PCB的电磁兼容设计课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 PCB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,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,R,4,R,2,R,3,R,1,V,CC,被驱动电路,I,CC,I,驱动,I,充电,I,放电,I,g,V,g,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,I,CC,V,CC,Ig,V,g,电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg,3,1,3,2,4,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,H,W,S,L=(L,1,L,2,-M,2,)/(L,1,+L,2,-2M),若：L,1,=L,2,L=(L,1,+M)/2,M,I,I,线路板走线的电感 L=0.002S(2.3lg(2,5,地线网格,地线网格,6,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。,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,电源线电感,去藕电容,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,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,C=,dI dt,dV,Z,f,1/2,LC,各参数含义：,在时间dt内，电源线上出现了瞬间电流dI，dI导致了电源线上出现电压跌落dV。,去耦电容的选择C=dI dt dVZf1/2 LC,10,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：,C=dI dt/dV,式中，dV是在时间dt内，瞬变电流dI造成的电压瞬间跌落。,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。,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。,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,电源,地,铁氧体,注意铁氧体安装的位置,接地线面,细线,粗线,用铁氧体增加电源端阻抗,用细线增加电源端阻抗,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,差模辐射,共模辐射,电流环,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,13,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。,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。,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:H=IA/(4,D,3,)A/m,E=Z,0,IA/(2,D,2,)V/m,Z,W,=Z,0,（2D/）,远场区内:H=,IA/(,2,D)A/m,E=Z,0,IA/(,2,D)V/m,Z,W,=Z,0,=377 ,A,I,随频率、距离增加而增加,Z,0,f、D,电流环路产生的辐射近场区内:H=IA/(4,15,导线的辐射,近场区内:H=I L/(4,D,2,)A/m,E=Z,0,I L,/(8,2,D,3,)V/m,Z,W,=Z,0,（/2D）,远场区内:H=I L/(2,D)A/m,E=Z,0,I L /(2,D)V/m,I,L,随频率、距离增加而减小,Z,0,f、D,导线的辐射近场区内:H=I L/(4D2),16,实际电路的辐射,Z,G,Z,L,V,Z,C,=Z,G,+Z,L,近场：Z,C,7.9 D f E=7.96VA/D,3,（V/m）,Z,C,7.9 D f，E=63 I A f/D,2,（V/m）,H=7.96IA/D,3,（A/m）,远场：,E=1.3 I A f,2,/D （V/m）,H=E/(120,),（A/m）,环路面积=A,I,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：,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,差模辐射频率特性线,脉冲的差模辐射包络线,1/,d 1/t,r,40dB/dec,f,f,f,-20dB/dec,-40dB/dec,E=2.6 I A f,2,/D,E,dB,=20lg（2.6 I A/D）,+40lg f,40dB/dec,20dB/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EMI指标要求所允许的环路面积,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,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。,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。,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？,E =2.6 I A f,2,/D,低通滤波器,布线,如何减小差模辐射？E =2.6 I A,22,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。,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：,1 延长上升时间,2 滤除 1/t r 频率以上的频率,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 1000,dB,V/m,dB,V/m,所有电路加电工作,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,L,R,I,Z=R+j,L,L=/I,A,电流回路的阻抗LRIZ=R+jL,25,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,26,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。,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,68HC11,74HC00,A,B,连接A、B,E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EMC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E,29,多层板能减小辐射,信号1,电源层,地线层,信号2,低频,高频,DC0.5 1 10 100 1G,1,10,地线面的阻抗，m/平方,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DC0.5,30,地线面上的缝隙的影响,模拟地,数字地,A/D变换器,L,75mm,25mm,L :0 10cm,V,AB,:15 75mV,A,B,地线面上的缝隙的影响模拟地数字地A/D变换器L75mm2,31,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ABCD,A,B,C,D,最好,较好,差,较好，但端接困难,扁平电缆,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,电流卡钳,频谱分析仪,V,dB,V,I,CM,被测电流 I,V,传输阻抗：Z,T,=V/I,共模电流的测量电流卡钳频谱分析仪VdBVICM被测电流 I,34,怎样减小共模辐射,E=1.26,I L f /,D,共模滤波,共模扼流圈,减小共模电压,使用尽量短的电缆,共模滤波,电缆屏蔽,怎样减小共模辐射 E=1.26 I L f,35,电缆长度控制：,减小共模电流：1 增加共模电流环路的阻抗；2 减小共模电压阻抗,减少电缆上的高频共模电流,屏蔽电缆：,电缆长度控制：,36,平衡接口电路,+Vcc,-Vcc,+V,-V,Z,0,/2,Z,0,/2,平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2,37,增加共模回路的阻抗,PCB,PCB,共模回路,改善量=20lg(E,1,/E,2,)=20lg(I,CM1,/I,CM2,),=20lg(V,CM,/Z,CM1,)/(V,CM,/Z,CM2,),=20 lg (Z,CM2,/Z,CM1,),=20 lg (1+,Z,L,/Z,CM1,),dB,增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路改善量=20lg(,38,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,信号滤波器,隔离变压器/光耦隔离器,桥,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,0.51,s,50n,s,100n,s,10n,s,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,10,2,10,3,10,4,10,5,10,6,10,7,10,