（電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)論文）高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析.pdf

摘要 摘要 隨著高速數(shù)字電路的時(shí)鐘速率的不斷提高 對(duì)電源地系統(tǒng) p o w e r g r o u n d p l a n e s 也提出了新的要求 在多層印制電路板 p c b 中 時(shí)鐘諧波的波長(zhǎng)跟電 源地的尺寸可以比擬 以往與p c b 尺寸相關(guān)被業(yè)界忽視的諧振問(wèn)題日益受到重視 電源地平面除了為數(shù)字電路提供直流電壓外還作為邏輯開關(guān)動(dòng)作的參考電平 因此 電源地平面上產(chǎn)生的任何噪聲都直接影響了信號(hào)的質(zhì)量 從而降低了電路 的可靠性 除此之外 這些噪聲還降低了電路的抗干擾能力 提高了輻射 尤其 是發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振時(shí) 輻射更為嚴(yán)重 這對(duì)提高產(chǎn)品的e m c 性能極為不利 另外 當(dāng)在p c b 中加載元器件時(shí)會(huì)影響電源地間的電場(chǎng)分布 從而也必將影響電源地平 面的輻射特性 這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能否準(zhǔn)確快速的預(yù)測(cè)諧振輻射對(duì)縮短開發(fā)周 期 節(jié)約設(shè)計(jì)成本具有十分重要的意義 本文結(jié)合電源完整性 p i 仿真 首先對(duì)高 速數(shù)字電路互連設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用的電容的高頻特性做了研究 提出了鉭電容的準(zhǔn) 確s p i c e 模型 應(yīng)用m o n t ec a r l o 法對(duì)陶瓷電容和鉭電容的s p i c e 模型作了優(yōu)化 建立了可以直接為c a d e n c e 的電源完整性仿真流程應(yīng)用的s p i c e 電容模型庫(kù) 用 等效磁流法計(jì)算了規(guī)則電源地裸板平面 加載電容的規(guī)則電源地平面 非規(guī)則電 源地裸板平面以及加載電容的非規(guī)則電源地諧振輻射 結(jié)果與用三維全波仿真求 解器的結(jié)果作了對(duì)比 結(jié)果顯示在保證一定的工程精度的前提下能夠很快預(yù)測(cè)電 源地的諧振輻射特性 關(guān)鍵詞 電源地系統(tǒng)印制電路板電源完整性s p i c e 模型 a b s t r a c t n 地r a p i di n c r e a s eo f c l o c ks p e e d si nd i g i t a lc i r c u i t si sp l a c 噸n e wr e q u i r e m e n t so n t h ei m p e d a n c eo fp o w e rs u p p l ys y s t e m s w a v e l e n g t h so fc l o c kh a r m o n i c sa r cb e c o m i n g c o m p a r a b l ew i t hd i m e m i o u so fp o w e rs u p p l yp l a n e su s e di nm u l t i l a y e r e dp c b s r e s o n a n tm o d e sa s s o c i a t e dw i t hp c bd i m e n s i o n s w h i c hp r e v i o u s l yw e r eo fn o c o n c e r n a r en o wa p p e a r i n gw i t h i nt h ef r e q u e n c ys p e c t r m no f m o d e ml o g i cf a m i l i e s p o w e rs u p p l yp l a n e sn o to n l yp r o v i d ed cv o l t a g et od i g i t a lc i r c u i t s b u ta l s os a r v e a sar e f e r e n c ep o t e n t i a lf o rs w i t c h i n g a n yn o i s eo rr i n g i n go nt h es u p p l yp l a n e s c o m p r o m i s e ss i g n a li n t e g r i t ya n dr e d u c e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec i r c u i t s s u c hd n g i n g a l s od e g r a d e st h ec i r c u i t s i m m u n i t yt o e x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e sa n d i n c r e a s e si t se m i s s i o n e s p e c i a l l yw h e nr e s o u a n c eo c c u r s t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n o fp c b si st h em o s ti m p o r t a n t i ti sv e r yb a dt oi n c r e a s et h ep r o d u c t s e m c s o i ti s v e r ys i g n i f i c a t i v eh o wt op r e d i c tf a s td i r e c tr a d i a t i o nf r o mt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo f t h e i rp r i n t e dc i r c u i t sb o a r d s i nt h ep a p e rf i r s to f a l l t h eh i g h f r e q u e n c yb e h a v i o ro f t h e c a p a c i t o rw h i c hw i d e l ye m p l o y e di sa n a l y z e dc o m b i n e d 州t l lt h es i m u l a t i o no fp o w e r i n t e g r i t y d a n dt h e nw ei n t r o d u c e dt h es p i c em o d e l sf o rb o t ht a c a p a c i t o r sa n d c e r a m i cc a p a c i t o r s 塒t 1 1m o n t ec a r l om e t h o d i tt h e np r e s e n tt h ee q u i v a l e n tf l u x m e t h o dt op r e d i c tc o m m o nm o d er a d i a t i o na n dp o w e rg r o u n dp l a n e sr e s o n a n c eb a s e d o nc i r c u i t sa n a l y s i sa n d2 d i m e n s i o n a lt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r i e s 1 1 1 em e t h o d sa 豫a l s o v e r i f i e db yf u l lw a v ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s p l a n em o d e ls i m u l a t i o n n 他 a p p r o a c hs i m p l i f i e st h ec o m p l i c a t e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np r o c e s so fu s i n g3 df u l l w a v ef i e l ds o l v e r w h i l es t i l lp r o d u c e sg o o dr e s u l t s k e yw o r d s p o w e r g r o u n dp l a n e s p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s p o w e ri n t e g r i t y s p i c e m o d e l 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外 論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果 也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了躅確的說(shuō)明并表示了謝意 本人簽名 刎魚 1 一 目期 扣 6 u 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有 權(quán)保留送交論文的復(fù)印件 允許查閱和借閱論文 學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿?分內(nèi)容 可以允許采用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文 保密的論文在解密 號(hào)遵守此規(guī)定 本人簽名 亟l 藍(lán) 日期型 型 導(dǎo)師簽名 日期洲b 第一章緒論 第一章緒論 1 1 前言 在印刷電路板 p c b 的設(shè)計(jì)過(guò)程中所采取的電磁兼容 但m c 措旌與數(shù)熱控制 是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的一個(gè)重要問(wèn)題 電子產(chǎn)品的電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于電路設(shè) 計(jì)師和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師而言固然是頭等重要的事情 但對(duì)于產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)師而言 電磁兼容與散熱性能也是電子產(chǎn)品的重要品質(zhì)因素 超標(biāo)的電磁輻射是一種電磁 污染 如同自然環(huán)境的污染一樣 電磁干擾 e m i 與局部過(guò)熱等現(xiàn)象最終會(huì)影響產(chǎn) 品的使用性能 由于有關(guān)電子產(chǎn)品的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施 對(duì)于產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì) 師而言 產(chǎn)品的電磁兼容與散熱性能是產(chǎn)品自身的系統(tǒng)問(wèn)題之一 在國(guó)外 電磁兼容的研究開展得比較好 有些大學(xué)有自己的e m c 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室 對(duì)系統(tǒng)的校驗(yàn)有獨(dú)到的研究 有一些教授專門從事數(shù)值計(jì)算方面的研究與開發(fā) 大的電子公司有自己的e m c 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和研究人員 儀表廠家能夠提供合適的 e m c 測(cè)試系統(tǒng) 軟件廠家能夠提供一些先進(jìn)的e m c 與散熱分析e d a 插件 與 p c b 的e d a 工具協(xié)調(diào)工作 國(guó)內(nèi)的e m c 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室全是從國(guó)外公司引進(jìn)的 p c b 的e d a 軟件與有關(guān)插件也全是從國(guó)外公司購(gòu)買的 由此可以看出 在e m c e m i 方面 國(guó)內(nèi)要比國(guó)外在總體上落后很多 無(wú)論是硬件與軟件 還是研究人員與電 路工程師 或是大學(xué)的e m c 課程教育 在國(guó)內(nèi) 有些大學(xué)有從事e m c 的研究人員 但更多的缺乏完備的e m c 實(shí)驗(yàn) 室 而有些大的公司有自己的e m c 實(shí)驗(yàn)室 但缺乏足夠的e m c 電路工程師與研 究人員 因此 無(wú)論是e m c 的研究 還是e m c 的工程開發(fā)與應(yīng)用 在目前的條 件下都不能發(fā)揮到最好 為了很好地解決電子產(chǎn)品中的e m i 問(wèn)題 需要一個(gè)完備的e m c e m i 測(cè)試系 統(tǒng) 相關(guān)的e d a 插件工具 e m c 工程師和e m c 的工程經(jīng)驗(yàn) 另外 也需要與電 路設(shè)計(jì)師和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的協(xié)調(diào)工作 總之 電子產(chǎn)品的e m c 是一個(gè)系統(tǒng)而又復(fù)雜 的問(wèn)題 涉及的方方面面很多 比如對(duì)于電磁輻射 如果已有一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng) 最好配備一個(gè)e m i 的近場(chǎng)診斷掃描設(shè)備 電磁輻射干擾是e m c 的一個(gè)主要方面 也是電子產(chǎn)品在e m c 測(cè)試過(guò)程中存 在的一個(gè)困擾 電路工程師往往對(duì)此無(wú)可奈何 因此 本文對(duì)于p c b 的電磁輻射 作了深入系統(tǒng)的研究 通過(guò)采用等效磁流法對(duì)高速數(shù)字電路的電磁輻射進(jìn)行了分 析 此方法將電源完整性和e m c e m i 結(jié)合起來(lái) 大大提高了處理問(wèn)題的效率 1 2 電磁兼容介紹 電磁兼容 e m c e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 對(duì)于設(shè)備或系統(tǒng)的性能指 2 高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 標(biāo)來(lái)說(shuō) 直譯為 電磁兼容性 但作為一門學(xué)科來(lái)說(shuō) 應(yīng)譯為 電磁兼容 美國(guó)i e e e 學(xué)報(bào)t r a n s a c t i o nr f l 分冊(cè)于1 9 6 4 年更名為e m c 分冊(cè) 若以此作為電磁兼容學(xué)科 形成的標(biāo)志 距今己4 0 年了 4 0 年來(lái) 電磁兼容的基礎(chǔ)不斷深化 內(nèi)容不斷發(fā)展 范圍不斷完善 電磁兼容是研究在有限的空間 時(shí)間和頻譜資源等條件下 各種用電設(shè)備 廣 義上還包括生物體 可以共存 并不致引起降級(jí)的 f 學(xué)科 電磁兼容性是指設(shè)備 或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作 并不對(duì)環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁 騷擾的能力 它有以下三方面的含義 1 1 電磁環(huán)境應(yīng)是給定的或可預(yù)期的 2 設(shè)備 分系統(tǒng)或系統(tǒng)不應(yīng)產(chǎn)生超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或所規(guī)定的電磁騷擾發(fā)射 e m i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 限值要求 電磁騷擾發(fā)射就是從騷擾源向外發(fā)出電磁 騷擾能量的現(xiàn)象 它是引起電磁騷擾的原因 3 設(shè)備 分系統(tǒng)或系統(tǒng)應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的電磁敏感性 e m s e l e c t r o m a g n e t i c s u s e e p t i b i l i t y 寢值或抗擾度 i m m u n i t y 限值的要求 電磁敏感性 即在存在電磁騷 擾的情況下 設(shè)備 分系統(tǒng)或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力 抗擾度即設(shè)備 分 系統(tǒng)或系統(tǒng)面臨電磁騷擾不降低運(yùn)行性能的能力 目前國(guó)際上研究電磁兼容技術(shù)的組織p 1 很多 各有關(guān)國(guó)際組織也紛紛成立 現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下 l 國(guó)際電工委員會(huì) m c1 i e c 主要是各國(guó)民間制造商組成的關(guān)于電氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的國(guó)際組織 有2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 化技術(shù)委員會(huì) 國(guó)際電磁兼容委員會(huì) t c 7 7 下設(shè)3 個(gè)分會(huì) 國(guó)際無(wú)線電干擾特 別委員會(huì) c i s p r 下設(shè)7 個(gè)分會(huì) 另外 i e c 中還有幾十個(gè)產(chǎn)品委員會(huì)關(guān)注電磁 兼容問(wèn)題 如t c 6 5 i 業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制技術(shù)委員會(huì) 制定了i e c 8 0 1 工業(yè)過(guò)程測(cè) 量和控制裝置的電磁兼容性 f 即i e c 6 1 0 0 0 4 截止到1 9 9 7 年 i e c t c 7 7 已發(fā) 布2 7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 其中2 3 個(gè)是i e c 6 1 0 0 0 系列標(biāo)準(zhǔn) 2 國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) c i s p 鼬 c i s p r 下設(shè)于國(guó)際電工委員會(huì) i e c 1 9 3 4 年6 月 c i s p r 在巴黎召開了第一 次會(huì)議 參加成員有 i e c 國(guó)際廣播協(xié)會(huì)叫i r 國(guó)際無(wú)線電通信咨詢委員會(huì) c c i r 國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 c i g r e 國(guó)際鐵路與電車協(xié)會(huì) i u r t c i s p r 成立后 首先在e m i 準(zhǔn)峰值檢波測(cè)試方法 干擾限值標(biāo)準(zhǔn)與抑制技術(shù) 上進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究 在電子設(shè)備與電氣設(shè)備相互之間如何處理電磁兼容與互不 干擾方面取得了進(jìn)展 c i s p r 己經(jīng)頒布 出版了2 8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 3 第5 第6 研究組 i t u t 第5 研究組定期召開會(huì)議 它的研究成果為k 系列建議 到日前為為止已經(jīng) 出版了k 1 k 4 0 其內(nèi)容涉及到過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù) 電信大樓的連接與接地 電信 第一牽緒論 3 設(shè)備電磁環(huán)境條件 電信安裝中高頻e m c 抑制技術(shù) 通信局站的防雷 大型物理 系統(tǒng)射頻發(fā)射測(cè)試 人體電磁感應(yīng)的安全限值 感應(yīng)雜波等 4 跨國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)電磁兼容專業(yè)委員會(huì) i e e e e m c 美國(guó)無(wú)線電工程師學(xué)會(huì) i r e 于1 9 5 7 年成立了射頻干擾專業(yè)學(xué)組 1 9 5 9 年召 開了學(xué)術(shù)討論會(huì) 同年射頻干擾學(xué)組改名為電磁兼容專業(yè)學(xué)組并召開了首屆電磁 兼容學(xué)術(shù)討論會(huì) 1 9 6 3 年無(wú)線電工程師學(xué)會(huì)與美國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)和美國(guó)電子工 程師學(xué)會(huì) a i e e 合并 成立跨國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì) i e e e 在全世界發(fā)展會(huì)員 1 9 6 4 年跨國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)將無(wú)線電工程師學(xué)會(huì)的射頻干擾學(xué)報(bào)改為跨國(guó)電 氣電子工程師學(xué)會(huì)電磁兼容學(xué)報(bào) 1 9 7 8 年電磁兼容學(xué)組改為電磁兼容專業(yè)委員會(huì) 自1 9 5 9 年以來(lái) 每年召開電磁兼容學(xué)術(shù)討論會(huì) 該專業(yè)委員會(huì)創(chuàng)辦電磁兼容學(xué)報(bào) 其宗旨包括 a維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) b即時(shí)發(fā)表權(quán)威性文章 c介紹學(xué)會(huì)所關(guān)心的各個(gè)領(lǐng)域的新發(fā)展 專欄有e m c 標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)量技術(shù) 電纜與接地 屏蔽與濾波 設(shè)備電磁兼容 系統(tǒng)電 磁兼容 天線與傳播 頻譜利用 電磁脈沖 雷電 輻射與危害 沃爾什函數(shù)等 我國(guó)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)是1 9 8 6 年成立的 全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) 委員會(huì) 其前身是1 9 8 0 年成立的 全國(guó)無(wú)線電干擾聯(lián)合工作組 1 9 9 7 年國(guó)家技 術(shù)監(jiān)督局標(biāo)準(zhǔn)化司又組織成立了 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工作組 以統(tǒng)一組織 規(guī)劃 和協(xié)調(diào)c i s p r i e c 7 7 i e c 等國(guó)內(nèi)各個(gè)組織的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作 2 0 0 0 年2 月該工作組更名為 全國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) 日前 全國(guó)無(wú)線電干擾 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)己經(jīng)制定了4 4 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 正在制定的標(biāo)準(zhǔn)有1 1 項(xiàng) 1 3 電磁兼容國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1 有關(guān)e m c 發(fā)展的技術(shù)法規(guī) 在e m c 技術(shù)法規(guī)上 歐盟 1 5 國(guó) 1 9 8 9 年率先制定了8 9 3 3 6 e e c 指令 4 1 各會(huì) 員國(guó)間電磁兼容產(chǎn)品有關(guān)法律的調(diào)和 此后又經(jīng)過(guò)兩次修改 即9 2 1 3 2 e m c 及 9 3 6 8 e m c 規(guī)定自1 9 9 6 年1 月1 日起電氣和電子產(chǎn)品都必須符合e m c 標(biāo)準(zhǔn) 并 加貼c e 標(biāo)志后才能在歐盟市場(chǎng)上銷售 違者將被責(zé)令從市場(chǎng)收回并重罰 此舉在 世界范圍影響極大 其他國(guó)家若不采取相應(yīng)的措施無(wú)疑將形成新的國(guó)際貿(mào)易技術(shù) 壁壘 e m c 指令的基本要點(diǎn)有兩個(gè)方面 7 1 電磁騷擾要求設(shè)備產(chǎn)生的騷擾不能超過(guò)某一電平 在此電平下 無(wú)線 電 電信設(shè)備以及其它的設(shè)備 都能按其本身的功能正常操作而不受影響 4 高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 2 抗干擾性要求設(shè)備有適當(dāng)?shù)目垢蓴_性 即要求設(shè)備在其所處的電磁環(huán) 境中能以其本身性能正常運(yùn)行 e m c 指令的主要對(duì)象是 家用聲音和電視接收機(jī) 工業(yè)制造設(shè)備 移動(dòng)無(wú)線 電設(shè)備 移動(dòng)收音機(jī)及商用無(wú)線電話設(shè)備 醫(yī)療及科學(xué)設(shè)備 信息技術(shù)設(shè)備 一 般電器及家用電子設(shè)備 光源和熒光燈具 航空及航海用無(wú)線電設(shè)備 教育用電 子設(shè)備 電信網(wǎng)絡(luò)及儀器等 與此同時(shí) 也要求這些設(shè)備與系統(tǒng)具有適當(dāng)?shù)目垢?擾性 e m c 指令適用的范圍包括 在歐共體領(lǐng)域中出傳或適甩的產(chǎn)品以及歐共體內(nèi) 生產(chǎn)的新產(chǎn)品或由第三國(guó)進(jìn)口的新產(chǎn)品或二手貨 產(chǎn)品類型包括所有的電子和電 器產(chǎn)品 包括含有電子 電器零件的儀器 裝備以及直接上市買賣的所有易于產(chǎn) 生電磁干擾的影響的設(shè)備 因此 e m c 指令適用范圍十分廣闊 e m c 指令涉及的國(guó)家包括1 5 個(gè)歐共體成員國(guó)和歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟 e f t a 的瑞 士 娜威 冰島3 個(gè)國(guó)家 共1 8 個(gè)國(guó)家 向歐洲輸出產(chǎn)品的美國(guó) 日本和我國(guó)也 受其制約 美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)f c c f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n 頒布了 一些有關(guān)e m c 的法規(guī) 并進(jìn)行這方面的管理 對(duì)于通訊發(fā)射機(jī) 接收機(jī) 電視機(jī) 計(jì)算機(jī) 各種醫(yī)療設(shè)備均有相應(yīng)的法規(guī)要求 任何想出口到美國(guó)的這些設(shè)備必須 取得f c c 的某種形式的認(rèn)可 否則就違反美國(guó)的法律 嚴(yán)峻的形式加快了我國(guó)電磁兼容的理論研究 特別是e m c 標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證工作 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1 9 9 6 年2 月在北京召開了 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證研討會(huì) 3 月在 廣州召開了 9 6 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證研討會(huì) h 月在上海召開了e m c 認(rèn)證專家 咨詢工作組會(huì)議 提出我國(guó)e m c 認(rèn)證的模式 程序和方案等初步設(shè)想 國(guó)家進(jìn)出 口檢驗(yàn)檢疫局和對(duì)外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)合作部在1 9 9 8 年1 2 月聯(lián)合發(fā)布 關(guān)于對(duì)六種進(jìn)口商 品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)檢的通知 決定自1 9 9 9 年1 月1 日起對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī) 顯示器 打印機(jī) 開關(guān)電源 音響六種進(jìn)口商品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)制檢測(cè) 這標(biāo)志著我國(guó)已 經(jīng)開始對(duì)電氣和電子產(chǎn)品實(shí)旌電磁兼容檢驗(yàn) 9 0 年代中期 國(guó)家環(huán)保局加強(qiáng)了電 磁輻射環(huán)境的保護(hù)和管理 1 9 9 7 年3 月2 5 日發(fā)布了第1 8 號(hào)國(guó)家環(huán)保局令 電磁 輻射環(huán)境保護(hù)管理辦法 近年來(lái)先后對(duì)北京電視塔 上海東方明珠電視塔和天津 的天塔三座大功率電視發(fā)射塔進(jìn)行了環(huán)境評(píng)審 1 9 9 7 年7 月開始了全國(guó)電磁輻射 環(huán)境污染源調(diào)查 在我國(guó) 對(duì)于電氣產(chǎn)品的e m c 質(zhì)量控制與管理遵循 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化 法 中華人民共和國(guó)產(chǎn)品質(zhì)量法 中華人民共和國(guó)進(jìn)出口產(chǎn)品檢驗(yàn)法 建 設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)管理辦法 中華人民共和國(guó)進(jìn)出口船舶登記法規(guī) 和 進(jìn)口機(jī) 電產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化管理辦法 等有關(guān)法律和法規(guī) 第一章緒論 1 3 2e m c 國(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) e m c 標(biāo)準(zhǔn)的制定與執(zhí)行是e m c 研究的重要內(nèi)容 c i s p r 出版物是e m c 中 最具影響力的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng)前的c i s p r 出版物標(biāo)號(hào)為c i s p r l o c i s p r 2 5 i e c 的標(biāo)準(zhǔn)也是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 其著名的標(biāo)準(zhǔn)是i e c 6 1 0 0 0 由于歐共體的8 9 3 6 6 e e c 電磁 兼容指令 使得歐共體的e m c 標(biāo)準(zhǔn)地位得以提高 其編號(hào)前加以 e n 標(biāo)志 實(shí)際 上歐洲標(biāo)準(zhǔn)可以與i e c 標(biāo)準(zhǔn)完全對(duì)應(yīng) 國(guó)際上的e m c 標(biāo)準(zhǔn)體系見圖1 1 所示 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)不涉及具體產(chǎn)品 它就現(xiàn)象 環(huán)境 試驗(yàn) 測(cè)量方法 實(shí)驗(yàn)儀器和基本實(shí)驗(yàn)裝置給出定義和描述 這類標(biāo)準(zhǔn)不 給出指令性的限值 也不包括判定試品性能的直接判據(jù) 但基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是編制其他 各級(jí)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ) 圖1 1 國(guó)際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系1 4 1 通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)給定環(huán)境中的所有產(chǎn)品提出一系列最低的電磁兼容性要求 通用標(biāo) 準(zhǔn)中所給定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 試驗(yàn)要求 可以成為產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)和專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)編制的 導(dǎo)則 同時(shí)對(duì)那些暫時(shí)還沒(méi)有相應(yīng)產(chǎn)品族 或?qū)Ｓ卯a(chǎn)品 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品 可使用通用標(biāo) 準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn) i e c 6 1 0 0 0 6 2 4 是a 類所適用的環(huán)境 i e c 6 10 0 0 6 1 3 是b 類所適用的環(huán)境 產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)特定的產(chǎn)品類別 規(guī)定了對(duì)這些類別產(chǎn)品的電磁兼容性要求 包括電磁發(fā)射和抗擾度 及詳細(xì)的測(cè)量方法 除c i s p r 和i e c 制定的e m c 標(biāo)準(zhǔn)外 還有一些國(guó)家制定的e m c 標(biāo)準(zhǔn) 如美國(guó)軍方m i l s t d 4 6 0 標(biāo)準(zhǔn) 美國(guó)的f c c 標(biāo) 準(zhǔn) 德國(guó)的v d e 標(biāo)準(zhǔn) 日本標(biāo)準(zhǔn)等等 這些標(biāo)準(zhǔn)也被其它國(guó)家不同級(jí)別的e m c 認(rèn)證所引用 我國(guó)自1 9 8 3 年發(fā)布第一個(gè)e m c 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)g b 3 9 0 7 1 9 8 3 以來(lái) 截止到1 9 9 9 年 6 高速數(shù)字印制電路扳中的電磁輻射分析 8 月底已發(fā)布了7 6 個(gè)有關(guān)e m c 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 其中強(qiáng)制執(zhí)行2 9 項(xiàng) 這些標(biāo)準(zhǔn)基本 上源于c i s p r 的出版物和i e c 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 也有引自美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際電信聯(lián) 盟標(biāo)準(zhǔn) 還有我國(guó)自行制定的e m c 標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)是i e c t c 7 7 的p 成員國(guó) 1 9 9 4 年為全面規(guī)劃和推進(jìn)e m c 標(biāo)準(zhǔn)的制定和 修訂工作 促進(jìn)國(guó)家電磁兼容技術(shù)進(jìn)步和保護(hù)電磁環(huán)境 在全國(guó)無(wú)線電干擾委員 會(huì)和國(guó)內(nèi)t c 7 7 歸納工作基礎(chǔ)上 及時(shí)成立了全國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工作組 全 面規(guī)劃以i e c 6 1 0 0 0 系列為主的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系和具體目標(biāo) i e c 6 1 0 0 0 系歹i j 標(biāo) 準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作已經(jīng)開始 1 9 9 9 年陸續(xù)制定出一批等同或等效采用i e c 6 1 0 0 0 的國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)且絕大部分為強(qiáng)制執(zhí)行 以解決電氣 電子設(shè)備制造部門和用戶的急需 同 時(shí)也為規(guī)范我國(guó)e m c 認(rèn)證體系提供了依據(jù) 1 4p c b 電磁輻射機(jī)理 1 4 1 簡(jiǎn)述 由于電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施 對(duì)電子產(chǎn)品的市場(chǎng)準(zhǔn)入要求也苛刻起來(lái) 事實(shí)上 電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)己納入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和規(guī)劃當(dāng)中 這樣的電子產(chǎn)品有電視 接收機(jī) 計(jì)算機(jī) 衛(wèi)星廣播接收機(jī) 手機(jī)等 像便攜式計(jì)算機(jī)這樣體積小 集成 度高的產(chǎn)品就是一個(gè)典型的代表 由于電磁頻譜覆蓋范圍寬 從幾千赫茲到幾十 兆赫茲 對(duì)電磁兼容的控制并不那么容易 對(duì)電磁干擾的控制也比較復(fù)雜 從電 源電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾 p c b 產(chǎn)生的電磁輻射到電磁環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生的干擾 等無(wú)一不予以顧及 有幾個(gè)因素不能不予以考慮 1電磁干擾對(duì)人體本身產(chǎn)生的有害作用 如手機(jī)對(duì)大腦的損害 至今還是一個(gè)未 定之?dāng)?shù) 2電磁兼容設(shè)計(jì)與產(chǎn)品成本的控制之間存在的矛盾 3對(duì)電磁兼客的高投入與產(chǎn)品設(shè)計(jì)所褥到的回報(bào)是否能成比例 4極其專業(yè)化的電磁兼容設(shè)計(jì)所需配套的專業(yè)人員數(shù)量是否足夠 從我國(guó)的現(xiàn)狀來(lái)看 對(duì)商用電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)尚缺少足夠的測(cè)量設(shè)備 和設(shè)計(jì)軟件 尤其是后者 與國(guó)外相比有很大的差距 目前 通常的做法是當(dāng)產(chǎn) 品的樣品設(shè)計(jì)出來(lái)之后 電路本身的問(wèn)題也解決了 在確定產(chǎn)品投產(chǎn)之前才發(fā)現(xiàn) 樣品達(dá)不到相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 最后才找電磁兼容的專業(yè)人員解決這最后的問(wèn) 題 主要原因在于 l 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段沒(méi)有配備電磁兼容方面的專業(yè)人員 2 沒(méi)有做產(chǎn)品的電磁兼容預(yù)分析與設(shè)計(jì) 因而無(wú)法控制產(chǎn)品的電磁兼容方面的指 標(biāo) 3 沒(méi)有電磁兼容設(shè)計(jì)與分析的手段 第一章緒論 7 4 電路設(shè)計(jì)人員缺乏足夠的電磁兼容方面的知識(shí) 事實(shí)上己經(jīng)證明 如果要使產(chǎn)品在投放市場(chǎng)之前能夠順利地達(dá)到電磁兼容標(biāo) 準(zhǔn)的要求 老一套的做法已經(jīng)行不通 亡牢補(bǔ)羊的做法代價(jià)太大 是不可取也是 無(wú)可奈何的做法 在產(chǎn)品的電磁兼容分析與設(shè)計(jì)中 p c b 是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié) 如果p c b 的問(wèn)題被解決 產(chǎn)品的電磁兼容問(wèn)題也就解決了大部分 因此 p c b 的 電磁兼容設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 在p c b 的預(yù)測(cè)與評(píng)估方面 國(guó)外的研究人員開展各種數(shù)值方法的研究和建立 各種e m i 的模型 商用公司應(yīng)用研究人員的結(jié)果 利用計(jì)算機(jī)軟件人員開發(fā)各種 商用軟件 同時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng) e m c a n i 目可以測(cè)量p c b 板上的r f 電流 它利用一個(gè)電流環(huán)探頭陣列作近場(chǎng)測(cè)量 然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 最后得到三維的圖像 歐洲的e m c 技術(shù)公司有一套e m c s c a n t i e r 設(shè)備 利用有關(guān) 電壓探頭 實(shí)際是一個(gè)電偶極子天線 和一個(gè)紅外探頭 對(duì)p c b 進(jìn)行三維近場(chǎng)掃描 在計(jì)算機(jī)上對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 得到p c b 的電磁輻射和熱輻射的三維圖像 多種數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用于p c b 的e m l 分析 應(yīng)用m o m 方法得到的n e c 程 序代碼拍le m a p 2 和3 d f e m 是應(yīng)用三維有限元方法分析來(lái)源于p c b 上的電磁輻 射而成的程序代碼 1 8 l 一個(gè)專家系統(tǒng)軟件 9 i 由三個(gè)不同的程序代碼組成 它們是 分析模型代碼 數(shù)值模型代碼和e m c 規(guī)則檢查器 其中分析模型代碼用于嚴(yán)格解 的方法解決e m c 工程師和電路設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的問(wèn)題 數(shù)值模型代碼使用數(shù)值計(jì) 算技術(shù)解決特定邊界條件的m a x w e l l 方程 e m c 規(guī)則檢查器搜索侵犯基本的e m c 設(shè)計(jì)規(guī)則的一些特征設(shè)計(jì) 在高速p c b 的設(shè)計(jì)方面 有s p i c e 仿真器和i b i s 標(biāo) 準(zhǔn)1 1 0 1 f d t d 方法是一種有效的技術(shù)和強(qiáng)大的工具 應(yīng)用于各種實(shí)際e m c 問(wèn)題的 全波分析 有效和準(zhǔn)確地仿真于p c b 的電磁干擾和輻射 1 2 1 頻域有限元法應(yīng)用 于復(fù)雜的電子器件和系統(tǒng)的電磁干擾模型分析i i e m c a d s 利用人工智能的嵌 入式專家系統(tǒng)分析e m c 問(wèn)題 l 另外 建立的各種e m c i e m 模型就更多 商用 的e m c i e m l 分析軟件也不少 所有的工作是建立在p c b 的電磁模型和電磁數(shù)值 計(jì)算的基礎(chǔ)之上 本文主要針對(duì)p c b 的電磁輻射機(jī)理及其模型 雖然理論本身不屬于電磁干擾 控制的范疇 但是它是理解電磁兼容的基礎(chǔ) 它能告訴我們應(yīng)該這樣做而不應(yīng)該 那樣做 這對(duì)p c b 的設(shè)計(jì)是大有益處的 應(yīng)當(dāng)引起我們對(duì)它的重視 事實(shí)上 電 磁兼容的商用軟件是在眾多的理論基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的 1 4 2p c b 的特點(diǎn) 在p c b 的設(shè)計(jì)過(guò)程中 我們的自由度在于以下幾個(gè)方面 l p c b 的層數(shù) 如果p c b 的層數(shù)越多 對(duì)電磁兼容的設(shè)計(jì)要好辦得多 8 高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 2 p c b 的布局 3 p c b 的軌跡 4 對(duì)元件 器件 i c 接插件和線纜等的選擇 但是 在p c b 的設(shè)計(jì)過(guò)程中 我們很有可能對(duì)元器件和i c 等本身的電磁模型 的了解是一個(gè)盲區(qū) 這是電磁兼容最不易掌握的地方 做一個(gè)比喻 p c b 的軌跡 是路 元器件和i c 等是車站碼頭 村落和城鎮(zhèn)等 對(duì)于路的問(wèn)題 應(yīng)用傳輸線理 論 天線理論等其它電磁理論就可以解決 對(duì)于i c 等電磁模型的盲區(qū) 有二個(gè)方 法可以應(yīng)用 l 要求廠家提供標(biāo)準(zhǔn)的模型 這個(gè)并不困難 因?yàn)楝F(xiàn)在的i c 的設(shè)計(jì)是通 過(guò)軟件設(shè)計(jì)的 廠家應(yīng)該有仿真和實(shí)測(cè)的模型 2 不考慮這個(gè)問(wèn)題 在設(shè)計(jì)過(guò)程中 該有的外圍元件通通加上 對(duì)于電磁 兼容的分析簡(jiǎn)化許多 但我們心中比沒(méi)有把握 任何p c b 都有一個(gè)電源模塊 電源的p c b 一般是與電路母板分開設(shè)計(jì)的 電 源p c b 引起的干擾主要是傳導(dǎo)性的 時(shí)鐘電路產(chǎn)生的信號(hào)一般是周期性的方波 其頻譜是分立的 以基頻的整數(shù) 倍數(shù)展開 其分立頻率越高 能量越小 振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)一般是周期性的 有脈沖和連續(xù)波的 其頻譜也是分立 的 數(shù)字信號(hào)一般是非周期性信號(hào) 其頻潛是連續(xù)的 脈沖寬度越窄 頻譜越寬 模擬信號(hào)一般是窄帶的 其電路的頻譜特性一般是已知的 因此 對(duì)p c b 的電磁輻射機(jī)理 一般應(yīng)從二個(gè)方面人手 頻域和時(shí)域 對(duì)短脈 沖所產(chǎn)生的輻射而形成的寬帶干擾多從時(shí)域人手 但是分析的難度相當(dāng)于頻域而 言要大些 從電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看 在各個(gè)頻率范圍內(nèi)來(lái)限定干擾電壓或電流的 峰值或均值 這是因?yàn)闇y(cè)量設(shè)備主要集中在頻域測(cè)量 因此 解決電磁輻射干擾 問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于電磁輻射的頻率 幅度等 來(lái)源于哪一個(gè)干擾源 再采取 措施將干擾源產(chǎn)生的電磁輻射限定在一定范圍之內(nèi) 1 4 3e m i 與e m c 電磁干擾信號(hào)可以是連續(xù)的信號(hào) 也可以是隨機(jī)的脈沖瞬間信號(hào) 還可以是脈 沖周期信號(hào) 形成電磁干擾一定具備以下三個(gè)基本要素 l 干擾源 指產(chǎn)生的任何器件 設(shè)備或自然現(xiàn)象 如雷電 汽車點(diǎn)火系 統(tǒng) 電路板上的高頻時(shí)鐘信號(hào)等都可能成為干擾源 2 耦合途徑 指電磁干擾能量傳播通路或媒體 典型的電磁干擾耦合途 徑主要是導(dǎo)線上傳導(dǎo)與空間輻射 第一章緒論9 3敏感設(shè)備 指被干擾對(duì)象 弱電信號(hào)中的放大器 a d 變換器是敏感 元件 數(shù)字電路中的高速時(shí)鐘線 控制線和地址數(shù)據(jù)線等是敏感器件 也對(duì)其它器件產(chǎn)生干擾 當(dāng)干擾源發(fā)射干擾信號(hào)并被接受者接受時(shí) 就產(chǎn)生了電磁干擾問(wèn)題 這是輻 射問(wèn)題 還有一種干擾信號(hào)通過(guò)電源線 地線傳導(dǎo)到受害者處而產(chǎn)生干擾 這是 傳導(dǎo)干擾 電磁兼容與電磁干擾密切相關(guān) 如果一個(gè)系統(tǒng)既不是干擾源 也不是 受害者 這就是理想狀態(tài) 此系統(tǒng)稱之為是電磁兼容的 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)充分 考慮電磁兼容要求 并在設(shè)計(jì)中滿足其要求 不要在設(shè)計(jì)完成后再采取電磁兼容 的補(bǔ)救措施 使電子產(chǎn)品的e m c 達(dá)標(biāo) 提高其抗干擾能力 與產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 制造工藝有很 大的關(guān)系 對(duì)于噪聲的產(chǎn)生 傳播與吸收在理論上有較好的研究 計(jì)算機(jī)仿真程 序可以從芯片級(jí) p c b 級(jí)到系統(tǒng)級(jí)能夠進(jìn)行精度相當(dāng)高的理論計(jì)算與仿真 目前 在國(guó)內(nèi) 電子產(chǎn)品和p c b 的設(shè)計(jì)主要是以經(jīng)驗(yàn)為主 因?yàn)閷?duì)于e m c 的全方位資 金投入是相當(dāng)大的 同時(shí)也需要專門的e m c 設(shè)計(jì)師和工程師 增強(qiáng)電磁兼容一般有二個(gè)途徑 增強(qiáng)杭干擾能力和降低干擾輻射 恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì) 系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)夭扇∑帘渭夹g(shù) 既可以抑制傳導(dǎo)干擾 也可以抑制輻射干擾 通過(guò) 設(shè)計(jì)和屏蔽的加固措施 可以降低系統(tǒng)對(duì)于擾的敏感性 為了保持系統(tǒng)的電磁兼 容性 應(yīng)根據(jù)電磁干擾的特性和抗于擾的要求 恰當(dāng)?shù)剡x擇合適的元件 器件和 工作電路 并精心設(shè)計(jì)p c b 的布線和元器件布局 以增強(qiáng)電磁兼容性 當(dāng)電路中開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作時(shí) 系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字電路可以產(chǎn)生傳導(dǎo)電磁干擾 干擾 噪聲與電流的變化速率有關(guān) 系統(tǒng)內(nèi)的干擾噪聲的傳播 也可能是二個(gè)電路之間 的電容 電感禍合 或是一個(gè)電路產(chǎn)生的電磁輻射被另一個(gè)電路所接受 系統(tǒng)內(nèi) 部的電磁干擾傳播是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題 p c b 的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素 其設(shè)計(jì)的過(guò) 程是相當(dāng)繁雜的 往往需要借助于e m c 的仿真工具才能很好的完成 在設(shè)計(jì)p c b 的過(guò)程中 需要遵循一些基本的e m c 規(guī)則 在p c b 的布線和布 局方面 這些規(guī)則有 1p c b 應(yīng)是多層結(jié)構(gòu)的母板 數(shù)字信號(hào)電路層被電源多元化接地層所隔 離 電源層和接地層的銅量為l 盎司 典型值 若達(dá)不到典型值 至 少也不礙少于0 5 盎司 2 p c b 上模擬電路和數(shù)字電路應(yīng)各自有不同的空聞布局 這種分區(qū)設(shè)計(jì) 應(yīng)確保阻止數(shù)字電路的鏡像電流不流入a d 變換器中的模擬區(qū)域內(nèi) 3 p c b 的空間布局 應(yīng)使所有布線在其運(yùn)行方向上有一個(gè)連續(xù)的平面 或電源平面 4 任何中斷接地平面或者分開模擬電路和數(shù)字電路的接地平面 在a d 變換器的數(shù)字電路和模擬電路之間應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)足夠?qū)挼亩搪穾?在其 1 0 高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 5 1 0 1 l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 布線的運(yùn)行方向上靠近布線的地平面和電源平面 所有接地平面和電源平面應(yīng)連續(xù)不斷地延伸到電路板 包括母板 的連 接插頭區(qū)域內(nèi) 并且交織運(yùn)行 不能間斷 以確保連接器區(qū)域內(nèi)各連 接點(diǎn)之間的電路板上布線也能方便地與地平面或電源平而相連接 不論是模擬電路還是數(shù)字電路都應(yīng)充分地接地以減少電路環(huán)路的有 效面積 所有元件與連接器都應(yīng)安裝在接地平面內(nèi) 即接地平面應(yīng)保持環(huán)繞每 一個(gè)焊點(diǎn)和過(guò)孔的全部周長(zhǎng) 利用交叉布線技術(shù)使電路板接地平面延伸到連接器區(qū)域內(nèi) 信號(hào)電路 和地線迂回通過(guò)連接器區(qū)域 在印刷板連接器插頭附近 1 英寸之內(nèi) 有高速器件 上升時(shí)間小于l n s 頻率大于等于l0 m h z 時(shí) 應(yīng)就近安裝一個(gè)附近屏蔽裝置來(lái)阻止器 件和引線之間的耦合 這個(gè)屏蔽裝置是垂直的金屬片并應(yīng)在焊點(diǎn)上與 地平面連接 這個(gè)屏蔽裝置應(yīng)覆蓋全部連接器插頭 屏蔽裝置應(yīng)充分 接地 接地焊點(diǎn) 包括穿孔 間距小于等于l 英寸 表面貼裝器件 包括焊點(diǎn)小于l 英寸的連接器 焊點(diǎn)應(yīng)錯(cuò)開排列以確 保等于平面和接地平面在圍繞所有焊點(diǎn)和過(guò)孔的整個(gè)范圍內(nèi)是連續(xù) 的 所有印刷板上的時(shí)鐘信號(hào)布線與印刷板上的電源平面和地平面的邊界 距離為0 0 0 5 英寸 所有印刷板上的時(shí)鐘信號(hào)布線應(yīng)在二個(gè)地平面或電源平面之間夾層處 參考微帶線 或者是緊挨著地 電源平面 微帶 小型表面貼裝器件時(shí)鐘布線應(yīng)直接運(yùn)行于從微處理振蕩器到微處理芯 片的上部 即不通過(guò)過(guò)孔連接 所謂小型是指邊長(zhǎng)小于 等于 v 4 0 的時(shí) 鐘帶寬 例如 上升時(shí)間為1 5 n s 帶寬為l 硝 2 0 0 m h z 2 0 0 m h z 時(shí)2 4 為3 8 c m 或者是1 5 英寸 時(shí)鐘引線長(zhǎng)于五 4 的臨界時(shí) 應(yīng)以微 帶線形式布線在地與電源的夾層內(nèi) 時(shí)鐘扇出應(yīng)采取菊鏈?zhǔn)交虿⒙?lián)布線 不應(yīng)采用粗短型 s t u b t y p e 布線 在菊鏈?zhǔn)綍r(shí)鐘信號(hào)布線時(shí) 最好避免較長(zhǎng)的直線條 并與接受時(shí)鐘信 號(hào)的器件就近安置 以減少任何規(guī)定方向上規(guī)定的時(shí)鐘信號(hào)電路布線 的長(zhǎng)度 當(dāng)二路傳播延遲時(shí)間小于信號(hào) 時(shí)鐘上升時(shí)間時(shí) 短路線布線短路終端 可以不接元件 當(dāng)二路傳播延遲時(shí)間超過(guò)時(shí)鐘信號(hào)上升時(shí)間時(shí) 時(shí)鐘信號(hào)電路可以采 用電阻 r c 或二極管為終端 振蕩阻抗可以是短帶特征阻抗的2 倍 第一章緒論 1 8 1 9 2 0 2 1 通過(guò)布線之間的空間分離來(lái)達(dá)到數(shù)字電路布線之間的竄擾控制 時(shí)鐘 信號(hào)電路布線 其邊對(duì)邊的距離 s 至少為布線高度o r 的3 倍 即 s 日 3 數(shù)據(jù)電路布線 其剮日 l 保護(hù)帶不推薦數(shù)字竄擾控制 所有高速器件應(yīng)安置在距離連接器至少l 英寸的位置 以減少器件與 連接器插頭之問(wèn)的直接耦合 為了減少由于阻抗改變而引起的反射噪聲 所有長(zhǎng)于1 5 英寸的高速 數(shù)字電路布線應(yīng)避免交叉避免通過(guò)過(guò)孔 避免傳輸中布線寬度發(fā)生變 化 當(dāng)電路板上布線需要轉(zhuǎn)彎時(shí) 應(yīng)選擇 a 向二個(gè)方向各轉(zhuǎn)4 5 度角 b 向 一個(gè)方向圓滑地轉(zhuǎn)子9 0 度 c 向引線外側(cè)轉(zhuǎn)圓滑斜角 1 5 論文的主要工作 電磁兼容是一門新興的跨學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科 研究?jī)?nèi)容廣泛 要解決的問(wèn) 題十分復(fù)雜 研究電磁兼容的目的在于為電氣電子設(shè)備的正常工作運(yùn)行創(chuàng)造一個(gè) 較好的電磁環(huán)境 限制其電磁騷擾 提高其抗干擾水平 并最終落實(shí)到設(shè)計(jì) 生 產(chǎn)符合電磁兼容要求的產(chǎn)品上 因此 電磁兼容應(yīng)貫穿于產(chǎn)品的開發(fā) 設(shè)計(jì) 生 產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié) 在這些環(huán)節(jié)中都離不開電磁兼容的相關(guān)知識(shí) 專家經(jīng)驗(yàn)的支持和 電磁兼容法規(guī) 標(biāo)準(zhǔn)的約束 加之 當(dāng)前家電行業(yè)亟待解決家用電器的電磁兼容 性問(wèn)題 電磁兼容知識(shí)也亟待普及 因此把電磁兼容的相關(guān)知識(shí) 專家經(jīng)驗(yàn) 法 規(guī) 標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行信息集成化和知識(shí)化 在產(chǎn)品前仿真階段確定電子產(chǎn)品印制電路 板的電磁輻射特性就顯得十分重要 本論文圍繞等效磁流法計(jì)算高速數(shù)字印制電路中的電磁輻射 主要進(jìn)行以下幾 方面的研究工作 l通過(guò)學(xué)習(xí)電磁兼容的各類法規(guī) 標(biāo)準(zhǔn) 書本知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)等 對(duì)這些知 識(shí)源的知識(shí)迸行認(rèn)識(shí) 理解 選擇 抽取 匯集 分類和組織 迸一步理解電磁 兼容在現(xiàn)代高速數(shù)字印制電路板設(shè)計(jì)中的重要意義 2在上述的基礎(chǔ)上分析了基本電子元件電容和電感的高頻特性 提出了鉭電 容的s p i c e 等效電路模型 同時(shí)應(yīng)用m o n t ec a r l o 法建成了陶瓷電容和鉭電容的 s p i c e 模型庫(kù) 將公司現(xiàn)有的電源完整性仿真流程大大簡(jiǎn)化 同時(shí)開拓了時(shí)域的 電源完整性仿真業(yè)務(wù) 3 在做了前面基本工作的基礎(chǔ)上 本文繼續(xù)做了高速數(shù)字印制電路中電源地 平面的電磁輻射方面的工作 相對(duì)于采用三維場(chǎng)求解器法 本文采用的等效磁流 法結(jié)合電源完整性分析 極大的提高了分析問(wèn)題的效率 1 2高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 第二章電容的高頻特性及其s p i c e 電路模型 2 1 電容的高頻特性 在射頻電路設(shè)計(jì)中 片狀電容廣泛應(yīng)用在調(diào)諧濾波器 匹配網(wǎng)絡(luò)以及有源器件 例如晶體管的偏置電路中 因此 了解電容的高頻特性就變得十分重要 在基本 電路分析中 對(duì)平板尺寸遠(yuǎn)大于板間距離的平行板電容器的是這樣定義的 c 等強(qiáng) 詈 2 1 這里爿是平板面積 d 是兩板間距離 理想情況下 兩板之間沒(méi)有直流電流 然而 在高頻情況下 介質(zhì)成為有耗介質(zhì) 例如有傳導(dǎo)電流流過(guò) 此時(shí) 電容的阻抗必 須包括電導(dǎo)和電納部分 z 而 l 2 2 g j 鬣 在上式中 直流電導(dǎo) g 掣 2 3 其中 盯 是介質(zhì)的電導(dǎo)率 介質(zhì)的損耗正切角 t a n a 竺 2 4 o h t 代入到g 式中得到 e 等 旦d t a n a i 蓋 倍s 表2 1 是幾種介質(zhì)的損耗正切角 1 5 1 表2 1 幾種介質(zhì)材料的損耗正切角 m a t e r i a l l o s st a n g e n t f l k h z仁l m h zf f f i l o o m h zf 3 g h z a l u m i n u m0 0 0 0 5 70 0 0 0 3 3 o 0 0 0 3o 0 0 1 o x i d e b a r i u mt i t a n a t e0 0 0 0 4 4 0 0 0 0 2o 0 0 2 3 p o r c e l a i n0 0 1 4 0 o 0 0 7 50 0 0 7 8 s i l i c o nd i o x i d eo 0 0 0 7 5 0 o o o lo 0 0 0 2 o 0 0 0 0 6 a r a l d i t co 0 0 2 4 0 0 1 9 00 0 3 4 0o 0 0 2 7 0 c n 一5 0 1 e p o x yr e s i n o 0 0 3 8o 0 1 4 2o 0 2 6 40 0 2 l o 第二章電容的高頻特性及其s p i c e 電路模型1 3 r n 4 8 f o a m e d 0 o 0 0 2 0 o o o l o o 0 0 2o o o o l p o l y s t y r e n e b a j e l i t e0 0 2 2 00 0 2 8 00 0 3 8 0 0 0 4 3 8 b m l 2 0 p o l y e t h y l e n e 0 0 0 0 2 0 0 0 0 20 0 0 0 2o 0 0 0 3 l p o l y s t y r e n e o 0 0 0 0 5 o o 0 0 0 7 0 0 0 0 l o 0 0 0 3 3 t e f l o n 0 0 0 0 3 o 0 0 0 2 o 0 0 0 2o 0 0 0 1 5 s o d i u m 0 0 0 0 l 0 0 0 0 2 0 o 0 0 5 c h l o r i d e w a t e r d i s t i l l e d 0 0 4 0 0 0 0 0 5 00 1 5 7 0 一個(gè)算例 計(jì)算一個(gè)4 7 p f 電容的高頻阻抗 電容介質(zhì)為a l 0 3 損耗正切角 t a a a 1 0 4 假設(shè)不隨頻率變化 q 匾 8 暑 苫 f r e q u e n c y h z 圖2 i 實(shí)際電容和理想電容隨頻率變化曲線 2 2m o n t ec a r l o 法在提取電容的s p i c e 模型應(yīng)用 基于電容s 參數(shù)模型的電源完整性 p o w e ri n t e g r i t y 仿真流程存在諸多弊端 例如仿真過(guò)程需要手動(dòng)修改網(wǎng)表 無(wú)法同時(shí)完成時(shí)域的仿真 在此背景下 開展 了電容的s p i c e 等效電路模型的轉(zhuǎn)化工作 這里采用的時(shí)m o n t ec a r l o 法 高速數(shù)字印制電路板中的電磁輻射分析 m o n t ec a r l o 法不同于確定性數(shù)值方法 它是用來(lái)解決數(shù)學(xué)和物理問(wèn)題的非確 定性的 概率統(tǒng)計(jì)的或隨機(jī)的 數(shù)值方法 m o n t ec a r l o 方法 m c m 也稱為統(tǒng) 計(jì)試驗(yàn)方法 是理論物理學(xué)兩大主要學(xué)科的合并 郎隨機(jī)過(guò)程的概率統(tǒng)計(jì)理論 用 于處理布朗運(yùn)動(dòng)或隨機(jī)游動(dòng)實(shí)驗(yàn) 和位勢(shì)理論 主要是研究均勻介質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài) 它是用一系列隨機(jī)數(shù)來(lái)近似解決問(wèn)題的一種方法 是通過(guò)尋找一個(gè)概率統(tǒng)計(jì)的相 似體并用實(shí)驗(yàn)取樣過(guò)程來(lái)獲得該相似體的近似解的處理數(shù)學(xué)問(wèn)題的一種手段 運(yùn) 用該近似方法所獲得的問(wèn)題的解從某種意義上說(shuō)更接近于物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果 而不是 經(jīng)典數(shù)值計(jì)算結(jié)果 普遍認(rèn)為我們當(dāng)前所應(yīng)用的m c 技術(shù) 其發(fā)展約可追溯至1 9 4