PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)課件

第六章PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)

地線和電源線上的噪聲Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅(qū)動(dòng)電路ICCI驅(qū)動(dòng)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(guò)孔連接起來(lái)。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(gè)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(gè)關(guān)鍵是在布信號(hào)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(guò)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(méi)有強(qiáng)。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(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。最小容量：儲(chǔ)能電容的容量太小時(shí)，同樣不能達(dá)到預(yù)期的效果。但這是因?yàn)閮?chǔ)能不足造成的。儲(chǔ)能電容的最小容量用下面公式計(jì)算：C=dIdt/dV式中，dV是在時(shí)間dt內(nèi)，瞬變電流dI造成的電壓瞬間跌落。這個(gè)公式僅是概念性的，在實(shí)踐中，常常采用試驗(yàn)的方法確定最佳電容值。根據(jù)試驗(yàn)，對(duì)14和16腳的芯片，470~1000pF的電容具有最好的效果。儲(chǔ)能電容的種類(lèi)：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(dú)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(diǎn)的噪聲電壓，電源線對(duì)地的噪聲電壓，小于500mV。線路板的兩種輻射機(jī)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(gè)源，一個(gè)是PCB走線，另一個(gè)是I/O電纜。根據(jù)輻射驅(qū)動(dòng)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(hào)環(huán)路中流動(dòng)，這個(gè)信號(hào)環(huán)路會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。由于這種電流是差模的，因此信號(hào)環(huán)路產(chǎn)生的輻射稱(chēng)為差模輻射。

共模輻射：當(dāng)傳輸信號(hào)的導(dǎo)體的電位與鄰近導(dǎo)體的電位不同時(shí)，在兩者之間就會(huì)產(chǎn)生電流。即使兩者之間沒(méi)有任何導(dǎo)體連接，高頻電流也會(huì)通過(guò)寄生電容流動(dòng)。這種電流稱(chēng)為共模電流，它所產(chǎn)生的輻射稱(chēng)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(chǎng)區(qū)內(nèi):H=IA/(4D3)A/m

E=Z0IA/(2D2)V/mZW=Z0（2D/）遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)際電路的輻射ZGZLVZC=ZG+ZL近場(chǎng)：ZC7.9DfE=7.96VA/D3（V/m）ZC7.9Df，E=63IAf/D2（V/m）H=7.96IA/D3（A/m）遠(yuǎn)場(chǎng)：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(cè)公式考慮地面反射時(shí)：E=2.6IAf2/D（V/m）脈沖信號(hào)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(diǎn)說(shuō)明說(shuō)明1：表中僅對(duì)單個(gè)環(huán)路的輻射進(jìn)行了計(jì)算，如果n個(gè)環(huán)路的信號(hào)頻率相同，則它們輻射的頻率也相同，強(qiáng)度疊加，則總輻射正比于n。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，盡量避免使用同一個(gè)時(shí)鐘來(lái)獲得不同的同步信號(hào)。如果，各個(gè)環(huán)路中電流的頻率不同，則沒(méi)有疊加的關(guān)系。說(shuō)明2：絕不意味著只要電路滿足了這個(gè)條件（多個(gè)環(huán)路時(shí)，考慮疊加），PCB就能滿足EMI指標(biāo)要求。因?yàn)榫€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(qiáng)。說(shuō)明3：如果線路板上某個(gè)環(huán)路不滿足這些條件，則PCB肯定會(huì)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(zhǎng)的導(dǎo)線上有較大的電流時(shí)，用緩沖器減小電流。降低頻率f：當(dāng)電路功能允許時(shí)，盡量使用低速芯片。因此降低電路的頻率的做法在許多場(chǎng)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(lái)理解：1延長(zhǎng)上升時(shí)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(guò)減小信號(hào)環(huán)路面積能夠有效地減小環(huán)路的輻射?？刂菩盘?hào)環(huán)路面積從兩個(gè)方面入手，一個(gè)是在選用芯片時(shí)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(shí)，盡量控制信號(hào)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(jiǎn)單的方法是在關(guān)鍵信號(hào)線邊上布一條地線，這條地線應(yīng)盡量靠近信號(hào)線。這樣就形成了較小的回路面積，減小差模輻射和對(duì)外界干擾的敏感度。根據(jù)前面的分析，當(dāng)在信號(hào)線的旁邊加一條地線后，就形成了一個(gè)面積最小的回路，信號(hào)電流肯定會(huì)取道這個(gè)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(hào)線的下面，沿著信號(hào)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(hào)線的長(zhǎng)度。隨便設(shè)置的地線沒(méi)有用在線路板上沒(méi)有布線的地方全部鋪上地線是EMC設(shè)計(jì)嗎？多層板能減小輻射信號(hào)1電源層地線層信號(hào)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?cái)?shù)字地A/D變換器L75mm25mmL:0~10cmVAB:15~75mVAB線路板邊緣的一些問(wèn)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扁平電纜的使用地線一部分信號(hào)回流經(jīng)過(guò)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(cè)量電流卡鉗頻譜分析儀VdBVICM被測(cè)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(zhǎng)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?；芈犯纳屏?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(diǎn)干凈區(qū)域?yàn)V波電容電源線連接地線連接信號(hào)濾波器隔離變壓器/光耦隔離器橋壕溝時(shí)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(guò)大低速接口10~100kB/s高速接口2MB/s低速CMOSTTL上升時(shí)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(shí)心銅屏蔽層的錯(cuò)誤接法CM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)