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印制电路板的电磁兼容问题摘要 主要介绍了在设计印制电路板时需要考虑的电磁兼容问题并说明产生问题的原因关键词 印制电路板电磁兼容信号完整性电磁干扰中图分类号 文献标识码 文章编号 8+,*1,9:;=?@ABCD?E=FGHBIJFJKFH@?LIDDKJMLDDFNGLAFGHBNFHO:;PLBIFDJKDDBIFGHMFD=L=BQ)R,S+9TU:;VFNGLAFGHBNFHO:;PW1X),-S)9 *,10)YW9 印制电路板TU 易于制造性能可靠价格便宜因此广泛地应用于各种电子设备中近年来随着电子技术的发展印制电路板上微处理器和逻辑电路中的时钟 速率越来越快信号的上升Z下降时间越来越短同时板上器件密度和布线密度不断增加印制电路板的电磁兼容问题变得日益突出在电磁兼容层面分析印制电路板要考虑三个基本问题 保证信号在板上可靠地传输确保信号的完整性VFNGLAPGHBNFHO 抑制电磁干扰:;P 的传播加强防护防止因为抗扰度不足引起灵敏度故障VKDJB=HF@FAFHO[LFAKB 对于相对低频的信号信号的频谱上限为;\] 通常可以不考虑上述的问题但是当信号波长 与信号线长度 可相互比拟时 就需要考虑印制线的几何尺寸布线线间间隔以及传输信号的上升下降时间脉冲宽度与周期等因素以致需要用传输线理论在某些场合需要用微波理论 来正确地分析信号的传播印制电路板上的印制线通常可以用微带线或带状线模型来模拟微带线模型由介质基片一边的导体带和基片另一边的金属接地板构成它可用来模拟TU表面层的印制导线带状线模型由上下接地导体和中间导体带构成接地板和导体带之间是绝缘介质它可以模拟多层TU中间层的印制导线信号完整性TU上的信号完整性问题主要包括时延阻抗不匹配地弹跳^?KGIU?KGJB 串音等信号完整性问题会影响电子器件的稳定工作 信号时延 对于高频信号传输时延应该是电路设计者考虑的最基本的问题之一传输时延与信号线的长度信号传输速度的关系如下 作者简介J式中 J真空中的光速有效的相对电导率信号线的长度与传输线周围介质有关对于微带传输线来说介于板的相对电导率与空气相对电导率之间在大多数系统中信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差JA?J_D_B` 的最直接因素时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号到达接收端的时间不同步时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性如果时钟脉冲相位差太大会在接收端产生错误的信号如图所示传输线时延已经成为时钟脉冲周期A?J_OJAB 中的重要部分图传输时延对信号的影响 阻抗不匹配 阻抗不匹配可以由驱动源传输线和负载的阻抗不同引起也可由传输线的不连续例如导通孔短截线 引起另外由于返回路径上局部电感电容的变化返回路径不连续也会导致阻抗不连续这种阻抗的不匹配会导致反射和阻尼振荡反射会引起信号的振铃aFGNFGN 现象即在稳态信号上下产生的电压过冲和下冲现象如图 所示为了将电压的过冲Z下冲限制在合理的范围内不超出稳态值的bcb 应该遵循下面这样一个原则 信号的上升时间要小于信号在印制导线上来回引起的传输时延即 式中 指信号的上升时间信号线的长度信号线单位长度引起的延时振铃现象可能会导致误触发为了消除振铃现象的影响方法之一就是等待信号稳定下来但这又会减小系统最大可能的时钟速率图 反射引起的振铃现象 地弹跳^?KGIU?KGJB 所谓地弹跳是指在某一集成电路开关时由于TU的地线以及集成电路的接地引线具有一定的电感相应会引起器件内部地电位短暂的冲击或下降而来自其它器件的输入驱动信号或者由此器件输出信号所驱动的其他器件都是以外部系统地为参考的这种参考地电位的不一致可能会导致器件的输入门槛或输出电平的改变从而给高速TU的设计带来问题对于电源来说也存在类似的问题 串音 通常可分为两部分即公共阻抗耦合和电磁场耦合公共阻抗耦合是因为不同信号共用公共返回路径引起的这种耦合通常在低频时起决定作用电磁场耦合又可分为电感耦合与电容耦合串音属于近场问题在TU上串音与线的长度线的间距线中传输信号的方向以及参考地平面的状况有关例如地平面上的裂缝V=AFH 会使跨越裂缝的邻近线路的串音增加引起信号波形畸变 减小传导发射和辐射发射电磁干扰问题主要包括传导发射和辐射发射问题电磁兼容中所谓的发射是指 从源向外发出电磁能的现象与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同TU中的发射常常是无意的辐射发射标准通常覆盖;\]^\]的范围在不久的将来将扩展至c^\]对于传导发射[将范围限制在c;\]而PVTa将下限延伸c;\]滤波是抑制传导发射的一种重要方法对离开TU板的信号线进行滤波可以抑制传导发射的传播高频时TU上的印制线就像一个单极天线;?G?=?ABGHBGGLD 或环形天线d??=GHBGGLD 向外辐射能量辐射发射可以分为两种基本类型 差模辐射和共模辐射差模辐射是由于闭合环路中的电流即所谓的差模电流 引起的辐射的强度与环的面积电流的大小及频率的平方成正比通过减小上述因素尤其是频率可以减小辐射的强度另外环的辐射具有方向性一个小电流环的电场辐射值在环所处的平面上最大而在环的轴向上最小共模辐射是由寄生效应例如地线层电源层或电缆上的感应电流所谓的共模电流 引起的共模辐射与一个单极天线类似辐射的强度与单位线长中的电流及频率有关但对方向不敏感由于差模电流产生的辐射是相减的而共模电流产生的辐射是相加的所以即使共模电流比差模电流小的多也会产生程度相当的辐射场例如长为C的电缆其中间距为 CC的两导线中流有;\] C的差模电流会在C外产生eZC辐射电场而对共模电流来说只需要f的电流就能产生同样程度的辐射在进行远场分析时必须考虑共模辐射加强防护防护的强度随产品的用途而定对于无关紧要的电子产品就不需要专门的防护而对于军用的电子产品及用于电厂与电网控制的电子设备就需要加以最高等级的防护因为即使是在极端情况下也要保证这些设备能正常工作结论在设计印制电路板时必须考虑电磁兼容问题以确保设计功能的实现在高频时简单的电路模拟可能不再适用而需要用传输线理论或微波理论来分析遇到的问题参考文献 吴正娴 微波原理 武汉武汉大学出版社 !#$ %&'!()&&&*!**((!&*!*!*& + ,!# - - - .!/0123 ,4#'*)!*!!/5 + ,!#- 6 短讯征文启事征文范围联系地址北京朝阳区平乐园号北京工业大学材料学院邮编联系人王从曾电话