第三章印刷电路板设计

印刷电路板（印刷电路板（PCBPCB））的电磁兼容设计的电磁兼容设计脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱T1/πd1/πtrdtr谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAV(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2△△II噪声电流噪声电流是是EMIEMI的根源的根源„信号发生0-1的变换时，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，会有电流从所接电源流入门电路，或从门电路流入地线，这个变化的电流就是△I噪声电流的源，亦称为△I噪声电流。„由于电源线和地线存在一定的阻抗，其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压，并引发其电流电压的波动，這个电源电压变化就是△I噪声电压，会引起误操作，并产生传导骚扰和辐射骚扰。„在电路中,当器件的众多信号管脚同时发生0－1变换时,不论是否接有容性负载,都会产生很大的△I噪声电流,使得器件外部的工作电源电压发生突变。地线干扰对电路的影响1324寄生电容△△II噪声电流噪声电流是引起是引起EMIEMI问题问题的最主要的原因的最主要的原因„传统的传导EMI的频率为150kHz－30MHz„在电缆上的噪声电流会有几百兆甚至几个GHz扼流圈不再起作用„电缆上的高频噪声电流，传统的遮罩和滤波无法解決地线和电源线上的噪声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IgVgCdC0瞬态负载电流与瞬态负载电流与△△II噪声电流的复合噪声电流的复合输出IpILIcc去耦去耦电电容容对对△△II噪声电流噪声电流的抑制作用的抑制作用„去耦技术：安装去耦电容来提供一个电流源----整体去耦电容补偿逻辑器件工作时所产生的△I噪声电流---本地去耦电容。„去耦的目的保证直流工作电压的稳定；确保各逻辑器件正常工作。电源滤波电源滤波„目的：把芯片产生的EMI控制在最小的区域„滤波频率和电容值几十MHz及以下的滤波，电解电容【uF】几十至300MHz的滤波，每个供电组一个0.1/0.01uF300MHz以上，电源层和地层的等效阵列电容，几十pF；或者在产生高频干扰的芯片上并接pF级的滤波电容。„滤波电容布放就近连接原则：尽可能靠近芯片电源线噪声的消除电源线电感储能电容这个环路尽量小双层双层板去耦板去耦电电容放置容放置尽量使电源线与地线靠近好差电电容容并联时并联时避免反避免反谐谐振振点点双层双层板增板增强强去耦效果的方法去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增增强滤强滤波：磁珠波：磁珠＋＋电电容容有效滤波的例子有效滤波的例子普通电容三端电容三端电容+铁氧体线线路板的路板的两种辐两种辐射射机机理理差模辐射共模辐射电流环杆天线在在PCBPCB级控制辐射发射级控制辐射发射™电路中电流环保持最小™输出和反馈线路尽可能接近™使用较大地平面以减小地线阻抗™电源线和地线相互靠近™在多层电路板中，把电源面和地平面分开单面板单面板//双面板双面板PCBPCB„单面或双面板，沒有电源面和地线面，EMI控制难度大„布局：考滤布线方便以及电流均匀„布地线、电源线，布放滤波电容电源线应尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的串扰。„布关键信号线（时钟信号等）：靠近地回路，形成较小的回流面积。„布其他信号线：避免大面积无地信号线组。„地敷铜，良好敷铜，能达到4层板的效果！线路板走线的电感线路板走线的电感L=0.002S(2.3lg(2S/W)+0.5μHWSL=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若：L1=L2L=(L1+M)/2MIIL=(L1+L2-2M)电源线尽可能靠近地线电源线尽可能靠近地线电源地电源地时钟线、信号线和地线时钟线、信号线和地线时钟地信号信号地信号地信号地时钟按逻辑速度分割按逻辑速度分割低速逻辑电路高速逻辑电路中速逻辑电路高速信号插座低速信号插座单单面板面板//双双面板面板PCBPCB地地线网络线网络双层电路板的走线优先考滤地线的规划随便设置的地线没有用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？不良布线举例不良布线举例68HC1174HC00AB连接A、BE时钟如何如何减减小差模小差模辐辐射？射？E=2.6IAf2/DI电流——信号线电流【原理图设计阶段考滤】减小负载——使用驱动电路增加线路阻抗——改变阻尼电阻值I电流——电流回流【PCB设计阶段考滤】R如何如何减减小差模小差模辐辐射？射？E=2.6IAf2/D控制谐波次数佈線f频率：合适的器件，阻尼电阻【原理图设计】布线阻抗【PCB设计】A面积：控制电流回路面积【PCB設計】降低电流【降低电流【II】】和频率【和频率【ff】】„使用最合适的器件„利用阻尼电阻，减缓上升沿，同時保证SI和EMC有多於58個諧波分量有11個諧波分量接510歐姆阻尼電阻怎怎样减样减小共模小共模辐辐射射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PCB的EMC设计：完善的电源滤波增加共模回路的阻抗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)dBPCBPCB上上EMCEMC问题问题的主要原因的主要原因„不均匀分布的电流以及回流过细的电源线或者地线【单/双层板】信号线的辐射（上升沿陡，Tr小的信号）信号线共用回流路径„电源滤波——通过外接电缆辐射出去不合理的滤波电容值不合理的滤波电容放置位置不合理的分层结构„天线效应——引起EMS问题信号线电流信号线电流————高频时钟高频时钟发送侧串接22－220欧姆阻尼电阻，电阻越大干扰越小，但是敏感性变差。采用点对点连接，不打过孔，走线平滑。高频时钟（上升沿少于2ns的时钟）尽可能有地线护送【护送地线要“良好接地”】电流回流【多层板】电流回流【多层板】低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】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环路对消概念减小辐射环路对消概念减小辐射平衡接口电路平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2滤波器电容量的选择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tr0.5~1μs50ns100ns10ns带宽BW320kHz6MHz3.2MHz32MHz总阻抗R120Ω100Ω300Ω100~150Ω最大电容C2400pF150pF100pF30pF高速高速PCBPCB设计中的串扰设计中的串扰解决方案解决方案1、在可能的情况下降低信号沿的变换速率；2、采用屏蔽措施；3、合理布线；4、设置不同的布线层；5、阻抗匹配。天线效应天线效应„设备內的每根布线/电缆/金属都是“天线”。„线长度波长的1/20，就能成为天线。„100MHz信号的5次谐波为500MHz，3cm长的布线就可能成为天线！()„设备內部电缆及外接电缆很容易成为天线cmmfc606.010*500/10*3/68====λ避免天避免天线效应线效应„高阻抗布线，会成为天线„三态输出，会成为不稳定天线允许时降低阻抗（例如上拉电阻）不允许時，减少长度„未良好接地的铜皮、金属、电缆等良好接地VCCPCBPCB敷铜问题敷铜问题„电子设备中的任何悬浮的铜皮（未充分接地的填充）或者散热器，都可能成为“天线”„PCB表面敷铜一定要“良好接地”„多层板中间层的布线空旷区域，不要敷铜。因为很难做到让这个敷铜“良好接地”„设备內部的金属，例如金属散热器、金属加固条等，一定要实现“良好接地”。„三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。„晶振附近的接地隔离带，一定要良好接地。