電氣系統(tǒng)電磁兼容72課件

1、印制板電磁兼容性設(shè)計(jì)（二）第六章 王志福電氣系統(tǒng)電磁兼容72三、 PCB走線阻抗及布局布線 單面板和雙面板制造簡(jiǎn)單,裝配方便通常適用于低于10KHz的低頻模擬電路設(shè)計(jì)中.由于信號(hào)回路面積過大,輻射強(qiáng)抗擾差.不適用于要求高的組裝密度或復(fù)雜電路的場(chǎng)合。如果印制電路板的布局布線設(shè)計(jì)合理,將信號(hào)回路面積減小到最小,也可以實(shí)現(xiàn)電磁兼容性。 電氣系統(tǒng)電磁兼容721. 線路板走線的阻抗 精心的走線設(shè)計(jì)可以在很大程度上減少走線阻抗造成的騷擾。當(dāng)頻率超過數(shù)kHz時(shí),導(dǎo)線的阻抗主要由導(dǎo)線的電感決定,細(xì)而長(zhǎng)的回路導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感(典型10nH/cm),其阻抗隨頻率增加而增加。如果設(shè)計(jì)處理不當(dāng),將引起共阻抗耦合。 減小

2、電感的方法有兩個(gè): 盡量減小導(dǎo)線的長(zhǎng)度,如果可能,增加導(dǎo)線的 寬度； 使回流線盡量與信號(hào)線平行并靠近。電氣系統(tǒng)電磁兼容72線路板走線的阻抗導(dǎo)線的電感可以用下式計(jì)算： L=0.002ln(2h/W) (H/cm)式中：h是導(dǎo)線距離地線的高度，w是導(dǎo)線的寬度。 高頻時(shí)，對(duì)阻抗影響最大的是導(dǎo)線的長(zhǎng)度， 寬度、直徑都是較次要的因素。 由于阻抗與走線寬度是對(duì)數(shù)關(guān)系，將寬度增加一倍僅使電感減少75%。電氣系統(tǒng)電磁兼容72 導(dǎo)線的電感也可用下式近似計(jì)算： L=0.2 S ln(2 S/W) + 0.5 + 0.2 W/S (nH) 當(dāng)：S/W 4 則：L = 0.2 Sln(2 S/W) (nH) 式中，S

3、為導(dǎo)線的長(zhǎng)度（m）W為導(dǎo)線的寬度（m）。 兩根載有相同方向電流的導(dǎo)線的電感為： L = （L1 L2 - M2）/ （L1 + L2 - 2M） 式中, L1、L2分別為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的自感，M為互感 M=L/1+(a/h)2 a間距, h離地面距離 當(dāng)：L1 = L2 則：L = (L1 + M) / 2 兩根電流方向相反的平行導(dǎo)線，由于互感作用，能夠有效地 減少電感，可表示為： L = L1 +L2 - 2M 當(dāng)細(xì)導(dǎo)線相距1厘米以上時(shí)，互感可以忽略。電氣系統(tǒng)電磁兼容72單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積電氣系統(tǒng)電磁兼容72線路板走線的電感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W )

4、 + 0.5 HWSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72布局與布線原則高頻數(shù)字電路PCB采用短線作為信號(hào)線采用專用0V線電源與地呈“井”字排列時(shí)鐘發(fā)生電路應(yīng)在PCB中心附近電氣系統(tǒng)電磁兼容72混合信號(hào)PCB布線數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)盡可能不同板層布線實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字電源分割電氣系統(tǒng)電磁兼容72混合信號(hào)電路PCB布局獨(dú)立合理的模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)A/D轉(zhuǎn)換器跨分區(qū)放置電源和地線單獨(dú)引出，電源供給匯集到一點(diǎn)，不要對(duì)地分割，統(tǒng)一

5、鋪地電氣系統(tǒng)電磁兼容722. 印制板布局和布線 在印制板布局時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行物理分區(qū)和電氣分區(qū),確定元器件在板上的位置，然后布置地線、電源線，再安排高速信號(hào)線，最后考慮低速信號(hào)線。 布局時(shí),首先作好不兼容分割,元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互騷擾。根據(jù)元器件的位置可以確定印制板連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在印制板的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射。其次,在安裝,受力,受熱和美觀等方面應(yīng)滿足要求. 電氣系統(tǒng)電磁兼容722. 印制板布局和布線（1）電源線p69 在考慮安全條件下，電源線應(yīng)盡可能靠近地線， 以減小差模輻射的環(huán)面積，也有助

6、于減小電路的 交擾。 （2）時(shí)鐘線、信號(hào)和地線的位置 信號(hào)線與地線距離應(yīng)較近，形成的環(huán)面積較小。電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72（3） 按邏輯速度分割 當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電 路時(shí)，高速的器件（快邏輯、時(shí)鐘振蕩器等)應(yīng)安 放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi),而低速邏輯和存儲(chǔ)器, 應(yīng)安放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對(duì)共阻抗耦合、 輻射和交擾的減小都是有利的。（4） 應(yīng)避免印制電路板導(dǎo)線的不連續(xù)性 跡線寬度不要突變 導(dǎo)線不要突然拐角電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72電源線噪聲的消除電源線電感儲(chǔ)能電容這個(gè)環(huán)路盡量小楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72電源解耦電容的正確布置盡

7、量使電源線與地線靠近楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72 解耦電容的選擇C = dI dt dVZf1/2 LC各參數(shù)含義：在時(shí)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。 楊繼深 2002年4月20電氣系統(tǒng)電磁兼容72增強(qiáng)解耦效果的方法電源地鐵氧體注意鐵氧體安裝的位置接地線面細(xì)線粗線用鐵氧體增加電源端阻抗用細(xì)線增加電源端阻抗楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72多個(gè)電容并聯(lián)加強(qiáng)解耦效果楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容723. 地線網(wǎng)格及輸入輸出地的結(jié)構(gòu) 雙面板適用于只要求中等組裝密度的場(chǎng)合。安裝在這類板上的元器件易于維修或更換。1) 地線網(wǎng)格 平

8、行地線概念的延伸是地線網(wǎng)格，這使信號(hào)可以回流的平行地線數(shù)目大幅度地增加，從而使地線電感對(duì)任何信號(hào)而言都保持最小。這種地線結(jié)構(gòu)特別適用于數(shù)字電路。 電氣系統(tǒng)電磁兼容72 地線網(wǎng)格電氣系統(tǒng)電磁兼容72 2) 輸入輸出地的結(jié)構(gòu) 為了減小電纜上的共模輻射，需要對(duì)電纜采取濾波和屏蔽技術(shù)。 但不論濾波還是屏蔽都需要一個(gè)沒有受到內(nèi)部騷擾污染的干凈地。 當(dāng)?shù)鼐€不干凈時(shí)，濾波在高頻時(shí)幾乎沒有作用。除非在布線時(shí)就考慮這個(gè)問題，一般這種干凈地是不存在。 干凈地既可以是PCB上的一個(gè)區(qū)域，也可以是一塊金屬板。 所有輸入輸出線的濾波和屏蔽層必須聯(lián)到干凈地上。干凈地與內(nèi)部的地線只能在一點(diǎn)相連。這樣可以避免內(nèi)部信號(hào)電流流過

9、干凈地，造成污染。電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72共地阻抗耦合之一4. 共阻抗耦合和電磁騷擾的傳播電路1電路2地電流1地電流2公共地阻抗電氣系統(tǒng)電磁兼容72 四、 多層板設(shè)計(jì) 對(duì)于信號(hào)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量多,器件密度大,管腳密度大,信號(hào)頻率高的設(shè)計(jì),應(yīng)采用多層板設(shè)計(jì).1.多層印制板設(shè)計(jì) 多層印制板設(shè)計(jì)中遇到的主要問題是電磁兼容設(shè)計(jì)。 多層印制板設(shè)計(jì)首先要決定多層板的層數(shù)和層的布局,取決于功能模塊分布,性能指標(biāo)要求和成本。 電氣系統(tǒng)電磁兼容72 四、 多層板設(shè)計(jì) 多層印制板的層間安排隨著電路而變，但應(yīng)有以下共同原則： （1）電源平面應(yīng)靠近接

10、地平面,并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容,同時(shí)接地平面還對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。 （2）信號(hào)布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰。電氣系統(tǒng)電磁兼容72 布線層安排a.PCB由電源層,接地層和信號(hào)層組成.合理選擇層數(shù),能減小PCB尺寸,能充分利用中間層設(shè)置屏蔽,實(shí)現(xiàn)就近接地,有效降低寄生電感,縮短信號(hào)傳輸長(zhǎng)度,大幅降低信號(hào)交叉騷擾等.四層板比雙面板的騷擾發(fā)射低20dB.當(dāng)然,層數(shù)越多,制造工藝越復(fù)雜,成本也越高. 電氣系統(tǒng)電磁兼容72b. S-布線層,必須與接地層或電源層相鄰 G接地層 P電源層 G,P兩者必須相鄰,否則,GP間存在最大環(huán)流.多電源

11、供電時(shí),各P之間由G隔開,以免P間AC耦合.S相鄰時(shí), S間存在串?dāng)_.c.決定層數(shù)的因素:功能要求,信號(hào)分類隔離要求,阻抗控制要求,元器件密度,布線條數(shù),振鈴限制等. 電氣系統(tǒng)電磁兼容72 堆疊設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)電磁兼容72(3)把數(shù)字電路和模擬電路分開,有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。 數(shù)字信號(hào)有很寬的頻譜,是產(chǎn)生騷擾的主要來源。(4)在中間層的印制線條形成帶狀線,在表面層形成微帶線,兩者傳輸特性不同。 (5)時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的騷擾源和輻射源,要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。電氣系統(tǒng)電磁兼容72如果要采用分割的地，則要采用地連接橋的方式數(shù)字地和模擬地分割電氣系統(tǒng)電磁兼容72將PCB分

12、為模擬部分和數(shù)字部分，以保證數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地。-模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線-數(shù)字信號(hào)在數(shù)字區(qū)內(nèi)布線統(tǒng)一的“地”電氣系統(tǒng)電磁兼容72 多層印制板設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本原則用來確定印制線條間距和邊距 20-H原則 所有的具有一定電壓的印制板都會(huì)向空間輻射電磁能量,為減小這個(gè)效應(yīng),線路面的物理尺寸都應(yīng)該比最靠近的接地板的物理尺寸小20H,其中H是兩層印制板的間距。 當(dāng)尺寸小至10H時(shí),輻射強(qiáng)度開始下降, 當(dāng)尺寸小至20H時(shí),輻射強(qiáng)度下降70%。 根據(jù)20-H原則,按照一般典型印制板尺寸,20H一般為3mm左右。多層印制板設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本原則電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼

13、容72線路板邊緣的一些問題關(guān)鍵線（時(shí)鐘、射頻等）產(chǎn)生較強(qiáng)輻射無(wú)地線電源層地線層20H電氣系統(tǒng)電磁兼容722-W原則 當(dāng)兩條印制線間距比較小時(shí),兩線之間會(huì)發(fā)生電磁 串?dāng)_, 串?dāng)_會(huì)使有關(guān)電路功能失常。 為避免發(fā)生這種騷擾,應(yīng)保持任何線條間距不小于二倍的印制線條寬度,即不小于2W,W為印制線路的寬度。 印制線條的寬度取決于線條阻抗的要求： 太寬會(huì)減少布線的密度,增加成本; 太窄會(huì)影響傳輸?shù)浇K端的信號(hào)的波形和強(qiáng)度。 電氣系統(tǒng)電磁兼容72電氣系統(tǒng)電磁兼容72五、 高速電子線路的信號(hào)完整性設(shè)計(jì) 隨著上升時(shí)間變短，所有與信號(hào)完整性相關(guān)的問題都變得更加嚴(yán)重。PCB已不僅僅是支撐電子元器件的平臺(tái),而成為高性能的

14、系統(tǒng)結(jié)構(gòu).從而使得如何處理信號(hào)完整性問題成為一個(gè)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素?；蛘哒f,即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有變化,只要芯片速度變得足夠快,現(xiàn)有設(shè)計(jì)也將停止工作. 電氣系統(tǒng)電磁兼容72 當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間tr小于6倍信號(hào)傳輸延時(shí)tpd時(shí), tr 1英寸 為傳輸線。電氣系統(tǒng)電磁兼容724.PCB設(shè)計(jì)工具以印刷電路板（PCB）為設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)計(jì)工具是最基本的EDA軟件，在國(guó)內(nèi)最為普及。目前比較流行的PC級(jí)軟件有Protel、Orcad、SPECCTRAQuest、Zuken等。最新版的Protel系列產(chǎn)品Protel DXP軟件。CADENCE公司是PCB領(lǐng)域的主要供應(yīng)商，他提供了從低端到高端的一整套完整解決方

15、案。Mentor的Power PCB電氣系統(tǒng)電磁兼容72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CMOS TTL上升時(shí)間 tr 0.51s 50ns 100ns 10ns帶寬 BW 320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz總阻抗 R 120 100 300 100150最大電容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72用屏蔽電纜抑制共模輻射CMCMDMCMCM楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72屏蔽電纜的評(píng)估CMCMDMV輻射環(huán)路VIZT = V / I楊繼深 2002

16、年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72不同屏蔽層的傳輸阻抗102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000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(shí)心銅楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72屏蔽層的錯(cuò)誤接法CM楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72電纜屏蔽層的正確端接利用機(jī)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)電彈性襯墊連接器上緊螺紋航空連接器D形連接器楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72D型連接器的屏蔽層搭接楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72圓形連接器屏蔽層搭接楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72接線端子上的屏蔽電纜楊繼深 2002年4月電氣系統(tǒng)電磁兼容72盡量減小小辨接法的危害楊繼深 2002年4月電氣系