印制电路板设计电磁兼容性分析

个人资料整理仅限学习使用个人资料整理仅限学习使用/8印制电路板设计地电磁兼容性分析来源：|作者：张文成|发布时间：2018-01-2613:16:15|浏览：129次【字体：大中小】摘要：阐述了电磁环境日益复杂地情况下 ，印制电路板电磁兼容性设计在电了产品设计中地必要性，并在分析印制电路板造成信号传输损失、电磁能量辐射形成机理地基础上对印制电路板设计中影响印制线条阻抗地因素、阻抗匹配地重要性和如何控制信号传输线地阻抗，以及印制电路板地地线结构作了分析 ，从避免印制电路板形成辐射和提高其抗干扰能力地角度阐述了在印制电路板上如何合理布置地线及地线网格她线面地应用方法 ，最后分析了印制电路板地布线原则.关键词：印制电路板。电磁兼容性。阻抗匹配。藕合。地线网格。地线面随着现代科学技术地发展，电气及电了设备地数量及种类不断增加 ，而目_产品地尺寸在不断缩小，功能在不断增加，使电磁环境日益复杂，在这种复杂地电磁环境中，如何减少相互问地电磁骚扰，使各种设备能正常运转，是一个必须解决地问题.1射频信号传输线阻抗控制L 1 阻 抗 匹 配在印制电路板中，信号传递时，希望从信号地发射端起，在能量损失最小地情形下，能顺利地传送到接收端，而目_接收端将其完全吸收而不作任何反射 ，要达到这种传输，线路中地阻抗必须和发射端地阻抗相等 ，称为阻抗匹配.如果传输线地特征阻抗与负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射，当负载阻抗大于特征阻抗时，电压信号发生正向反射，电流信号发生负向反射。反之，当负载阻抗小于特征阻抗时，电压信号发生负向反射，电流信号发生正向反射.事实上当走线地儿何形状、不正确地线端接、经过连接器地传输及电源平面地不连续等因素地变化均会导致此类反射.减小和消除反射地方法是根据传输线地特征阻抗在其发射端或接收端进行终端阻抗匹配 ，从而使反射系数接近于q所以在进行PCB走线时，应尽量使传输线在各处地特征阻抗相同[ '{.在设计射频PCB电路时，阻抗匹配是设计地要素之一，而阻抗值与走线方式有绝对地关系，例如走在表面层或内层、与参考地电源层或地层地距离、走线宽度和 PCB材质等均会影响走线地特征阻抗值，同时不同PCB生产厂家生产出来地特征阻抗也有微小地差别 .一般阻抗仿真软件会因线路模型或所使用地数学算法地限制而无法考虑到一些阻抗不连续地走线情况，这时候在原理图上只能预留一些端接 ，如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续地效应，根本解决问题地方法还是走线时尽量注意避免阻抗不连续地发生.L2印制线条地阻抗控制PCB印制线条有微带线和微带波导两种基本类型，微带线是其最外层线条，可获得高速传输，但工作时会向空问辐射较多能量。微带波导是其中问层线条 ，电路噪声防护性能好，但电容大，使快速信号地边沿速率下降.fit带线结构如图I所示,阻抗近似计算公式微晅h59附JE；41414Q明+T微带波导结构如图2所示，阻抗近似计算公式为:7_ 60. 眼“一区06771^0即+门式中：以一微带线的阻抗;当一电介质的介电常数；丁一印制线条的厚度；中一印制线条的宽度；H—电介质绝殊层的厚度.图1微带线结构影响网口印曾髓辘巽蹲很多，如卬制线条的厚度和印蝴搬西雕缘层的厚度、电介质介电常数解盘的厚度.地线的踣径和印制线条的线间距等，在具体加工和设计PCB的阻抗时,一般控制其主要因素：巳月和图2微带波导结构L2I介电常数介电常数陨着频率的增加而减小，所以在实际应用中应根据工作频率确定材料的介电常数.一股选用平均值即可满足要求,通常情况下选用的材料为炉-4FR-4的弓也防信号频率的变化有一定改变,不过在1CH?以下一般认为FR-4材料的G值约为42,使用频率为L5CH”20（；H工时工仍有下降的空间中瞥常融露解抗的要求,则必须考虑该产品当时的使制I争口皿内度,因而可知对于特征阻底格要求.12 2 度,因而可知对于特征阻底格要求.从阻抗计算公式可看出特征阻抗 Z}＞是与介质厚度地自然对数成正比地介质厚度越厚，其特征阻抗越大，所以介质厚度是影响特征阻抗地一个主要因素抗严格控制地高频线路来说，对覆铜板地介质厚度地误差应提出L23传输线宽度该因素根据需要的特征阻抗由设计人员给出，怛在设计时应充分号虑线宽对该阻抗侦的配合性」即为达到该阻抗值在一定的H和使用频率等条件下线宽的使用是有一定限制的.例如以玄接收机的射频模块接受火线传送过来的信号井进行变频,这是所有后端处理的基础,其接受信号的能力直接影响接收机的性能.射频模映输入端的传输线设计非常电要，传输线设计的好坏以及天线输出端到射就模块输入端的阻抗是否匹配.直接影响到CPS接收机的信号质量.在PCBffij电潞设计时需要对射频模块输入端的传榆线进行阻抗控制.控制值为50色并利用LC匹配网络来进行阳抗匾配,这就需要对传输线的宽度、厚度、走线方式等都进行考虑.GP3的工作频率为1575MH耳PCB采用FR-4介电常数比为42介质层厚度〃为Q?8nu正传输线图度,为Q04ma现根据需要.取线间距后为Q71m曲可计算山应取的传输线宽度为056mM__ —PCB设 应当事先与rlttp7『丁MlHWZTTF兀PCB生产商地工程师协商，了解工艺参数，PCB生产商根据自己生产地工艺参数,适当修正设计者地设计值，提供合理地阻抗值区问来达到设计要求 .为使射频传输线在信号传输时不发生反射现象，降低传输损耗，得到完整可靠、无干扰噪音地传输信号 ，在进行PCB电路设计TOC\o"1-5"\h\z时，射频电路传输线通常要求阻抗控制为50 }oPCB地地线结构分析1 地 线 网 格地线网格结构如图3所示，这样可以使信号回流地平行地线数目大幅度地增加 ，从而使地线电感对任何信号而言都保持最小 ，回流电流地环路面积也可大大减小 ，在进行布线时，首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线地布线 .这种地线结构特别适用于数字电路，但不适合低频小信号模拟电路 ，因为在低频小信号模拟电路中要避免公共阻抗藕合 .中国电磁兼容网眇明地线网格结构高速数字电路中，必须避免“梳状”地线结构，如图4所示，这种地线结构容易使信号回流电流地环路很大，会增加电磁辐射和电路地敏感度，在梳齿之问加上横线，梳状地线结构很容易 变 为 地 线 网 格 C22 地 线 面地线网格无限密就构成了一个连续地导体平面 ，这个平面称为地线面，在多层板中很容易实现，地线面能提供最小地回路电感，特别适合于射频电路和高速数字电路.图4梳状地线结为从电磁兼容的角度分析］地线面的主要作用是可大大减小地缱翻.胧根府也就电流的环路面积最小，从而有效减少地线骚扰.在高频时，回流信号并不一定走儿何上最短地路径，而会走最靠近信号线地低阻抗路径，这是因为这种路径与信号线之问地环路面积最小 ，具有最小地电感和最小地阻抗，地线面总是可以保证回流电流取最佳路径.两根电流方向相反地平行导线 地 环 路 电 感 为：式中：L和如师里41/租地一：v网根基建之网的红田.M监得限定段间的的禹成反比」曲根走父毛外时.V-/.,-儿f-()地维卤叮上喙之前的即寓世小.从而使料拜拾也感及小旧.她纥面上晌电源应该足底线的才藤双阳第刷的依果.JHL不值相败字电席的地拽面。楼想地蹄的也觊制汉境承叁，惘加：巧他或脚囚分”注了地和性孤鼬的薪瞿忤槽内,加图5所K.原明信：；或不川聘越懵RL以免环踣面鞅冢大.占秦廿电能走“腑电感暴力的地罹，邺H面帜起九环啸电酹就器小.押黑高亚信学战拘泄相也喇团而悔被见胱过用精QWd也环蹄而快旭人.齿题时用ttfli相1聚"精二卬国白而乐.恻她时璃具m嗤摄界・■干桥上.其地眉蟹琪和棘舞电眦.勉/3片的画渔就可过播同到她■.从而保证耳面甄■小*也可以用必存果设桥.此外.氐应意生检更接泰安蒙在椿健£国力如聚州假存在依大地电tflh■餐・过处按电索产午火崔籍*.■同■用§就字也身潴"地附一KIQ.ll«i「,事图H鬲।「ir^l1r47*I_I中国电磁兼容网耀中/坤河国电咫色弹库苕「.地线面还可有效控制串扰，走线之问地串扰机理有电感藕合、电容藕合和公共阻抗藕合等，地线面可将公共地线阻抗大幅减小，还可降低导线对地地电容，并目—地线面可使不同地信号回路不在一个平面内 ，从而对减少电感藕合有好处.由于对所有地信号线都实现最佳地线布线是不可能地 ，在设计时要区别对待，从干扰发射角度考虑，最重要地信号是高电流变化率信号，如时钟线、数据线和大功率方波振荡器等，从敏感度角度考虑，最重要地信号是沿触发输入、时钟系统和小信号模拟放大器等 ，分离出这些重要信号重点考虑.PCB 布线原则在PCB布线时，应先确定元器件在板上地位置，然后布置地线和电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线[3 — 5{.元器件地位置应按电源电压、数字膜拟电路、速度快慢和电流大小等进行分组 ，以免相互干扰，根据元器件地位置可以确定印制板连接器各个引脚地安排 ，所有连接器应安排在印制板地一侧，尽可能避免从两侧引出电缆，减少共模辐射.

( 1 ＞按逻当需要在电路板上布置快速、中速和低速逻辑电路时件(快逻辑、时钟振荡器等＞应安放在紧靠边沿连接器范围内远离连接器范围内，对共阻抗藕合、辐射和辑速度分割，应按图7所示布置，高速地器辑速度分割，应按图7所示布置，高速地器,而低速逻辑和存储器应安放在

交扰地减小都是有利地.低速/低电平信号梳脚图7分区布置图(2)保持印制线条的连续性在布置印制导线时，要避免线宽的突变和导线的突然拐角，拐弯最好设计成135°走向,或设计成圆形、圆见形，切忌画成90域更小角度形状.(3)电源线.信号线和地线的位置关系在PCB上会形成大量的电源线和信号线I可跻，无论是数字电路还是模拟电路.只要电路中有交变的电流流过,在电路周围就会产生交变的磁场，形成等效磁场天线,其发射场强(E)与环路中的电流强度(7)环路面积(A)虏j率的叱(7)成正比，与距离(打成反比，所以柞印制板布线网,电源线和信号http;//www,EMCCbin就org线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射地环面积，这样有助于减小电路地交扰.(4＞数字电路和模拟电路要分开，最好安排在不同层内，地和电源都要分开，因为数字信号有很宽地频谱，是产生骚扰地主要来源.(5＞时钟电路和高频电路是主要地骚扰辐射源 ，一定要单独安排，远离敏感电路.(6＞电源平面应靠近接地平面，并目—安排在接地平面之下，这样可以利用两金属平板问地电容作电源地平滑电容 ，同时接地平面还对电源平面上分布地辐射电流起到屏蔽作用。布线层应安排与整块金属平面相邻，可以产生通量对消作用.(7)2()-//原则所有的具有一定电压的卬制电路板都会向空间辐射电磁能步.在定频率七两块全属板的边绥场会产生辐射,减小一块金属板的边界尺寸使M比另跳接地板小，可将向空间的辐射大大衰减.据W.MHiaelK选提出:当尺『小至/是两层印制板的间距＞时,辐射强度开始下降，当尺寸小至2()月时,辐射强底下降70九所以电源层和信号层的物理尺寸应比戢靠近的接地层小20//b