PCB的电磁兼容设计PPT学习教案

1、会计学1 PCB的电磁兼容设计的电磁兼容设计 一、脉冲信号的频谱一、脉冲信号的频谱 脉冲电路的应用才导致日益严重的电 磁兼容问题。这是由于脉冲信号具有丰富 的谐波，这些高次谐波很容易借助各种导 线和电缆产生辐射，造成干扰。用傅立叶 级数（对周期脉冲信号）或傅立叶变换（ 对非周期信号）可以求出脉冲信号的频谱 。 第1页/共59页 T 1/d 1/tr d tr 谐波幅度 （电压或电流 ） 频率（对数） -20dB/dec -40dB/dec A V( or I) = 2A(d+tr)/T V( or I) = 0.64A/Tf V( or I) = 0.2A/Ttrf2 第2页/共59页 二、地

2、线和电源线上的噪声二、地线和电源线上的噪声 数字电路的电源线和地线上的噪声是很严重的，通常用示波器可以在电源线上 观察到明显的噪声电压。虽然许多人可以断定这些噪声电路电磁干扰问题的原因 ，但是不知道如何解决。要顺利解决这种干扰噪声，需要搞清楚这些噪声产生的 机理。 电源线上的噪声：电源线上的噪声： 图中是一个典型的门电路输出级，当输出为高时，Q3导通，Q4截止，相反， 当输出为低时，Q3截止，Q4导通，这两种状态都在电源与地线之间形成了高阻 抗，限制了电源的电流。 但是，当状态发生变化时，会有一段时间Q3和Q4同时导通，这时在电源与地 线之间形成了短暂的低阻抗，产生30-100毫安的尖峰电流。

3、当门级输出从低变 为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这 个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感L，因此当发生电流突变 时，电感上会产生感应电压，电压的幅度为L（di/dt）。这就是在电源线上观察 到的噪声。另外，由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。 地线上的噪声：地线上的噪声： 在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别 是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的尖峰电流更大。由于地线总 有不同程度的电感，因此会感应出电压，这就是地线噪声。 特别注意：特别注意： 地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常，

4、而且会产生较强的电 磁辐射。 第3页/共59页 Q1 Q2 Q3 Q4 R4R2 R3 R1 VCC 被驱动电路被驱动电路 ICC I驱动驱动 I充电充电 I放电放电 Ig Vg 第4页/共59页 三、电源线、地线噪声电压波形三、电源线、地线噪声电压波形 电源线上的电流电源线上的电流ICC： 在输出状态不同时，幅值是不同的。输出稳定时，电流也是稳定的。当输 出从低变为高时，由于瞬间短路，电流增加，同时需要给电路中的寄生电 容充电，电流更大。当输出从高变为低时，由于瞬间短路，电流增加，但 不需要给电路中的寄生电容充电，因此电流较输出从低变为高时小。 电源线上的电压电源线上的电压VCC： 当电流I

5、CC发生突变时，由于电源线的电感L，会有感应电压L（di/dt）产 生。与电流ICC比较，可以知道每个脉冲沿对应两个方向相反的感应电压。 如果成千上万的电路在工作，电源线上的干扰是十分严重的。 地线上的电流地线上的电流Ig： 地线上的电流是电源上的电流与电路中寄生电容放电电流之和。在输出 状态不同时，幅值是不同的。输出稳定时，电流也是稳定的。当输出从低 变为高时，由于瞬间短路，电流增加。当输出从高变为低时，电路中的寄 生电容放电，因此电流峰值较输出从低变高时更大。 地线上的电压地线上的电压Vg： 当电流Ig发生突变时，由于地线的电感L，会有感应电压L（di/dt）产生。 另外，地线上流过较大的

6、电流时，还会在地线阻抗上产生电压反冲（这对 逻辑电路的影响很大）。 第5页/共59页 输出 ICC VCC Ig Vg 第6页/共59页 四、地线干扰对电路的影响四、地线干扰对电路的影响 当门的输出从高变为低时，会发生以下过程：当门的输出从高变为低时，会发生以下过程： 门1从高变为低-寄生电容放电加上瞬间短路的电流-门1、2的地线上流过很大的电流-由于电线阻抗在门1和门2地线端产生尖峰电压-如果门2的输出为低，这个干扰偶合到门4的输入-造成门4的状态变化。 地线上的噪声主要会造成逻辑电路地电平的变化，因此逻辑电路输出低电平时，对地线噪声更敏感。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。 注意：注

7、意： 对数字电路。地线阻抗决不是地线电阻，例如，宽0、5毫米的印刷板，每英寸电阻为12毫欧姆，电感是15nH，对于160MHz的信号，其阻抗为9、24欧姆，远大于直流电阻，因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。 第7页/共59页 13 24 寄生电容 第8页/共59页 五、线路板走线的电感五、线路板走线的电感 增加走线的宽度对减小电感的作 用很有限。 多根导体并联是一个降低电感更 有效的方法（当两个导体距离较远时 ，互感可以忽略）。 第9页/共59页 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 H W S L = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2

8、 - 2M ) 若：若：L1 = L2 L= ( L1 + M ) / 2 M I I 第10页/共59页 六、地线网格六、地线网格 地线网格： 在双层板的两面布置尽量多的平行地线 ，一面水平线，另一面垂直线，然后在它 们交叉的地方用金属化的过孔连接起来。 地线网格的制作方法：制作地线网格 的一个关键是在布线之前布地线网格。 地线网格的效果：地线网格对地线噪声的 改善是十分明显的。 第11页/共59页 第12页/共59页 七、电源线噪声的消除七、电源线噪声的消除 储能电容：储能电容： 储能电容的作用是为芯片提供了电路输出状态发生变化时所需的大电流，这样就避免了电源线上的电流发生突变，减小了感应

9、出的噪声电压。 储能电容安装位置：储能电容安装位置： 在布线时尽量靠近芯片，使储能电容的供电回路面积尽量小。使储能电容与芯片电源端和地线之间的联线尽量端。 二级储能电容：二级储能电容： 每片芯片的储能电容在放电完毕后，需要及时补充电荷，作好下次放电的准备。为了减小对电源系统的骚扰，通常也通过电容（二级储能电容）来提供电荷。一般安装在电源线的入口处，容量为芯片储能电容总容量的10倍以上。如果线路板上的芯片较少时，一只二级储能电容就可以了。如果线路板上的芯片较多，每1015片设置一个二级储能电容。这个电容同样要求串联电感尽量小，因该使用钽电解电容，而不要使用铝电解电容，后者具有较大的内部电感。 第

10、13页/共59页 电源线电感电源线电感 储能电容储能电容 这个环路尽量小这个环路尽量小 第14页/共59页 尽量使电源线与地线靠近尽量使电源线与地线靠近 第15页/共59页 C = dI dt dV Z f 1/2 LC 各参数含义：在时间各参数含义：在时间dt内，电源线上出现了瞬间电流内，电源线上出现了瞬间电流dI，dI导致了电源线上出现电压跌落导致了电源线上出现电压跌落dV。为了保证电容提供高频电流的能力，电容不能太大。在实践中，常常采用试验的方法确定最佳电容值。为了保证电容提供高频电流的能力，电容不能太大。在实践中，常常采用试验的方法确定最佳电容值。 第16页/共59页 电源电源 地地

11、铁氧体铁氧体 注意铁氧体安装的位置注意铁氧体安装的位置 接地线面接地线面 细线细线 粗线粗线 用铁氧体增用铁氧体增 加电源端阻加电源端阻 抗抗 用细线增加用细线增加 电源端阻抗电源端阻抗 第17页/共59页 如果能增加芯片从电源吸收能量的难度，就能够使芯片尽量从储能电容吸收能量。根据这个思路，可以人为地增加解偶电容电源一侧电源线的阻抗。 方法一：在解偶电容电源一侧安装一只铁氧体磁珠，由于磁珠对高频电流呈现较大的阻抗，因此增加了电源解偶电容的效果。 方法二：布线时，使解偶电容电源一侧的电源线尽量细（但要满足供电的要求），增加走线的电感，相当于增加了阻抗，可以起到一定的效果。 说明1：增加电源一侧

12、的阻抗的原理不仅在芯片级的储能电容上应用，在二级储能电容和线路板上的电源入口处都可以使用。特别是在电源线入口处使用适当的扼流圈可以减小较长电源线上的电流波动，减小辐射。 说明2：铁氧体必须安装在靠近电源的一端，而不能是芯片的一端。 说明3：铁氧体主要在高频发挥作用。 第18页/共59页 差模辐射差模辐射 共模辐射共模辐射 电流环电流环 杆天线杆天线 第19页/共59页 辐射源辐射源：一个是PCB走线，一个是线路板 的各种电缆。 差模辐射差模辐射：信号环路产生的辐射。 共模辐射共模辐射：传输信号的导体的电位与邻近 导体的电位不同时，两者之间就会产生电 流，这个电流产生的辐射。在电子设备中 ，电缆

13、的辐射主要以共模辐射为主。 第20页/共59页 近场区内近场区内: H = IA / (4 D3) A/m E = Z0IA / (2 D2) V/m ZW = Z0（2 D/ ） 远场区内远场区内: H = IA / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m ZW = Z0 = 377 A I 随频率、距离增加而增 加 Z 0 f、 D 第21页/共59页 近场区内近场区内: H = I L / (4 D2) A/m E = Z0I L / (8 2 D3) V/m ZW = Z0（ /2 D） 远场区内远场区内: H = I L / (2 D) A/m E = Z0

14、I L / (2 D) V/m I L 随频率、距离增加而减 小 Z0 f、D 第22页/共59页 ZG ZL V ZC = ZG + ZL 近场：近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA / D3 （ V/m） ZC 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （ V/m） H = 7.96IA / D3 （ A/m） 远场：远场： E = 1.3 I A f 2 /D （ V/m） 环路面积环路面积 = A I 第23页/共59页 考虑地面反射时：考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m） 第24页/共59页 逻辑 系列 上升 时间 电流 不同

15、时钟频率允许的面积（cm2 ） 4MHz 10 30 100 4000B 40 6 1000 400 74HC 6 20 50 45 18 6 74LS 6 50 20 18 7.2 2.4 74AC 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74F 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N 。因此，可能时，分散时钟频率。 第25页/共59页 E = 2.6 I A f 2 / D 低通滤波低通滤波 器器 布线 第26页/共59页 减小差模电流I、降低频率和控制差模电 流的环

16、路面积（最现实而有效的方法）。 控制差模电流的环路面积主要从两方面 入手： 选用器件：尽量选用大规模继承电路 布线：尽量控制信号回路的面积。 第27页/共59页 1 10 100 1000 1 10 100 1000 dB V/m dB V/m 所有电路加电工作所有电路加电工作 只有时钟电路加电工作只有时钟电路加电工作 第28页/共59页 LR I Z = R + j L L = / I A 第29页/共59页 电流回路的阻抗：电流回路的阻抗： 导线的电阻和环路的电感形成的感抗。导线的电阻和环路的电感形成的感抗。 影响回路电感的因素：影响回路电感的因素： 回路的阻抗与回路的面积成正比。回路的阻

17、抗与回路的面积成正比。 实验装置：实验装置： 同轴电缆的一端接信号发生器，频率可变，另一 端接电阻负载。 结论结论： 高频电流总是走电感最小的路径，也就是回路最小 的路径。 第30页/共59页 第31页/共59页 要改善线路板的电磁兼容性，最简单的方法是减 小关键信号的回路面积。 关键信号：关键信号： 产生较强辐射的信号（周期信号、例如时钟信 号、地址的低位信号）和对外界敏感的信号（电平较 低的模拟信号）。 减小关键信号的回路面积的方法：减小关键信号的回路面积的方法： 一种简单的方法是在关键信号线边上布一条地 线，这条地线尽量靠近信号线，这样就形成面积较小 的一个回路。如果是双层板，可以在线路

18、板的另一面 ，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，地 线尽量宽些。 第32页/共59页 68HC11 74HC00 A B 连接连接A、B E时钟 第33页/共59页 电流环路面积大，产生较强的辐射。 解决办法：解决办法： 在每条竖地线之间增加一条短路线，就构成了地线 网络，能够为每个信号电流提供一个较小的信号环路 。信号电流取环路面积较小的路径。 信号电流的回路地线很长，其环路面积几乎覆盖了 整个线路板，因此2MHZ的时钟信号的电流回路面积实 际是整块电路板，这会产生很强的辐射。 解决方法：解决方法： 将A与B点连接起来。 说明：说明： 在设计电路时，不仅要关注信号线，控制其长度， 还

19、要关注信号回流线，使整个电流回路的面积最小。 第34页/共59页 在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？设计吗？ 地线的作用：地线的作用： 一是减小回路面积；二是减小轨线之间的串扰。 说明：说明： 设置地线之前，要想清楚它起什么作用，是减小回路面积，还是对 耦合起到了隔离作用。 第35页/共59页 信号信号1 电源层电源层 地线层地线层 信号信号2 低频 高频 DC0.5 1 10 100 1G 1 10 地线面的阻抗，地线面的阻抗，m / 平方平方 地线面具有很小的地线阻地线面具有很小的地线阻 抗抗 第36页/共59页 多层线路板减小了信号

20、环路面积，所以多层板能减 小辐射。 多层线路板布线原则：多层线路板布线原则： 将电源层和地线层相邻；每层信号线都应该与一 层地线层相邻；高速信号线避免换走线层，必须要换 层时，应该以同一层地线为中心；模拟电路和数字电 路他们的地线层要分开，但要在同一层地线面上划分 ，而不要用两层分别做地线。 地线面具有很小的地线阻抗地线面具有很小的地线阻抗 第37页/共59页 模拟模拟 地地 数字数字 地地 A/D变换器 L 75mm 25mm L : 0 10cm VAB : 15 75mV AB 第38页/共59页 长缝隙的危害： 形成较大的信号环路。 长缝隙的处理： 增加一根横跨线（在关键线近旁，越近越

21、好）。 模拟地与数字地之间的缝隙：模拟地与数字地之间的缝隙： 决不能使任何信号线横跨缝隙，而应该从两者的 连接点穿过。 第39页/共59页 关键线（时钟、射频等 ） 产生较强辐 射 无地 线 电源 层 地线 层20H 第40页/共59页 地线 一部分信号回流经过一部分信号回流经过ABCD AB C D 最好最好较好较好差差 较好，但端接困难较好，但端接困难 扁平电缆 这两处都有地这两处都有地 线线 第41页/共59页 L I2 H CP I3 I1 CP VCM 机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！ 第42页/共59页 机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！机箱内的

22、所有信号都会通过电缆辐射！ 外拖电缆中的信号环路面积很小，因此差模辐射并不是主要的，电缆的共模辐射是主要的。 注意注意1： 不要试图通过将电路与大地“断开”来减小共模辐射。 第43页/共59页 L CP ICM RW RWL ZCM = RW + j L+RL+1/ j C 第44页/共59页 ICM 近场区内近场区内: E = 1430I L / (f D3) V/m 远场区内远场区内: E = 0.63 I L f / D V/m 考虑地面反射：考虑地面反射： E = 1.26 I L f / D V/m L /2或或 /4时：时： E = 120I / D V/m 电缆长度：电缆长度：L

23、 第45页/共59页 电流卡钳电流卡钳 频谱分析仪频谱分析仪 VdB V ICM 被测电流被测电流 I V 传输阻抗：传输阻抗：ZT = V / I 第46页/共59页 E = 1.26 I L f / D 共模滤波共模滤波 共模扼流圈共模扼流圈 减小共模电压减小共模电压 使用尽量短的电缆使用尽量短的电缆 共模滤波共模滤波 电缆屏蔽电缆屏蔽 第47页/共59页 电缆长度控制： 减小共模电流：增加共模电流环路的阻抗（使用共模扼流圈）、减小共模电压、滤波 屏蔽电缆： 但要注意电缆屏蔽层的端接方法和端接位置。 平衡电路： 第48页/共59页 +Vc c -Vcc + V -V Z0/2 Z0/ 2 第49页/共59页 PCB PCB 共模回路共模回路 改善量改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2) =20 lg ( ZCM2 / ZCM1) =20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 ) dB 第50页/共59页 增加共模回路的阻抗可以减小辐射。 怎样增加回路的共模阻抗： 在电缆上安装一个共模扼流圈，简单的方 法就是套一个铁氧体磁珠。 第51页/共59页 干净区域 滤波电容 电源线连接 地