PCB的電磁兼容設(shè)計課件

第六章PCB的電磁兼容設(shè)計

地線和電源線上的噪聲Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅(qū)動電路ICCI驅(qū)動I充電I放電IgVg電源線、地線噪聲電壓波形輸出ICCVCCIgVg線路板走線的電感L=0.002S(2.3lg(2S/W))+0.5HWSL=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若：L1=L2L=(L1+M)/2MII地線網(wǎng)格地線網(wǎng)格：在雙層板的兩面布置盡量多的平行地線，一面水平線，另一面垂直線，然后在它們交叉的地方用過孔連接起來。雖然從上面的分析中知道：平行導(dǎo)體的距離遠(yuǎn)些，減小電感的作用更大，但是考慮到每個芯片的近旁應(yīng)該有地線，往往每隔1~1.5cm布一根地線。地線網(wǎng)格的制作方法：制作地線網(wǎng)格的一個關(guān)鍵是在布信號線之前布地線網(wǎng)格，否則是十分困難的。盡管地線要盡量寬，但是除了作為直流電源主回路的地線由于要通過較大的電流，需要有一定的寬度外，地線網(wǎng)格中的其它導(dǎo)線并不需要很寬，即使有一根很窄的導(dǎo)線，也比沒有強。電源去耦電容的正確布置盡量使電源線與地線靠近去耦電容的選擇C=dIdtdVZf1/2LC各參數(shù)含義：在時間dt內(nèi)，電源線上出現(xiàn)了瞬間電流dI，dI導(dǎo)致了電源線上出現(xiàn)電壓跌落dV。最小容量：儲能電容的容量太小時，同樣不能達(dá)到預(yù)期的效果。但這是因為儲能不足造成的。儲能電容的最小容量用下面公式計算：C=dIdt/dV式中，dV是在時間dt內(nèi)，瞬變電流dI造成的電壓瞬間跌落。這個公式僅是概念性的，在實踐中，常常采用試驗的方法確定最佳電容值。根據(jù)試驗，對14和16腳的芯片，470~1000pF的電容具有最好的效果。儲能電容的種類：與濾波電容相同，要選擇低電感的高頻電容。例如瓷片電容或獨石電容。噪聲電壓控制的目標(biāo)：應(yīng)設(shè)法使地線上任何兩點的噪聲電壓，電源線對地的噪聲電壓，小于500mV。線路板的兩種輻射機理差模輻射共模輻射電流環(huán)桿天線輻射源：線路板的輻射主要產(chǎn)生于兩個源，一個是PCB走線，另一個是I/O電纜。根據(jù)輻射驅(qū)動電流的模式，輻射分為差模輻射和共模輻射兩種。

差模輻射：電路工作電流在信號環(huán)路中流動，這個信號環(huán)路會產(chǎn)生電磁輻射。由于這種電流是差模的，因此信號環(huán)路產(chǎn)生的輻射稱為差模輻射。

共模輻射：當(dāng)傳輸信號的導(dǎo)體的電位與鄰近導(dǎo)體的電位不同時，在兩者之間就會產(chǎn)生電流。即使兩者之間沒有任何導(dǎo)體連接，高頻電流也會通過寄生電容流動。這種電流稱為共模電流，它所產(chǎn)生的輻射稱為共模輻射。在電子設(shè)備中，電纜的輻射主要以共模輻射為主。電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射近場區(qū)內(nèi):H=IA/(4D3)A/m

E=Z0IA/(2D2)V/mZW=Z0（2D/）遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi):H=IA/(2D)A/m

E=Z0

IA/(2D)V/mZW=Z0=377AI隨頻率、距離增加而增加Z0

f、D實際電路的輻射ZGZLVZC=ZG+ZL近場：ZC7.9DfE=7.96VA/D3（V/m）ZC7.9Df，E=63IAf/D2（V/m）H=7.96IA/D3（A/m）遠(yuǎn)場：E=1.3IAf2/D（V/m）H=E/(120π)（A/m）環(huán)路面積=A~I常用的差模輻射預(yù)測公式考慮地面反射時：E=2.6IAf2/D（V/m）脈沖信號差模輻射的頻譜頻譜包絡(luò)線差模輻射頻率特性線脈沖的差模輻射包絡(luò)線

1/d1/tr40dB/decfff-20dB/dec-40dB/dec

E=2.6IAf2/DEdB=20lg（2.6IA/D）+40lgf40dB/dec20dB/dec幾點說明說明1：表中僅對單個環(huán)路的輻射進(jìn)行了計算，如果n個環(huán)路的信號頻率相同，則它們輻射的頻率也相同，強度疊加，則總輻射正比于n。因此，在設(shè)計電路時，盡量避免使用同一個時鐘來獲得不同的同步信號。如果，各個環(huán)路中電流的頻率不同，則沒有疊加的關(guān)系。說明2：絕不意味著只要電路滿足了這個條件（多個環(huán)路時，考慮疊加），PCB就能滿足EMI指標(biāo)要求。因為線路板的輻射不僅有差模輻射，還有共模輻射。而共模輻射往往比差模輻射更強。說明3：如果線路板上某個環(huán)路不滿足這些條件，則PCB肯定會產(chǎn)生超標(biāo)電磁輻射。如何減小差模輻射？E=2.6IAf2/D低通濾波器布線減小差模電流I：在保證電路功能的前提下，盡量使用低功耗的芯片。當(dāng)較長的導(dǎo)線上有較大的電流時，用緩沖器減小電流。降低頻率f：當(dāng)電路功能允許時，盡量使用低速芯片。因此降低電路的頻率的做法在許多場合是受到限制的。關(guān)于降低電路的頻率，要用如下的概念來理解：1延長上升時間2濾除1/tr頻率以上的頻率控制差模電流的環(huán)路面積：通過減小信號環(huán)路面積能夠有效地減小環(huán)路的輻射。控制信號環(huán)路面積從兩個方面入手，一個是在選用芯片時盡量選用大規(guī)模集成電路，表面安裝形式的芯片，不使用安裝座等，另一方面，在線路板布線時，盡量控制信號回路的面積。電流回路的阻抗~LRIZ=R+jLL=/I

A~單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積減小回路面積的方法：一種簡單的方法是在關(guān)鍵信號線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射和對外界干擾的敏感度。根據(jù)前面的分析，當(dāng)在信號線的旁邊加一條地線后，就形成了一個面積最小的回路，信號電流肯定會取道這個回路，而不是其它地線路徑。如果是雙層線路板，可以在線路板的另一面，緊靠近信號線的下面，沿著信號線布一條地線，地線盡量寬些。這樣形成的回路面積等于線路板的厚度乘以信號線的長度。隨便設(shè)置的地線沒有用在線路板上沒有布線的地方全部鋪上地線是EMC設(shè)計嗎？多層板能減小輻射信號1電源層地線層信號2低頻高頻DC~0.51101001G110地線面的阻抗，m/平方地線面具有很小的地線阻抗地線面上的縫隙的影響模擬地數(shù)字地A/D變換器L75mm25mmL:0~10cmVAB:15~75mVAB線路板邊緣的一些問題關(guān)鍵線（時鐘、射頻等）產(chǎn)生較強輻射無地線電源層地線層20H扁平電纜的使用地線一部分信號回流經(jīng)過ABCDABCD最好較好差較好，但端接困難扁平電纜這兩處都有地線共模電流的測量電流卡鉗頻譜分析儀VdBVICM被測電流IV傳輸阻抗：ZT=V/I怎樣減小共模輻射

E=1.26

ILf/D共模濾波共模扼流圈減小共模電壓使用盡量短的電纜共模濾波電纜屏蔽電纜長度控制：減小共模電流：1增加共模電流環(huán)路的阻抗；2減小共模電壓阻抗減少電纜上的高頻共模電流屏蔽電纜：平衡接口電路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2增加共?；芈返淖杩筆CBPCB共模回路改善量=20lg(E1/E2)=20lg(ICM1/ICM2)=20lg[(VCM/ZCM1)/(VCM/ZCM2)]=20lg(ZCM2/ZCM1)

=20lg(1+ZL/ZCM1

)dBI/O接口布線的一些要點干凈區(qū)域濾波電容電源線連接地線連接信號濾波器隔離變壓器/光耦隔離器橋壕溝時鐘電路、高速電路濾波器電容量的選擇R負(fù)載R源電容合適電容過大低速接口10~100kB/s高速接口2MB/s低速CMOSTTL上升時間tr0.5~1s50ns100ns10ns帶寬BW320kHz6MHz3.2MHz32MHz總阻抗R120100300100~150最大電容C2400pF150pF100pF30pF不同屏蔽層的傳輸阻抗1021031041051061071080.0010.010.1110100100010000傳輸阻抗（m/m）Hz鋁箔單層編織最佳單層編織雙層編織雙層編織+一層金屬雙層編織+雙層金屬實心銅屏蔽層的錯誤接法CM電纜屏蔽層的正確端接利用機械力將屏蔽層壓緊金屬連接器護(hù)套指形簧片護(hù)套與屏蔽層端接導(dǎo)