第六章 PCB的电磁兼容设计

第六章PCB的电磁兼容设计线路板上的电磁兼容问题•线路板的辐射•外界电磁场对线路板的干扰•地线和电源线噪声•地线引起的公共阻抗耦合•走线之间的串扰走线是主要辐射源时钟频率越高辐射越强地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路ICCI驱动I充电I放电IgVg电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg地线干扰对电路的影响1324寄生电容线路板走线的电感L=0.002S(2.3lg(2S/W)+0.5HWSL=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若：L1=L2L=(L1+M)/2MII地线网格电源线噪声的消除V=L(di/dt)储能电容这个环路尽量小电源解耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近解耦电容的选择C=dIdtdVZf1/2LC各参数含义：在时间dt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dV。增强解耦效果的方法电源地铁氧体注意铁氧体安装的位置接地线面细线粗线用铁氧体增加电源端阻抗用细线增加电源端阻抗有效滤波的例子普通电容（1）三端电容（0.1）三端电容+铁氧体注意位置！多个电容改善解耦效果选择合适的电容种类插线电容表贴电容线路板的两种辐射机理差模辐射共模辐射电流环杆天线实际电路的辐射ZGZLVZC=ZG+ZL近场：ZC7.9DfE=7.96VA/D3（V/m）ZC7.9Df，E=63IAf/D2（V/m）H=7.96IA/D3（A/m）远场：E=1.3IAf2/D（V/m）环路面积=A~I常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时：E=2.6IAf2/D（V/m）脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线1/d1/tr40dB/decfff-20dB/dec-40dB/decE=2.6IAf2/DEdB=20lg（2.6IA/D）+40lgf40dB/dec20dB/dec不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积逻辑系列上升时间电流不同时钟频率允许的面积（cm2）4MHz10301004000B406100040074HC620504518674LS65020187.22.474AC3.5805.52.20.750.2574F3805.52.20.750.2574AS1.412020.830.15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。减小差模辐射的方法E=2.6IAf2/D低通滤波器布线控制高频信号的回路电路中的强辐射信号11010010001101001000dBV/mdBV/m所有电路加电工作只有时钟电路加电工作控制回路面积是布线的主要目的L=20cm减小面积降低辐射L=10cmL=5cm单层或双层板如何减小环路的面积不良布线举例一不良布线举例二68HC1174HC00AB连接A、BE时钟随便设置的地线没有用在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？地线对辐射的影响地线对辐射的影响多层板能减小辐射信号1电源层地线层信号2低频高频地线面上的缝隙的影响模拟地数字地A/D变换器L75mm25mmL:0~10cmVAB:15~75mVAB注意过孔的阻抗1.5mmPGA128-pinC/4PGA六层板的设计好不好好不好这种非典型布线具有最好的电磁兼容特性注意方向八层板的设计较好最好差很好很好电源很好注意方向十层板的设计很好很好较好注意方向线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层地线层20H扁平电缆的使用最好较好差较好，但端接困难避免面积较大的地线回路地线一部分信号回流经过ABCDABCD扁平电缆这两处都有地线注意隐蔽的辐射环路电源/地线信号线电源/地线信号线电源信号线+电源+地线电源/地线电源直流线的辐射线路板1线路板2线路板3直流线也会产生射频辐射外拖电缆的共模辐射I2CPI3I1CP尽管共模成份的比例很小，但是由于辐射环路大，仍然是主要的辐射因素“无关”的电缆也辐射无关电缆辐射机理VCM机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！地线也辐射不接地线接上地线你喜欢电缆屏蔽层接地吗?地线辐射产生的原因地线噪声电源线电感信号回路电源回路共模电流估算（两端设备都接地的情况）LRW线路板不接地：ZCM=RW+jL+RL+1/jCCPICMRWL～RL线路板接地：ZCM=RW+jL+RL1H/mV0共模电流主要由寄生电容产生V0/RL线路板接地线路板不接地CP较大CP较小频率MHz共模电流悬浮电缆ICM近场区内:E=1430IL/(fD3)V/m远场区内:E=0.63ILf/DV/m考虑地面反射：E=1.26ILf/DV/mL/2或/4时：E=120I/DV/m电缆长度：L共模电流的测量电流卡钳频谱分析仪VdBVICM被测电流IV传输阻抗：ZT=V/I怎样减小共模辐射E=1.26ILf/D共模滤波共模扼流圈减小共模电压使用尽量短的电缆共模滤波电缆屏蔽实验电路的辐射改善地线减小共模电压减小空间感应的共模电压两个措施同时采取滤波器滤除高频成份滤波器电容量的选择R负载R源电容合适电容过大低速接口10~100kB/s高速接口2MB/s低速CMOSTTL上升时间tr0.5~1s50ns100ns10ns带宽BW320kHz6MHz3.2MHz32MHz总阻抗R120100300100~150最大电容C2400pF150pF100pF30pF平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路改善量=20lg(E1/E2)=20lg(ICM1/ICM2)=20lg[(VCM/ZCM1)/(VCM/ZCM2)]=20lg(ZCM2/ZCM1)=20lg(1+ZL/ZCM1)dB铁氧体磁环I/O接口布线的一些要点干净区域滤波电容电源线连接地线连接信号滤波器隔离变压器/光耦隔离器桥壕沟时钟电路、高速电路时钟信号远离电缆接口用屏蔽电缆抑制共模辐射CMCMDMCMCM屏蔽电缆的评估CMCMDMV辐射环路VIZT=V/I不同屏蔽层的传输阻抗1021031041051061071080.0010.010.1110100100010000传输阻抗（m/m）Hz铝箔单层编织最佳单层编织双层编织双层编织+一层金属双层编织+双层金属实心铜屏蔽层的错误接法CM电缆屏蔽层的正确端接利用机械力将屏蔽层压紧金属连接器护套指形簧片护套与屏蔽层端接导电弹性衬垫连接器上紧螺纹航空连接器D形连接器D型连接器的屏蔽层搭接圆形连接器屏蔽层搭接接线端子上的屏蔽电缆尽量减小小辨接法的危害线路板上的局部屏蔽利用一层铜箔做屏蔽盒面屏蔽盒的接地间隔/20所有穿出屏蔽盒的导线经过滤波片状电容