI滤波器及其特点波器及其特点滤波器名称波器名称典型特点及典型特点及应用用无磁珠三端无磁珠三端电容器容器 无两端无两端电容器的剩余容器的剩余电感，可除去感，可除去VHF噪声，适合抑制高阻抗噪声，适合抑制高阻抗电路中的噪声路中的噪声 磁珠磁珠电感器感器 能有效除去能有效除去VHF、UHF噪声，可抽噪声，可抽头自自动插入，适合低阻抗接地等插入，适合低阻抗接地等电路，除噪效果最路，除噪效果最佳佳 加磁珠的三端加磁珠的三端电容器容器 三端三端电容器加磁珠容器加磁珠电感元件的感元件的T型型EMI器件，能有效除去器件，能有效除去VHF中的噪声，适用于低阻抗中的噪声，适用于低阻抗电路路 型型滤波器波器组 使用磁珠使用磁珠电感元件和穿心感元件和穿心电容器的容器的型型滤波器波器阵，有二，有二连和三和三连，适合高阻抗，适合高阻抗电路路 四端四端结构型直流构型直流电源源EMI滤波器波器 计算机直流算机直流电源用大容量四端源用大容量四端电容器与穿心容器与穿心电容器、磁珠容器、磁珠电感元件感元件组合而成的合而成的宽带器器件，可高效除去件，可高效除去电源源输出端从出端从450 kHz1 GHz的噪声，另的噪声，另对共共态噪声也有效噪声也有效 交流交流电源源EMI滤波器波器 一般由能一般由能够同同时除去共模和常模两种模噪声的除去共模和常模两种模噪声的电路网路网络构成，兼有构成，兼有强强的抗的抗扰性和抗机性和抗机内噪声内噪声发生两种功能，适合用于接交流生两种功能，适合用于接交流电源的源的电子子设备从低从低频到高到高频带范范围内的除噪内的除噪 信号信号线路路EMI滤波器波器 由于有陡直的衰减特性，特由于有陡直的衰减特性，特别适合有效信号适合有效信号频率与噪声率与噪声频率接近的率接近的场合，宜用于合，宜用于RGB信号信号线路和数字路和数字电子子设备等高速数字信号等高速数字信号线路路 电磁兼容中的滤波技术电磁兼容中的滤波技术3.EMI滤波器的使用方法滤波器的使用方法 电容引线的作用电容引线的作用 温度的影响温度的影响 电压的影响电压的影响 穿心电容的使用穿心电容的使用4.两种常用的两种常用的EMI滤波器滤波器 电源滤波器电源滤波器 馈通型滤波器馈通型滤波器PCB中的电磁兼容中的电磁兼容PCB设计的开始阶段就是层的设置，层的设置不设计的开始阶段就是层的设置，层的设置不合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的EMC问题，所以合理的层布局对电磁兼容性而言是问题，所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。层的选择、层的相对位置以及电源、地十分重要的。层的选择、层的相对位置以及电源、地平面的分割、平面的分割、PCB的布线、信号质量、接口电路的处的布线、信号质量、接口电路的处理等都对理等都对PCB的的EMC指标起着至关重要的作用，也指标起着至关重要的作用，也直接影响到整台电子产品的电磁兼容性。直接影响到整台电子产品的电磁兼容性。PCB中的电磁兼容中的电磁兼容1.层数的选择层数的选择 实际应用时，应该根据单板的电源、地的种类、实际应用时，应该根据单板的电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定单板的层数。尽量满足单板的层数。尽量满足EMC的严格指标并且考虑制的严格指标并且考虑制造成本，适当增加地平面是造成本，适当增加地平面是PCB的的EMC设计最好的设计最好的方法之一。方法之一。PCB中的电磁兼容中的电磁兼容2.层的布局层的布局PCB的层排列也是有原则的，合理排列各层对的层排列也是有原则的，合理排列各层对PCB的的抗干扰能力十分有益。抗干扰能力十分有益。PCB设计中层排列的一些基本原设计中层排列的一些基本原则如下：则如下：将电源平面与地平面相邻将电源平面与地平面相邻参考面的选择参考面的选择,应优选电源平面、地平面做参考平面应优选电源平面、地平面做参考平面相邻层的关键信号不跨分割区相邻层的关键信号不跨分割区元件平面下面有相对完整的地平面元件平面下面有相对完整的地平面高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面在高速电路设计中，避免电源平面层向自由空间辐射能量在高速电路设计中，避免电源平面层向自由空间辐射能量PCB中的电磁兼容中的电磁兼容在多层在多层PCB布局中，有两条原则用来确定印制线条间距布局中，有两条原则用来确定印制线条间距和边距：和边距：20H原则原则 为减小印制板向空间辐射电磁能量这个效应，在地线层的边缘，为减小印制板向空间辐射电磁能量这个效应，在地线层的边缘，包括不同性质的地线层包括不同性质的地线层(例如数字地与模拟地例如数字地与模拟地)的分界处，地线层要比的分界处，地线层要比电源层、信号层外延出至少电源层、信号层外延出至少20H，这里，这里H表示地线层与信号层或电源表示地线层与信号层或电源层之间的距离。层之间的距离。图图8.6 20H8.6 20H规则示意图规则示意图PCB中的电磁兼容中的电磁兼容 3W 原则原则 当两条印制线的间距比较小时，两线之间会发生电磁串扰，为当两条印制线的间距比较小时，两线之间会发生电磁串扰，为避免发生这种干扰，应保持任何线条间距不小于避免发生这种干扰，应保持任何线条间距不小于3倍的印制线条宽度，倍的印制线条宽度，即不小于即不小于3W，W为印制线路的宽度，当线中心距不少于为印制线路的宽度，当线中心距不少于3倍线宽时，倍线宽时，则可保持则可保持70%的电场不互相干扰，称为的电场不互相干扰，称为3W规则。规则。图图8.7 3W8.7 3W规则示意图规则示意图PCB中的电磁兼容中的电磁兼容 下面列出的下面列出的3个表给出了多层个表给出了多层PCB板中应用较多的四层板中应用较多的四层板、六层板和八层板的几种布局方案。表中，板、六层板和八层板的几种布局方案。表中，S为信号线层，为信号线层，G为地线层，为地线层，P为电源线层。为电源线层。表表8.2 8.2 四层板的几种布局方案四层板的几种布局方案PCB中的电磁兼容中的电磁兼容表表8.3 8.3 六层板的几种布局方案六层板的几种布局方案表表8.4 8.4 八层板的几种布局方案八层板的几种布局方案PCB中的电磁兼容中的电磁兼容3.元器件的布局元器件的布局 在在PCB布线之前首先要把元器件布在电路板上，元器件的布局在布线之前首先要把元器件布在电路板上，元器件的布局在很大程度上决定了信号走线。通常情况下，不同电压的器件要分开，很大程度上决定了信号走线。通常情况下，不同电压的器件要分开，按照功能来说，电路板上的处理部分、控制部分、接口部分、电源部按照功能来说，电路板上的处理部分、控制部分、接口部分、电源部分、模拟部分、数字部分、低频部分、高频部分等要分得很清楚，各分、模拟部分、数字部分、低频部分、高频部分等要分得很清楚，各自之间不要产生干扰。自之间不要产生干扰。图图8.8 8.8 元器件布局示意图元器件布局示意图