PCB電磁兼容設(shè)計PPT頁.ppt

1、PCB制板及產(chǎn)品調(diào)試 項目1：電子鐘PCB制板及電路調(diào)試,電子鐘PCB制板及電路調(diào)試的典型工作任務(wù)分析 - 學(xué)習(xí)目標(biāo)， - 學(xué)習(xí)與工作內(nèi)容， - 學(xué)時要求， - 教學(xué)方法與組織形式說明， - 學(xué)業(yè)評價方式,電磁兼容的英文為Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC。電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的綜合性交叉學(xué)科，研究PCB設(shè)計中的電場與磁場的兼容性 。 EMC技術(shù)涉及的頻率范圍0400GHz，研究PCB設(shè)計中的電場與磁場的兼容性 。設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)都要運用EMC技術(shù),10.1 電磁兼容的基本知識 電磁波作為一種資源，已在0400GHz寬頻范圍內(nèi)廣

2、泛地用于信息技術(shù)產(chǎn)品中。伴之而來的電磁干擾也從低頻段到微波波段，無孔不入地輻射或傳導(dǎo)至設(shè)備系統(tǒng)以及周圍的環(huán)境，給設(shè)備甚至社會生產(chǎn)活動和人體健康帶來了越來越嚴(yán)重的危害。 10.1.1 電磁兼容及相關(guān)概念 設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力,1、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，不應(yīng)對周圍造成不能承受的影響；也不應(yīng)對周圍環(huán)境造成不能承受的“污染”； 2、設(shè)備或系統(tǒng)對來自周圍的電磁干擾，應(yīng)具有足夠的防御能力。 研究內(nèi)容：電磁兼容設(shè)計、電磁兼容測試、電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及EMC預(yù)測。 EMC的三要素：干擾源、耦合通路和敏感體。切斷任何一項都可解決電磁兼容問題,電磁環(huán)

3、境是由空間、時間和頻譜三大要要素組成的。 2.電磁兼容相關(guān)概念 電磁干擾（EMI）會引起設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能下降。 電子系統(tǒng)受干擾的路徑主要是通過電源、信號線或控制電纜、場滲透，最后經(jīng)過天線直接進(jìn)入,另外還有電纜耦合（其它設(shè)備的傳導(dǎo)干擾），電子系統(tǒng)內(nèi)部場耦合（其它設(shè)備的輻射干擾），電子外部耦合到內(nèi)部場，寬帶發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)，外部環(huán)境場等等。 電磁騷擾（Electromagnetic Disturbance）是指任何可能引起設(shè)備、裝置或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾有下列三種表現(xiàn)表形式：電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化,電磁輻射：是以電磁波形式由波

4、源發(fā)射到空間的現(xiàn)象或以電磁波的形式存在于空間的現(xiàn)象?！半姶泡椛洹币辉~的含義有時也可引伸，電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包含在內(nèi)。 電磁噪聲（Electromagnetic Noise）是一種明顯不傳送信息的時變電磁現(xiàn)象，它可與有用信號疊加或組合，有時也稱為電磁環(huán)境,共模干擾(CM)和差模干擾(DM)：共模干擾存在于電源任何一相線與大地或中線與大地間。共模干擾有時也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾，是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾，這是載流導(dǎo)體之間的干擾。共模干擾表明干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中來的。而差模干擾則表明干擾是源于同

5、一條電源電路的,高能量、高頻率、高密度的發(fā)射源增多，會使系統(tǒng)的輻射加重，干擾信號增強。 電磁輻射污染己被世界衛(wèi)生組織列為必須嚴(yán)加控制的現(xiàn)代公害之一。據(jù)調(diào)查，長期接受高頻電磁輻射，會對眼睛、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及骨組織造成嚴(yán)重的不良影響，甚至危及生命,10.1.2 電磁兼容的三要素 電磁兼容的三要素是干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。切斷以上任何一項都可解決電磁兼容問題。 解決電磁兼容問題要從以下方面入手研究：電磁騷擾源，包括其頻域和時域特性、產(chǎn)生的機(jī)理以及抑制措施等；電磁騷擾傳播特性；敏感設(shè)備抗干擾的能力；電磁兼容性問題的測量方法；系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的電磁兼容性,1干擾源 傳導(dǎo)干擾、

6、空間干擾 2耦合途徑 電磁干擾的傳播途徑有通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾(Conducted Interference)，也有通過空間直接傳播的“空間干擾”(Radiated Interference)。前者歸屬于頻率較高的部分(30MHz)，后者則是較低頻的部分(30MHz)。 傳導(dǎo)干擾是指一個電網(wǎng)絡(luò)信號通過導(dǎo)電介質(zhì)，耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò),比如開空調(diào)時，室內(nèi)的熒光燈會出現(xiàn)瞬間變暗的現(xiàn)象，這是因為大量電流流向空調(diào)，電壓急速下降，利用同_電源的熒光燈受到影響。通常采用的解決方法是通過去耦來消除傳導(dǎo)性干擾，比如給發(fā)生源及被干擾設(shè)備的電源線安裝濾波器，或者將信號線改為光纖

7、。 輻射干擾是指干擾源通過空間，把信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò),在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的管腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。由于傳播途徑是空間，解決輻射干擾的方法除前面所講的濾波之外，還要對設(shè)備進(jìn)行屏蔽方能有效。 輻射發(fā)射有兩種基本類型：差模(DM)和共模(CM)。一般設(shè)備的電源線和通信線路，這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號,干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線作去路，地線作返回路傳輸。前者就是“差?！保笳呤恰肮材！?。 干擾信號侵入線路和接地之間，

8、干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路，這種干擾是比較容易消除的,干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線作去路，地線作返回路傳輸。前者就是“差模”，后者是“共模”。 干擾信號侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路，這種干擾是比較容易消除的,但在實際電路中，由于兩根導(dǎo)線終端與地線之間的阻抗不平衡，會出現(xiàn)模式的相互轉(zhuǎn)換。即通過導(dǎo)線傳遞的一種模式在終端反射時，使共模信號干擾會轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾。 通常這兩種干擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，所以情況十分復(fù)雜,總而言之，當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的

9、長度比波長短時，主要問題是傳導(dǎo)干擾；當(dāng)它們的尺寸比波長大時，主要問題是輻射干擾。 3提高設(shè)備抗耦合干擾性能 (1)電路性耦合 針對電路性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是： 對共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電磁干擾，可使用不同的電源分別供電。 對共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁干擾，可以對導(dǎo)線阻抗加以限制或去耦。共回路導(dǎo)線的阻抗包括電阻和電感,a限制電阻的方法：增大共回路導(dǎo)線的截面積，減少共回路導(dǎo)線的長度和降低接觸電阻。 b限制電感的方法：減小共回路導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線間的距離。 c電路去耦的方法：去掉共回路導(dǎo)線，而將不同的回路僅在一點接地。 對共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，可以想辦法降低共地阻抗。 電位隔離。 電位隔離有機(jī)械、電磁、光電

10、和浮地4種隔離方式，其實質(zhì)是人為地造成電位隔離，以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾,2)電容性耦合 任何兩個導(dǎo)體之間都存在著電容。 針對電容性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是： 盡可能減小干擾源U1的幅值和干擾源的變化速度。 耦合電容設(shè)計得盡可能?。杭哟髢蓚€導(dǎo)體間的距離，縮短兩個導(dǎo)體的長度，避免兩個導(dǎo)體平行走線,屏蔽 屏蔽的目的：切斷干擾源和被干擾對象之間的電力線。 屏蔽的方法：采用與干擾源基準(zhǔn)電位相連的屏蔽或者與被干擾對象基準(zhǔn)電位相連的屏蔽，或者上述兩者都用。當(dāng)導(dǎo)線的長度小于工作信號波長的l20時，采用單點接地，否則采用多點接地。接地的長度要盡可能短,平衡 平衡的目的：當(dāng)干擾源和被干擾對象的基準(zhǔn)電位是相

11、互獨立時，可以采用平衡的方法使干擾源和被干擾對象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。 平衡的方法：干擾源和被干擾對象均采用絞合導(dǎo)線；采用四芯導(dǎo)線使干擾源和被干擾對象的導(dǎo)線交叉對稱,3)電感性耦合 任何兩個回路之間存在著互感?；ジ兄蹬c介質(zhì)的磁導(dǎo)率觸成正比，并與兩個回路的幾何尺寸有關(guān)。 針對電感性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是： 盡可能減小干擾源電流的變化速度。 盡可能減小兩個回路的互感：加大兩個回路間的距離；縮短兩個回路的長度；避免兩個回路平行走線；縮小兩個回路的面積，并降低重合度,屏蔽、 屏蔽的目的：切斷干擾源和被干擾對象之間的磁力線。 屏蔽的方法：采用鐵磁性導(dǎo)體的靜態(tài)磁屏蔽，采用良導(dǎo)體感應(yīng)

12、渦流的動態(tài)磁屏蔽。 平衡 平衡的目的：采用平衡的方法減小或免除電感性耦合的電磁干擾,4)輻射性耦合 輻射性耦合是電磁場通過空間耦合到被干擾對象。 針對輻射性耦合的電磁兼容設(shè)計方法是： 采用空間分離的方法，把容易相互干擾的設(shè)備和導(dǎo)線安排得遠(yuǎn)一些，并調(diào)整電磁場矢量方向，使接收設(shè)備耦合的干擾電磁場最低。 采用時間分離方法，把產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備安排在不同的時間工作,采用頻率分離方法，使產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備的工作頻率不同。 采用屏蔽措施，用屏蔽材料將被干擾對象封閉起來，使其內(nèi)部電磁場強度低于允許值。屏蔽的效果用屏蔽系數(shù)來衡量。 減小天線的有效高度。 減小環(huán)線面積,1013 印刷

13、電路板中的電磁兼容問題及防治措施 電子產(chǎn)品越來越趨向高速、寬帶、高靈敏度、高密度和小型化，這種趨勢導(dǎo)致了EMC問題更加嚴(yán)重。高速數(shù)字電路PCB是一個典型的代表，PCB的電磁兼容問題是目前高速PCB設(shè)計中急待解決的技術(shù)難題。 電磁兼容的防治是一項系統(tǒng)工程,應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都予以充分的考慮和實施,電磁兼容對設(shè)備的要求有兩個方面：一是設(shè)備工作時不會對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響；另一個是不能對外界的電磁干擾過度敏感。前一方面的要求稱為干擾發(fā)射(EMI)要求，后一個方面的要求稱為敏感度(EMS)或抗擾度要求。對設(shè)備的電磁兼容要求?？梢赃M(jìn)一步分為傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、傳導(dǎo)

14、敏感度(抗擾度)、輻射敏感度(抗擾度,1電磁兼容問題 （1）印刷電路板中帶狀線、電線、電纜間的串音和電磁耦合 印刷電路板中帶狀線、電線、電纜間的串音是印刷電路板中存在的最難克服的問題之一。這里所說的串音是較廣意義上的串音，不管其源信號是有用信號還是噪聲，串音用導(dǎo)線的互容和互感來表示。 當(dāng)在EMC預(yù)測和解決EMI問題時，首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳輸?shù)摹⑤椛涞?、還是串音的,一般來說，在高頻時電容耦合是主要的，但如果源阻抗或接收器之一或兩者都采用屏蔽電纜并在屏蔽層兩端接地，則磁場耦合將是主要的。另外，低頻一般有較低的電路阻抗，電感耦合是主要的。 通過串音預(yù)測，可以保證PCB上數(shù)字和模擬信號適當(dāng)?shù)?/p>

15、間距,2）數(shù)字電路PCB使電子產(chǎn)品的電磁輻射加重 計算機(jī)等電子設(shè)備的電路一般都是用數(shù)字電路PCB實現(xiàn)的，在很多情況下，數(shù)字電路PCB產(chǎn)生的輻射問題要比模擬電路PCB更嚴(yán)重。 由于數(shù)字電路的驅(qū)動電流較大，致使輻射的強度也較大；而高速時鐘脈沖和數(shù)字信號又使得輻射頻帶加寬,PCB電磁輻射分兩種基本類型：差模輻射與共模輻射。差模輻射的特點取決于閉合環(huán)路中電流特性；共模輻射由對地的干擾(噪聲)電壓引起。 電磁輻射主要表現(xiàn)在：對周圍的電子系統(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾；另一方面造成潛在的信息泄漏問題,影響PCB電磁輻射的因素主要是PCB的結(jié)構(gòu)和激勵因素：PCB的結(jié)構(gòu)不同，其輻射效果也不同，傳輸帶的長度、回路面積、

16、地線走向、整體布局等都會影響到輻射效果。 顯然，PCB的布局設(shè)計將直接關(guān)系到整機(jī)電磁輻射的強弱。在確定的激勵狀態(tài)下，整機(jī)系統(tǒng)輻射水平的抑制和降低，必須從PCB的輻射分析及布局的優(yōu)化設(shè)計著手,布線結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對降低PCB輻射也具有關(guān)鍵的作用。 消除輻射干擾最有效的方法是采取屏蔽，屏蔽噪聲源或屏蔽敏感電路。除屏蔽方法外，還可以通過改變電路設(shè)計來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 2電磁兼容的防治措施 解決電磁兼容問題應(yīng)從產(chǎn)品的開發(fā)階段開始，并貫穿于整個產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)過程。 國內(nèi)外大量的經(jīng)驗表明，在產(chǎn)品或系統(tǒng)的研制過程中越早注意電磁兼容問題，越可以節(jié)約人力與物力,在控制方法上，除了采用眾所周知的抑制干

17、擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法以外還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙，可以代替成本費用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果,電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是對電磁干擾源的研究，從干擾源處控制其電磁發(fā)射。控制干擾源的發(fā)射，需要廣泛地應(yīng)用屏蔽(包括隔離)、濾波和接地技術(shù)。 （1）屏蔽 屏蔽主要是運用各種導(dǎo)電材料，制成殼體與大地連接，以切斷靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合的電磁噪聲傳播途徑,電磁屏蔽是電磁兼容防治的重要手段。電磁屏蔽是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一區(qū)域感應(yīng)和輻射

18、傳播的方法。 屏蔽一般分為兩種類型：一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要防止交變電場、交變磁場以及防止交變電磁場的影響。 靜電屏蔽應(yīng)具備兩個基本要點，即完善的屏蔽體和良好的接地,2）隔離 隔離主要是運用繼電器、隔離變壓器或光電隔離器等器件來切斷電磁噪聲傳導(dǎo)形式的傳播途徑。其特點是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。 在一個電子系統(tǒng)中，通道之間的信號輻射會產(chǎn)生電磁干擾。如果是兩個圖像通道的信號干擾，會產(chǎn)生圖像疊加、背景虛像等現(xiàn)象。如果是兩個音頻通道的信號干擾，則會出現(xiàn)串音現(xiàn)象。 在印刷電路板上，信號線長距離高密度平行，就有可能出現(xiàn)傳輸

19、通道干擾。改善傳輸通道干擾的方法是在設(shè)計PCB板時，高頻信號之間的布線盡量少平行，有條件的要插入地線,3）濾波 濾波是在頻域上處理電磁噪聲的技術(shù)，為電磁噪聲提供一個低阻抗通路，以抑制電磁干擾。例如，電源濾波器對50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。 頻率管理是濾波的重要手段，是指運用干擾抑制濾波技術(shù)來選擇信號和抑制干擾。為了實現(xiàn)這兩在功能而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)都稱都稱為濾波器,線路板上的導(dǎo)線，是最有效的接收和輻射天線。由于導(dǎo)線的存在，往往會在線路板上產(chǎn)生過強的電磁輻射。同時，這些導(dǎo)線又能接受外部的電磁干擾，使電路對干擾很敏感。在導(dǎo)線上使用信號濾波器是解決高頻電磁干擾輻射和接收很有效的

20、方法。脈沖信號的高頻成分很豐富，這些高頻成分可以借助導(dǎo)線輻射，使線路板的輻射超標(biāo)。信號濾波器的使用可使脈沖信號的高頻成分大大減少,電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。 （4）接地 接地包括接地體的設(shè)計、地線的布置、接地線在各種不同頻率下的阻抗等內(nèi)容，不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全，而且關(guān)聯(lián)著電磁兼容和其測量技術(shù),102 印刷電路板中的電磁兼容設(shè)計方法 印刷電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，PCB中的電磁兼容性直接決定著產(chǎn)品開發(fā)是否成功，決定著產(chǎn)品抗干擾能力的高低。要使電子電路獲得最佳性能，在進(jìn)行PCB設(shè)計時需要

21、深入分析PCB設(shè)計的一般原則及研究電磁兼容性設(shè)計的一般方法,常規(guī)的EMI控制技術(shù)一般包括：元器件的合理布局、連線的合理控制、電源線、接地、濾波電容的合理配置等。PCB的基材及PCB層的選擇、電子元件及電子元件的電磁特性、元件間互連線的長寬等都制約著PCB的電磁兼容性。 無論設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾發(fā)射還是受到外界干擾的影響，或者電路之間產(chǎn)生相互干擾，電路板都是問題的核心,1021 PCB材料的選擇與電磁兼容性 根據(jù)產(chǎn)品的實際需要及成本綜合考慮PCB層數(shù)的選擇，一般來說，多層板能夠較好地控制EMI，但太多的層也增大了電磁管理的難度。多層PCB的電磁兼容設(shè)計要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板

22、。這種方法有利于對絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場進(jìn)行有效管理,1022 集成電路芯片的電磁兼容問題 實際工作中，設(shè)計工程師通常認(rèn)為自己能夠接觸到的EMC問題就是PCB板級設(shè)計。然而在考慮EMI控制時，首先應(yīng)該考慮對集成電路芯片的選擇。 如果能夠深入了解集成電路芯片的內(nèi)部特征，可以簡化PCB和系統(tǒng)級設(shè)計中的EMI控制,1集成電路芯片的EMI來源 PCB中集成電路EMI的來源主要有：數(shù)字集成電路從邏輯高到邏輯低之間轉(zhuǎn)換或者從邏輯低到邏輯高之間轉(zhuǎn)換過程中，輸出端產(chǎn)生的方波信號頻率導(dǎo)致的EMI；信號電壓和信號電流電場和磁場；IC芯片自身的電容和電感等。 2IC封裝特征在電磁干擾控制中的作用 IC封裝通

23、常包括硅基芯片、一個小型的內(nèi)部PCB以及焊盤。硅基芯片安裝在小型的PCB上，通過綁定線實現(xiàn)硅基芯片與焊盤之間的連接，在某些封裝中也可以實現(xiàn)直接連接,1023 濾波設(shè)計 對于任何設(shè)備而言，濾波都是解決電磁干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。因為設(shè)備中的導(dǎo)線是效率很高的接收和輻射天線，設(shè)備產(chǎn)生的大部分輻射發(fā)射都是通過各種導(dǎo)線實現(xiàn)的。 濾波器可以抑制交流電源線上輸入的干擾信號及信號傳輸線上感應(yīng)的各種干擾。濾波器可分為交流電源濾波器、信號傳輸線濾波器和去耦濾波器,交流濾波器的安裝及布線直接影響濾波器的性能，在其安裝布線中應(yīng)注意以下幾點： (1)濾波器應(yīng)安裝在機(jī)柜底部離設(shè)備電源入口盡可能近的部位，并加以絕緣，不要讓未經(jīng)

24、過濾波器的電源線在機(jī)柜內(nèi)迂回。 (2)電源濾波器的外殼必須用截面積大的導(dǎo)線以最短的距離與機(jī)殼連為一體，并盡量使電源濾波器的接地點與機(jī)殼接地點保持最短的距離。 (3)機(jī)殼內(nèi)的其他電器或電磁開關(guān)等應(yīng)從濾波器的前端引線接到負(fù)載，或為這些干擾源單獨加裝濾波器,1024 電磁兼容設(shè)計中的布局與布線 PCB設(shè)計中的布局，是指PCB上電子元件及配件的排列方式。對PCB上元器件合理規(guī)劃安放是布線的基礎(chǔ)，原件布局不僅會影響PCB板上連接線的布通率，而且影響到PCB的電磁兼容性及整個產(chǎn)品的質(zhì)量。良好的電磁兼容設(shè)計依賴PCB設(shè)計工程師對于產(chǎn)品設(shè)計原理、布線規(guī)則、電磁兼容控制技術(shù)的深刻理解,在PCB設(shè)計中，布局是一個

25、復(fù)雜的工作，元器件布局的自動化程度仍然較低，人工干預(yù)的程度較高。 PCB中元器件的布局應(yīng)從兩個層面上考慮，一個是平面的，即通常在PCB設(shè)計中提到的PCB布局；另外一個是立體的元器件布局，既要考慮到元件的大小、所占空間，又要考慮到元器件的密度,電路板系統(tǒng)的布線包括：芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。 在PCB設(shè)計中，互連點處的電磁特性是工程設(shè)計面臨的主要問題之一，涉及器件安裝方法、布線的隔離以及減少引線電感的措施等,1高頻數(shù)字電路PCB的電磁兼容設(shè)計中的布局與布線 高頻數(shù)字電路PCB布線規(guī)則如下。 高頻數(shù)字信號線要用短線。 主要信號線最好集中在PCB板中心。 時鐘發(fā)

26、生電路應(yīng)在板中心附近，時鐘扇出應(yīng)采用菊鏈?zhǔn)交虿⒙?lián)布線。 電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開，電路的布局必須減小電流回路，電源的分布必須是低感應(yīng)的(多路設(shè)計,輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。 PCB導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的黏附強度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅 箔厚度為005 mm、寬度為115 mm時，通過2 A的電流，溫度不會高于3。因此，導(dǎo)線寬度為15mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選00203mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電

27、壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小至58mm,印刷線路板的布線要注意以下問題： 專用零伏線，電源線的走線寬度大于等于l mm； 電源線和地線盡可能靠近，整塊印刷板上的電源與地要呈“井”字形分布，以便使分布線電流達(dá)到均衡； 要為模擬電路專門提供一根零伏線；為減少線間串?dāng)_，必要時可增加印刷線條間距離，注意安插一些零伏線作為線間隔離,印刷電路的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離；特別注意電流流通中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸；如有可能在控制線(于印刷板上)的入口處加接R-C去耦，以便消除傳輸中可能出現(xiàn)的干擾因素； 印刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線不要突然拐角(90。)，傳輸線拐角要采用4

28、5。角，以降低回?fù)p,突出引線存在抽頭電感，要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。 在確定特殊元件的位置除遵循常規(guī)原則外，在電磁兼容性設(shè)計中還要遵循以下原則： 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件距離不能太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。 某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，避免放電引出意外短路,根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則： 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布

29、局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn),高速PCB的設(shè)計方法必須能夠處理在較高頻段處產(chǎn)生的較強電磁場效應(yīng)。這些電磁場能在相鄰信號線或PCB線上感生信號，導(dǎo)致令人討厭的串?dāng)_(干擾及總噪聲)，并且會損害系統(tǒng)性能?；?fù)p主要是由阻抗不匹配造成。 高回?fù)p有兩種負(fù)面效應(yīng)：一是信號反射回信號源會增加系統(tǒng)噪聲，使接收機(jī)更加難以將噪聲和信號區(qū)分開來；二是任何反射信號基本上都會使信號質(zhì)量降低，因為輸入信號的形狀出現(xiàn)了變化,2混合信號電路PCB的

30、電磁兼容設(shè)計中的布局與布線 混合信號電路PCB是指PCB中含有模擬電路和數(shù)字電路的PCB，混合信號電路PCB的設(shè)計很復(fù)雜，元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能,1)混合信號電路PCB的電磁兼容設(shè)計中的布線原則 遵守常規(guī)的布線規(guī)則。 在電路板的所有層中，數(shù)字信號只能在電路板的數(shù)字部分布線。在電路板的所有層中，模擬信號只能在電路板的模擬部分布線。 實現(xiàn)模擬和數(shù)字電源分割。布線不能跨越分割電源之間的間隙。必須跨越分割電源之間間隙的信號線要位于緊鄰大面積地的布線層上。分析返回地電流實際流過的路徑和方式,2)混合信號電路PCB的電磁兼容設(shè)計中的布局原則 將PCB分區(qū)為

31、獨立的合理的模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)。 遵循常規(guī)的元器件布局原則。 AD轉(zhuǎn)換器跨分區(qū)放置。 電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點，不要對地進(jìn)行分割，在電路板的模擬部分和數(shù)字部分下面敷設(shè)統(tǒng)一地,在混合信號電路PCB設(shè)計中采用統(tǒng)一地，通過數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號布線，通?？梢越鉀Q一些比較困難的布局布線問題，同時也不會產(chǎn)生因地分割帶來的一些潛在的麻煩。在這種情況下，元器件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計優(yōu)劣的關(guān)鍵。如果布局布線合理，數(shù)字地電流將限制在電路板的數(shù)字部分，不會干擾模擬信號,103 屏蔽與搭接設(shè)計 屏蔽就是對空間區(qū)域進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波的感應(yīng)和輻射。 具體講，就

32、是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散，防止外界電磁場的影響,電磁屏蔽的技術(shù)原理主要有兩種：一是反射，由于空氣和金屬屏蔽的電磁阻抗不同，使入射電磁電波產(chǎn)生反射作用。二是吸收，進(jìn)入金屬屏蔽內(nèi)的電磁波在金屬屏蔽內(nèi)傳播時，由于衰減而產(chǎn)生吸收作用。 屏蔽按機(jī)理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽,10-3-1 電場屏蔽 1屏蔽機(jī)理 將電場感應(yīng)看成分布電容間的耦合。一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地，使電力線在此終止，因而電場不會泄漏到屏蔽體外部。 2設(shè)計要點 （1）屏蔽板靠近受保護(hù)物，同時接地良好； （2）屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯

33、影響，全封閉的金屬盒最好，但工程中很難做 到； （3）電場屏蔽以反射為主，以良導(dǎo)體為好，屏蔽體的厚度不宜過大，而以結(jié)構(gòu)強度為主要 考慮因素,10-3-2 磁場屏蔽 磁場屏蔽通常是指對直流或低頻磁場的屏蔽，其效果比電場屏蔽和電磁場屏蔽要差得多。 1屏蔽機(jī)理 主要是依靠高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻，給低頻磁通提供一個閉合回路，將其限制在屏 蔽體內(nèi)，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場大為減弱。 2設(shè)計要點 （1）選用高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金： （2）增加屏蔽體的厚度，同時要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)，減小屏蔽體的磁阻,3）被屏蔽的物體不要緊靠屏蔽體，以盡量減小通過被屏蔽物體體內(nèi)的磁通； （4）注意屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，接縫、通風(fēng)孔

34、等均可能增加屏蔽體的磁阻，從而降低屏蔽效果； （5）對于強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)。 對要屏蔽外部強磁場的情況，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，如硅鋼；而內(nèi)部可選用容易達(dá)到飽和的高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金等。若需接地時，可選用非鐵磁材料(如銅、鋁)做支撐件,10-3-3 電磁場屏蔽 電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播的一種措施。 1電磁場屏蔽的機(jī)理 （1）當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產(chǎn)生反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)。 （2）未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰

35、減，也就是所謂的吸收,3）在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另_一表面時，遇到金屬一空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個金屬的交界面上可能有多次的反射。 總之，電磁屏蔽體對電磁的衰減，主要是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而消除高頻磁場干擾的。如果屏蔽體不完整，則渦流的效果降低，導(dǎo)致電磁場泄漏，屏蔽效果將大打折扣,2結(jié)構(gòu)材料 （1）適用于底板和機(jī)殼的材料大多數(shù)是良導(dǎo)體，如銅、鋁等，可以屏蔽電場。主要的屏蔽機(jī)理是反射信號而不是吸收。 （2）磁場的屏蔽需要鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵。主要的屏蔽機(jī)理是吸收而不是反射。 （3）

36、強電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場和磁場兩種成分一因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效率直接受材料的厚度以及搭接和接地方法好壞的影響。 （4）對于塑料殼體，應(yīng)在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在汽塑時摻入金屬纖維,10-3-4 搭接 1在底板和機(jī)殼的每一條縫隙和不連續(xù)處要盡可能好地搭接。保證接縫處金屬對金屬的接觸，以防止電磁能的泄漏和輻射。 2在可能的情況下，接縫應(yīng)焊接；在條件受限制的情況下，可用點焊、小間距的鉚接和用螺釘來固定。 3在不加導(dǎo)電襯墊時，螺釘間距一般應(yīng)小于最高工作頻率的1，至少不大于l20波長。 用釘或鉚接進(jìn)行搭接時，應(yīng)首先在縫的中部搭接好，然后逐漸向兩端延伸，以防金屬表面的彎曲，保證緊固有足

37、夠的壓力，以便在有變形應(yīng)力、沖擊、震動時保持表面接觸,4接縫不平整的地方或可移動的面板處，必須使用導(dǎo)電襯墊或指形彈簧材料。 5選擇高導(dǎo)電率的和彈性好的襯墊。選擇襯墊時要考慮結(jié)合處使用的頻率。選擇硬韌性材料做成的襯墊，以便劃破金屬上的任何表面。保證同襯墊材料配合的金屬表面沒有任何非導(dǎo)電保護(hù)層。 6當(dāng)需要活動接觸時，使用指形壓簧，并要注意保持彈性指簧的壓力。 7導(dǎo)電橡膠襯墊用在鋁金屬表面時，要注意電化腐蝕作用。純銀填料的橡膠將出現(xiàn)最嚴(yán)重的電化腐蝕。銀鍍鋁填料的導(dǎo)電橡膠是鹽霧環(huán)境下用于鋁金屬配合表面的最好襯墊材料,10-3-5 穿透和開口 1要注意由于電纜穿過機(jī)殼使整體屏蔽效能降低的程度。典型的未濾

38、波的導(dǎo)線穿過屏蔽體時，屏蔽效能降低30dB以上。 2電源線進(jìn)入機(jī)殼時，全部應(yīng)通過濾波器盒。濾波器的輸入端最好能穿出到屏蔽機(jī)殼外；若濾波器結(jié)構(gòu)不宜穿出機(jī)殼，則應(yīng)在電源線進(jìn)入機(jī)殼處專為濾波器設(shè)置一個隔離艙。信號線、控制線進(jìn)穿出機(jī)殼時，要通過適當(dāng)?shù)臑V波器。具有濾波插針的多芯連接器適于這種場合使用,10-3-5 穿透和開口 1要注意由于電纜穿過機(jī)殼使整體屏蔽效能降低的程度。典型的未濾波的導(dǎo)線穿過屏蔽體時，屏蔽效能降低30dB以上。 2電源線進(jìn)入機(jī)殼時，全部應(yīng)通過濾波器盒。濾波器的輸入端最好能穿出到屏蔽機(jī)殼外；若濾波器結(jié)構(gòu)不宜穿出機(jī)殼，則應(yīng)在電源線進(jìn)入機(jī)殼處專為濾波器設(shè)置一個隔離艙。信號線、控制線進(jìn)穿出

39、機(jī)殼時，要通過適當(dāng)?shù)臑V波器。具有濾波插針的多芯連接器適于這種場合使用,104 電源的電磁兼容設(shè)計 供電電源常由于負(fù)載的通斷過渡過程、半導(dǎo)體器件的非線性、脈沖設(shè)備及雷電的耦合等因素，而成為電磁干擾源。 在直流電源回路中，負(fù)載的變化會引起電源噪聲。當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓,1041 電源的噪聲 1電源噪聲的來源 在PCB中由電源和地造成的電磁兼容問題主要有兩種，一種是電源噪聲，即是在該數(shù)字電路系統(tǒng)中，DSP電路、CPU、動態(tài)存儲器件和其他數(shù)字邏輯電路在工作過程中邏輯狀態(tài)高速變換，造成系統(tǒng)電流和電壓變化而產(chǎn)生的噪聲，溫度變化時的直流噪聲

40、以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲等。另一種是地線噪聲，即在系統(tǒng)內(nèi)，如果在各部分的地線之間出現(xiàn)電位差或者存在接地阻抗便會引起接地噪聲,2電源噪聲的影響 在眾多的電子產(chǎn)品中大量地應(yīng)用了數(shù)字器件、模擬器件及數(shù)字模擬混合器件，如DSP芯片、CPU、動態(tài)RAM、DA變換器和其他數(shù)字邏輯器件等，當(dāng)設(shè)備工作時這些器件同時工作會使電路板內(nèi)的電源電壓和地電平波動，導(dǎo)致信號波形產(chǎn)生尖峰過沖或衰減震蕩，造成數(shù)字IC電路的噪聲容限下降，從而引起誤動作,1042 電源的電磁兼容設(shè)計方法 根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加大電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力,1采用

41、交流電源濾波器 由于交流電源濾波器是低通濾波器，不妨礙低頻電能的通過，而對高頻電磁干擾呈高阻狀態(tài)，有較強的抑制能力。 使用交流電源濾波器時，應(yīng)根據(jù)其兩端阻抗和要求的插入衰減系數(shù)選擇濾波器的型式。 要注意其承受電壓和導(dǎo)通電流的能力，屏蔽與機(jī)殼要電氣接觸良好，地線要盡量短，截面足夠大，進(jìn)出線要遠(yuǎn)離，而且濾波器應(yīng)盡量靠近供電電源,2采用電源變壓器加靜電屏蔽 由于電源變壓器一、二次側(cè)問存在分布電容，進(jìn)入電源變壓器一次側(cè)的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的二次側(cè)。在電源變壓器的一、二次側(cè)間增加靜電屏蔽后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容。 將屏蔽接地，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引入地，從而起

42、到抗電磁干擾的作用。靜電屏蔽應(yīng)選擇導(dǎo)電性好的材料，且首尾端不可閉合，以免造成短路,3脈沖電壓的吸收 對脈沖電壓的電磁干擾可以采用壓敏電阻、固體放電管或瞬態(tài)電壓抑制二極管來吸收。當(dāng)脈沖電壓吸收器件承受一個高能量的瞬態(tài)電壓脈沖時，其工作阻抗能夠立即降到很低，允許通過很大的電流、吸收很大的功率，從而將電壓鉗制在允許的范圍內(nèi),1043 電源供電電路設(shè)計中的退耦電容 電源供電電路電磁兼容設(shè)計的常規(guī)做法之一是在印制板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙?。退耦電容可以抑制因?fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，在安裝時應(yīng)緊靠IC相應(yīng)管腳或相應(yīng)電路焊接,退耦電容的一般配置原則是： 電源輸入端跨接10100uF的電解電容器。如有可

43、能，接100uF以上的更好。 原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個001 uF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每48個芯片布置一個110 uF的鉭電容。 對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間接入退耦電容。 電容引線不能過長，尤其是高頻旁路電容引線更應(yīng)短,在印制線路板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。一般R取12 k，C取2247uF。 CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。 使用邏輯電路時凡能不用高速邏輯電路的就不用；在電源與地之間加去耦電

44、容；注意長線傳輸中的波形畸變；用R-S觸發(fā)器作為按鈕與電子線路之間配合的緩沖,因為地線的阻抗總不會是零，當(dāng)一個電流通過有限阻抗時，就會產(chǎn)生電壓降。因此，應(yīng)該將地線上的電位想像為大海中的波浪一樣，此起彼伏。 許多電磁干擾問題是由地線產(chǎn)生的，因為地線電位是整個電路工作的基準(zhǔn)電位，如果地線設(shè)計不當(dāng)，地線電位就不穩(wěn)，就會導(dǎo)致電路故障。地線的電磁兼容設(shè)計的目的是要保證地線電位盡量穩(wěn)定，從而消除干擾現(xiàn)象,1051 地線的阻抗 地線的阻抗引起的地線上各點之間的電位差能夠造成電路的誤動作，用歐姆表測量地線的電阻時，地線的電阻往往在毫歐姆級，電流流過這么小的電阻時為什么會產(chǎn)生這么大的電壓降，導(dǎo)致電路工作的異常,

45、要明白這個問題，首先要區(qū)分開導(dǎo)線的電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。 任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻，表10-5-1給出的數(shù)據(jù)說明了這個問題。在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。 對于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響是較大的,如果將10 Hz時的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，可以看出當(dāng)頻率達(dá)到10 MHz時，對于1 m長導(dǎo)線，它的阻抗是直流電阻的1000倍至10萬

46、倍。 因此對于射頻電流，當(dāng)電流流過地線時，電壓降是很大的。 增加導(dǎo)線的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減少交流阻抗的作用很有限。在電磁兼容中，人們最關(guān)心的交流阻抗。 為了減少交流阻抗，一個有效的辦法是多根導(dǎo)線并聯(lián),當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時，它們之間的互感很小，總電感相當(dāng)于單根導(dǎo)線電感的一半。 因此可以通過多條接地線來減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線之間的距離不能過近,1052 地線的干擾機(jī)理 由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時，這個電壓可以很大。例如附近有大功率電器啟動時，會在地線中流過很強的電流。這個電流會在兩個設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電壓。由于電路

47、的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。由于這種干擾是電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場感應(yīng)出來,公共阻抗干擾，當(dāng)兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制。 這樣一個電路中的信號會耦合進(jìn)另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。 公共阻抗耦合，在數(shù)字電路中，由于信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。 這時，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問題,1053 地線干擾對策 1地環(huán)路對策 從地環(huán)路干擾的機(jī)理可知，只要減少地環(huán)路中的電流就能減少地環(huán)路干擾。 如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問題。 因