PCB层级线路分布参数分析

1、PCB层级线路分布参数分析杨继深杨继深毕业于清华大学电子工程系，日本广岛大学硕士。从1988年至今从事军用设备的电磁兼容设计工作，取得过多项科技进步奖，不仅在电磁兼容理论方面有较深的造诣，实践经验丰富，而且擅长技术培训。线路板走线的电感WSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MIIL = 0.002S2.303*ln 2S / (W+H ) + 0.5 + 0.2235(W+H)/S H其中：STrack长度，WTrack平均宽度，HTrack厚度所有长度单位均为cm，计算所得电感量单位uH其中：M两

2、Track间的互感系数，L1、L2为两Track电感量导线的阻抗Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2RAC=0.076rf1/2RDCr电流深度0.37II趋肤效应趋肤效应r:电阻率；RDC：直流阻抗；RAC:交流阻抗RAC=H/(r*SAC)H铜电阻率为0.0175mm2/m理论上，均匀金属物质的电阻（R表示，单位：欧姆）为：R=L/S()，式中，是物质的电阻率，单位是：.m。而金属的温度系数的定义是：设该金属在0时的电阻率为o，100时的电阻率为100，则0到100之间的平均温度系数为o.100=（100o）/100o。这么算下来铜的电阻率在20和100摄氏度的时候，电阻率分别

3、在0.0175和0.0228f:工作电流基频；SAC：扣除趋肤效应后的导体截面积。常见导体的电阻率实验证明，当温度改变时，导体的电阻率也要改变。所有金属的电阻率都随温度的升高而增大。在一般的温度范围内，几乎所有金属导体的电阻率都与温度之间近似地有如下的线性关系：式中和分别为温度t和0时的电阻率，称为电阻的温度系数，单位为(每度)。纯金属铜在20的电阻率为：1.7376X10-8m(欧米)100的电阻率为：2.288X10-8m(欧米)导线的阻抗频率 Hz d = 0.65cm 10cm 1m d = 0.27cm 10cm 1m d = 0.06cm 10cm 1m d= 0.04cm 10c

4、m 1m 10Hz 51.4 517 327 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429 7.14m 632 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 1

5、00M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115 电流回路的阻抗LRIZ = R + j LL = / I A过孔的阻抗1.5mm PGA128-pinC/4 PGA1010010.1nH/cm 25 50 75 100与过孔之间的距离与过孔之间的距离 mm长地线的阻抗设备设备Z0 = (L/C)1/2RRLLCCFP1 = 1/2 (LC)1/2ZP = ( L)2/RRAC RDC 串联谐振串联谐振并联谐振并联谐振趋肤深度举例互电感定义与计算定义：定义： 自感自感L 1 / I1 ， 互感互感 M 12 / I1 1 是电流是电流I1在回路在回路1中产生的磁

6、通，中产生的磁通， 12 是电流是电流I1在回路在回路2中产生的磁通中产生的磁通回路回路1回路回路2aba M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 实际电容器的特性ZC实际电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器电容量 谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.63300pF19.31100pF33680pF42.5330pF60自谐振频率：f=1/2LCCL陶瓷电容谐振频率1nf1M100k1010.110k1k10010Hz 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G阻阻抗抗 100pf10nf100nf10f1f10mf100f1m10cm1cm

7、1mm表面贴装电容的阻抗特性电压对陶瓷电容容量的影响COGX7RY5V200-20-40-60-80020406080100%额定电压（额定电压（Vdc）% C温度对陶瓷电容容量的影响0.15-0.150-551255-150-55125-10-5COGX7R-6020-3090-300Y5V30% C% C% C克服电容非理想性的方法衰减电容并联 LC并联 电感并联小电容大电容大电容并联电容频率大容量小容量实际电感器的特性ZL理想电感实际电感f电感量（H）谐振频率(MHZ)3.4458.828685.71252.65001.2绕在铁粉芯上的电感自谐振频率：f1/2LCLCR电感寄生电容的来源

8、每圈之间的电容每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容导线与磁芯之间的电容CTC磁芯为导体时，磁芯为导体时，CTC为主要因素，为主要因素，磁芯为非导体时，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。为主要因素。磁芯对电感寄生电容的影响铁粉芯铁粉芯 C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌）铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4%减小电感寄生电容的方法然后：然后：起始端与终止端远离（夹角大于起始端与终止端远离（夹角大于40度）度）尽量单层绕制，并增加匝间距离尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，多层绕制时， 采用采用“渐进渐进”方式绕，不要来回绕方式绕，不要来回

9、绕1. 分组绕制分组绕制 （要求高时，用大电感和小电感串联起（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）来使用）如果磁芯是导体，首先：如果磁芯是导体，首先：用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离脉冲信号的频谱T1/d1/trdtr 谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAV( or I) = 2A(d+tr)/TV( or I) = 0.64A/TfV( or I) = 0.2A/Ttrf2上升沿越陡高频越丰富共模和差模电流共模/差模干扰的产生VVICMICMICMIDM共模/差模干扰的产生GNDISignal

10、Radiated EmissionGND WirePWBI/O Cable1cmGND Plane or GridCommon mode radiation(monopole type)Differential mode radiation(loop type)PWB常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时：考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m）平衡电路的抗干扰特性电磁场V1V2I1I2VD平衡性好坏用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( VC / VD )VC 高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低怎样减小共模辐射

11、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使用尽量短的电缆短的电缆共模滤波共模滤波电缆屏蔽电缆屏蔽增加共模回路的阻抗PCBPCB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提高共模干扰抑制的方法平衡电路屏蔽电缆共模扼流圈平衡电路CMRR 共模抑制比CMRRff脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线频谱包络线差模辐

12、射频率特性线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线脉冲的差模辐射包络线 1/ d 1/ tr40dB/decfff- 20dB/dec- 40dB/dec E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f 40dB/dec20dB/dec电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路被驱动电路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg线路板的两种辐射机理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电流环路产生的辐射近场区内近场区内: H = IA / (4 D3

13、) 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 AI随频率、距离增加而增加 Z0 f、D导线的辐射近场区内近场区内: 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 I L / (2 D) V/mI L随频率、距离增加而减小 Z0 f、D悬浮电缆ICM近场区内近场区内: E = 14

14、30I 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/mL /2或或 /4时：时： E = 120I / D V/m电缆长度：电缆长度：L实际电路的辐射ZGZLVZC = 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 = AI非平衡

15、转换为平衡地线电位示意图2mV200mV2mV10mV10mV20mV20mV100mV100mV200mV家用电器产品EMC认证进行的检验项目：家用电器产品EMC认证进行的EMC检验项目包含电磁发射（EMI）和电磁抗扰度（EMS）两个方面：电磁发射（EMI）的检验项目有：.连续干扰电压（传导骚扰，Conduction）（150kHz30MHz）-EN-55011.断续干扰电压（喀呖声,Click）（150kHz、500kHz、1.4MHz和30MHz）-EN-55014-1.干扰功率（PowerClamp）（30MHz300MHz）-EN-55013.谐波电流(Harmonic)（240次谐

16、波）-IEC61000-3-2.电压波动和闪烁（Flicker）。-IEC-61000-3-3电磁抗扰度（EMS）的检验项目有：.静电放电抗扰度（ESD）-IEC61000-4-2.辐射电磁场（MagneticEmission）（80MHz1000MHz）抗扰度-EN-55011,15.电快速瞬变/脉冲群抗扰度（EFT/Burst）-IEC-61000-4-2.浪涌（雷击，Surge）抗扰度-IEC-61000-4-5.传导干扰抗扰度（C/S）和辐射干扰抗扰度（R/S）-IEC-61000-4-3,-4-6.电压暂降（VoltageDips）和短时中断（Interruptions）抗扰度-IE

17、C-61000-4-11,29.工频磁场干扰抗扰度（M/S）-IEC-61000-4-8抗扰度测试的主要项目：标 准试验项目参数和规定EN61000-4-2静电放电4KV（接触放电）/8KV（空气放电）EN61000-4-4快速脉冲0.5KV（输出.信号端）1.0KV（电源端）5/50ns 5KHzEN61000-4-6注入电流0.15-230MHz 1V或3V（未调制） 150ohm阻抗 80%AM 1KHZ）0.15-80MHZ1V或3V150ohm阻抗 80%AM（1KHZ）EN61000-4-3射频电磁场80-1000MHz 3V未调制 80%AM（1KHZ）EN61000-4-5浪涌

18、雷击1KV / 2KV 1.2/50usEN61000-4-11短时中断0%0.5P电压暂降40%10P70%50P其最多需要进行六个项目的抗扰度试验：断续骚扰电压发射(Clicker)测试骚扰电压分连续骚扰电压和断续骚扰电压两种，连续骚扰电压测试即我们后面接下来介绍的传导发射(ConductedEmission)指标；断续骚扰电压是我们常说的Clicker。CLICKER是指单个脉冲持续时间小于200ms；间隔时间大于200ms；任意2s内发生两次以上；干扰限值超过连续骚扰限值。N代表Clicker率。记录40个Clicker或120min,计算N。N0.2时Limit=L+44dB0.2=N1.6 0.8mEUT绝缘垫绝缘垫垂直耦合板垂直耦合板500mm正