PCB的EMC設計課件分享

1、PCB的的EMC設計設計中科信軟培訓中心中科信軟培訓中心中科信軟簡介中科信軟簡介v 中科信軟依托中國科學院強大技術人才優(yōu)勢，根據(jù)企事業(yè)單位實際需求,通過定制培訓，提供各種最新，最實用的技術及管理培訓。v 近十年來，中心的企業(yè)培訓遍及大江南北，客戶包括國家部委、高校、科研院所、世界跨國公司，大型國企，知名IT公司等眾多國內(nèi)外企事業(yè)單位，迄今已培養(yǎng)了數(shù)萬名高級管理及技術人才，深得用戶信賴與好評。培訓類別培訓類別中心培訓技術種類齊全，可以為客戶提供一站式各類高級技術培訓數(shù)據(jù)庫類 商業(yè)智能（BI） 應用服務器 存儲備份 網(wǎng)絡&操作系統(tǒng) 軟件開發(fā) 移動開發(fā)技術 大數(shù)據(jù) 云計算 虛擬化軟件架構(gòu) 軟件工程

2、項目管理 信息管理， IT規(guī)劃 ERPEDA電子電路 PCB 電磁兼容 可靠性有限元技術CFD，CAD，CAM，CAE，通信技術 ， arcgis空間技術數(shù)據(jù)分析及其軟件sas ,spss, matlab嵌入式技術等v 其它末列技術等可以訂制培訓培訓形式培訓形式公開課公開課上門內(nèi)訓上門內(nèi)訓特殊技術特殊技術訂制訂制培訓培訓相關技術支持相關技術支持PCB的的EMC設計設計培訓內(nèi)容 第1章 電磁兼容原理 1 emc的定義 2 EMC研究的目的以及意義 3 EMC三要素及策略 第2章PCB的EMC設計在EMC設計中的定位 1PCB的EMC設計的意義 2PCB的EMC設計在產(chǎn)品開發(fā)中的客觀地位 3板級E

3、MC的成因培訓內(nèi)容 第3章PCB的EMC設計 1旁路退耦 2布線 3靜電放電的防護 4層疊設計 5地和電源 6模塊劃分 7綜合布局 8濾波培訓內(nèi)容 第4章PCB設計中的EMC要求 1基本要點 2案例分析電磁兼容原理電磁兼容原理 emc的定義電磁兼容（ElectromagneticCompatibility,簡稱EMC）,電子和電氣系統(tǒng)、設備和裝置在預定的電磁環(huán)境和設定的安全界限內(nèi)在設計的性能水平工作時不會因為電磁干擾而不引起不可接受的功能降級。以下是電磁兼容有關的常見術語：EMC：（Electromagneticcompatibility）電磁兼容性EMI：（Electromagneticin

4、terference）電磁干擾EMS：（Electromagneticsusceptibility）電磁敏感度電磁兼容原理電磁兼容原理RF：（RadioFrequency）電磁頻率RE：（Radiatedemission）輻射騷擾CE：（Conductedemission）傳導騷擾CS：（Conductedsusceptibility）傳導騷擾抗擾度RS：（Radiatedsusceptibility）射頻電磁場輻射抗擾度ESD：（Electrostaticdischarge）靜電放電EFT/B：（Electricalfasttransientburst）電快速瞬變脈沖群Surge：浪涌電磁兼

5、容原理電磁兼容原理 EMC研究的目的以及意義一個系統(tǒng)如果滿足以下三個準則，就認為具有電磁兼容性：1、不對其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；2、對其他系統(tǒng)的輻射不敏感；3、不對自身產(chǎn)生干擾。這就是我們研究引申EMC的目的所在。電磁兼容原理電磁兼容原理總體來講，EMC分為EMI、EMS兩部分：EMI：電磁干擾，從本質(zhì)上講，干擾就是缺少相容性，那么電磁干擾就是缺少電磁兼容性。EMI是有害電磁能量由一個電子設備經(jīng)輻射或傳導（或兩個設備）傳送到一個電子設備的過程。在通常的應用中，這個名詞指的是射頻（RF）信號的的電磁干擾。但是EMI可以發(fā)生在由DC到光波的整個頻率范圍。EMS：電磁敏感度，即處在一定環(huán)境中設備或系統(tǒng)，在

6、正常運行時，設備或系統(tǒng)能承受相應標準規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾，或者說設備或系統(tǒng)對于一定范圍內(nèi)的電磁能量不敏感，能按照設計的性能保持正常的運行、工作；（防靜電要求為此類）。電磁兼容原理電磁兼容原理 EMC三要素及策略最簡單的電磁干擾模型有三個基本要素：1、一定存在電磁干擾源。2、必須在干擾源和干擾受體之間存在耦合通道來傳輸有害電磁能量。3、一定存在電磁干擾受體，當電磁干擾強度超出容許的界限時，被干擾設備性能會發(fā)生混亂。EMC耦合問題的基本分解框圖如下：電磁兼容原理電磁兼容原理在單板范圍內(nèi)，我們可以找到如下幾個與輻射有關的項：v 干擾源：時鐘電路（包括晶振、時鐘驅(qū)動電路）；v 開關電源；v 高速總

7、線（通常為低位地址總線如：A0、A1、A2）；v 高電平信號、大電流信號、dv/dt、di/dt高信號；v 部分塑封器件；v 內(nèi)部互連電纜；v 不恰當布防的印制線條等。電磁兼容原理電磁兼容原理耦合途徑：傳播能量的各種媒質(zhì)，例如自由空間、互連電纜（共模耦合）。按傳播的方式，電磁干擾分成兩種類型。1、傳導型干擾是系統(tǒng)產(chǎn)生并返回到支流輸入線或信號線的噪聲。2、輻射型干擾以電磁波的方式直接發(fā)射。單板中敏感器件或信號主要有：v 鎖項環(huán)（一種電路或者模塊，它用于在通信的接收機中，其作用是對接收到的信號進行處理，并從其中提取某個時鐘的相位信息）v 收發(fā)模塊v 模擬信號v 復位信號電磁兼容原理電磁兼容原理總結(jié)

8、：對于EMC來講，這三個要素缺一不可。如果任一要素不存在，EMI也就不存在了。電磁兼容原理電磁兼容原理 EMC策略上述也意味著防止干擾的三種途徑：1、抑制源的發(fā)射2、盡可能使耦合路徑無效3、使接受器對發(fā)射不敏感抑制源的發(fā)射一般地說，在設計PCB時，消除主要的干擾源是最廉價有效的方法。干擾是產(chǎn)生初始波形的主要因素。PCB必須設計成使產(chǎn)生的電磁能量只限于需要的裝配部件處。通過必要的布局、布線以及采取屏蔽、接地措施來提高設備的抗擾能力。電磁兼容原理電磁兼容原理盡可能使耦合路徑無效在三要素的對策中切斷干擾的傳播途徑是最重要的一環(huán)。在單板上可采取以下措施來切斷耦合途徑或者減少耦合：1對應傳導耦合：加濾波

9、電容、濾波器、共模線圈、隔離變壓器等；2對應輻射耦合：相鄰層垂直走線、加屏蔽地線、磁性器件合理布局、3W規(guī)則、正確層分布、輻射能力強或敏感信號內(nèi)布層、使用I/O雙絞線、輻射信號強的信號遠離拉手條、板邊縫隙等。從產(chǎn)品EMC設計的對策、手段來講，通常采用的不外乎接地、屏蔽、濾波三種。關于接地、屏蔽等一般涉及到結(jié)構(gòu)的開發(fā)，這次主要針對PCB的EMC設計給予介紹。 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 PCB的EMC設計的意義1、信號質(zhì)量的要求在產(chǎn)品的EMC設計中，除了通過有關測試、獲取相關認證外，還必須結(jié)合信號完整性分析，保證信號質(zhì)量。如果產(chǎn)品順利通過EMC測試卻不能實現(xiàn)正常功

10、能，那也是徒勞的。在這方面，板級EMC設計是其它方式等無法取代的。 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 PCB的EMC設計的意義2、系統(tǒng)設計，對策多樣化v 目前業(yè)界大多公司在EMC的處理上均采用注重源頭控制的EMC系統(tǒng)設計，從產(chǎn)品的概念、設計階段給予關注，可在原理、PCB、結(jié)構(gòu)、線纜、屏蔽、濾波、軟件等各個方面采取對策，而一旦產(chǎn)品推向時常，可采取的對策也只有在軟、硬件上打補丁了，對策的效果、可行性將面臨嚴峻的考驗。v 對于一個產(chǎn)品來講，從設計之初就采取一些抑制措施比成品之后再反復修改要經(jīng)濟的多。在電子產(chǎn)品的研制中，為獲得良好的EMC性價比，進行EMC設計是相當重要的；電

11、子產(chǎn)品的EMC性能是設計賦予的。測試僅僅是將電子設備固有的EMC性能用某種定量的方法表征出來。 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 PCB的EMC設計的意義3、縮短開發(fā)周期重視源頭控制，可能會拖延一點開發(fā)進度，但比起產(chǎn)品定型后，再針對EMC特性進行攻關要有效的多，而且產(chǎn)品定型后，再作EMC處理，由于受到諸多限制，可采用的對策極為有限。4、降低批量成本在單板、PCB設計階段進行EMC控制，有可能會增加人力開發(fā)成本，但從批量生產(chǎn)等總成本考慮，關注源頭控制，可極大的降低批量成本。 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 PCB的EMC設計在產(chǎn)品開發(fā)中的客觀

12、地位v 在信號質(zhì)量的綜合考慮、單板接口、無法進行完全屏蔽的產(chǎn)品里，開展PCB的EMC設計是其他任何EMC措施無法取代的；即使不存在以上問題的產(chǎn)品，開展以EMI源頭設計為主的EMC系統(tǒng)設計，豐富了設計手段，減輕了后續(xù)工序的壓力，降低了綜合成本。v 我們也應看到，在EMC系統(tǒng)設計的環(huán)節(jié)里，單獨做好板級EMC的開發(fā)，并不能解決所有EMC問題，更不能有只需解決板級EMC問題，而無須再做屏蔽罩、屏蔽線纜的想法，我們強調(diào)的是EMC系統(tǒng)設計觀念，而PCB的EMC設計是這個系統(tǒng)設計鏈條上最關鍵的一環(huán)，在單板方面進行EMC設計考慮是一個綜合的考慮，是我們硬件、PCB工程師抬頭腦中必須掌握的概念。 PCB的的EM

13、C設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 PCB的EMC設計在產(chǎn)品開發(fā)中的客觀地位v 現(xiàn)在一些電子企業(yè)的一個瓶頸是從事EMC開發(fā)、硬件開發(fā)的人員對PCB的設計了解不多，在單板的LAYOUT中，如果沒有通過相關認證，就經(jīng)常采用加層、加容性、抗性器件等做法，“寧可錯殺一千，也不放過一個”，存在著明顯的過設計傾向，以致于增加了不小的成本，也增加了PCB的LAYOUT難度，甚至有些還是無法實施的。v 我們知道，PCB的設計需要綜合質(zhì)量、成本、加工工藝、EMC、安規(guī)、熱等諸多因素，缺乏對以上的綜合考慮，都不是一個成功的產(chǎn)品。這就需要我們的工程師對以上因素做到全局把握，根據(jù)實際情況，采取不同的對策。v

14、 以上為總體上針對電磁兼容的基本原理進行了簡單的闡述 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 板級EMC的成因地平面是不平整的。實際中的地平面上各點的是存在電位差的，而且總是起伏不定的，類似于海面上的波浪。這構(gòu)成了PCB的EMC形成的必要條件，隨著頻率、速率的提高，傳輸線效應越來越需要引起關注，引線電感以及信號回流過程中大大小小的環(huán)路就構(gòu)成了PCB的EMC形成。以下引申一個信號完整性的概念，并且分析一些問題的造成原因及其解決方法。信號完整性（SingnalIntegrity）是指一個信號在電路中產(chǎn)生正確的相應的能力。信號具有良好的信號完整性（SingnalIntegrity

15、）是指當在需要的時候，具有所必須達到的電壓電平數(shù)值。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。 PCB的的EMC設計在設計在EMC設計中的定位設計中的定位 板級EMC的成因常見信號完整性問題及解決方法： PCB的的EMC設計設計在PCB設計的EMC設計，影響的因素很多，例如：v PCB的層疊設計v 電容的擺放v 接口電路v 時鐘晶振布局走線v 電源布局走線v 關鍵信號的布線等。幾乎PCB設計的任何一個步驟都會產(chǎn)生相應的EMC問題 PCB的的EMC設計設計 旁路退耦正確的使用電容是抑制干擾的一種有效措施。下面引申兩個概念：旁路和退耦是指把能量從一個電路轉(zhuǎn)移到另一個電路的功能，常用于電能分

16、配系統(tǒng)的供電質(zhì)量。應著重關注三個方面：電源和地平面、元件以及內(nèi)部電源連接。 PCB的的EMC設計設計 旁路退耦旁路：將來自元件或線纜耦合的無用射頻噪聲從一個區(qū)域移往別處。旁路不僅對于實現(xiàn)濾波（有限帶寬）功能相當關鍵，而且對于設置交流分路器防止干擾進入敏感區(qū)域也是不可或缺的。用于該目的的電容是就是所謂的旁路電容。它利用了電容的頻率阻抗特性（理想電容的頻率特性隨頻率的升高，阻抗降低）可以看出旁路電容主要針對高頻干擾。退耦：去除從高頻元件進入電源分配網(wǎng)絡的射頻能量。這些元件以一定的速度不停切換，同時消耗著同樣速度變化的電能。退耦電容可以為器件和元件的直流電源提供局部本地化的能量來源，這對于抑制電路板

17、上尖峰電流沖擊的傳播擴散至關重要。 PCB的的EMC設計設計 旁路退耦在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對器件本身的干擾；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對電源的干擾。pcb設計的經(jīng)驗法則：“在電路板的電源接入端放置一個110F的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.010.1F的電容，濾除高頻噪聲。實際的電容并不是理想器件，因為材料、封裝等方面的影響，具備有電感、電阻等附加特性；尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。我們都知道實際電容的模型簡單的以電容、電阻和電感建立。除電容的容量C以外，還包括以下相對重要的寄生參數(shù)：

18、1、等效串聯(lián)電阻ESR2、等效串聯(lián)電感ESL3、等效并聯(lián)電阻EPR PCB的的EMC設計設計 旁路退耦因為寄生參數(shù)的影響，尤其是ESL的影響，實際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線，低頻時隨頻率的升高，電容阻抗降低；當?shù)阶畹忘c時，電容阻抗等于ESR；之后隨頻率的升高，阻抗增加，表現(xiàn)出電感特性。對電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值，還需要考慮其它因素。包括：電介質(zhì)材料，電容的幾何尺寸和放置位置。合理布置電源濾波/退耦電容：一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波/退耦電容，但未指出它們各自應接于何處。其實這些電容是為開關器件(門電路)或其它需要濾波/退耦的部件而設置的，布置這些電容就應盡量靠

19、近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。（當電源濾波/退耦電容布置的合理時，接地點的問題就顯得不那么明顯。）電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。 PCB的的EMC設計設計 布線1、阻抗匹配-反射和振鈴v 當信號邊沿變得更快時，就必須考慮線條的傳輸和反射延時。這將引起各種問題，包括串擾、振鈴和反射。當信號邊沿時間在器件負載間的傳輸時間占很大比例的時候，反射常常會導致信號完整性和EMI問題。解決反射問題需要延伸邊沿時間（減慢邊沿效率）或減小在負載器件之間的間隔距離。v 在電路網(wǎng)絡中，在PCB上的信號的反射是一個RF噪聲源。在傳輸線上存在阻抗不連續(xù)情況時，就能觀察到反射現(xiàn)象。這種不連續(xù)現(xiàn)象包

20、括：v 線寬度的變化v 終端網(wǎng)絡失配v 缺少端接v T形短線和線條交叉 PCB的的EMC設計設計 布線1、阻抗匹配-反射和振鈴v 布線層間的過孔v 可變負載和邏輯系列v 大的電源平面不連續(xù)v 轉(zhuǎn)換連接器v 傳輸線阻抗的變化當然何時選擇端接，選擇怎樣的端接類型也是一個課題，在這里便不再具體闡述。 PCB的的EMC設計設計 布線2、串擾在布線時我除了考慮以下幾點之外。確定使用哪一層來布線如何在層間換層保持阻抗的連續(xù)串擾也是布線所考慮的一個重要因素。導線、電纜線和印制線間的串擾會影響系統(tǒng)內(nèi)的性能。系統(tǒng)內(nèi)是指在同一機箱內(nèi)的源和接收器。產(chǎn)品的設計必須是自兼容的，因此串擾被當作系統(tǒng)內(nèi)部必須減小或消滅的EMI問題。因為串擾會在印制線間產(chǎn)生干擾，所以串擾通常被認為是信號完整性問題。實際上，串擾表征的是RF能量從干擾線耦合到被干擾線。而EMI敏感電流也會將RF能量耦合到包括互連的其他電路。I/O線的耦合可導致在機箱內(nèi)出現(xiàn)輻射或傳導EMI問題，或者可能造成電路和子系統(tǒng)間的功能性問題。 PCB的的EMC設計設計 布線2、串擾v 為了避免串擾，在PCB階段，采用以下的設計和布線方