朱文立-2--电路板级-电磁兼容设计

中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值电路板级电磁兼容设计中国赛宝实验室安全与电磁兼容检测中心电磁兼容室：朱文立TEL:020-87237656FAX:[phone]E-Mail:[e-mail]中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值2/186电路板级电磁兼容设计21:46《电路板级电磁兼容设计》关键元器件的选择产品设计流程产品电磁兼容设计流程框图电路的选择和设计印制电路板的设计接地设计滤波技术应用时钟电路设计设计时请注意先后次序中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值3/186电路板级电磁兼容设计21:46关键元器件的选择无源器件的选用开关元件的选用磁性元件的选用连接器件的选用元器件选择的一般规则模拟与逻辑有源器件的选用关键元器件的选择作为整机的基本单元构件，元器件的合理选择是整机的电磁兼容符合性的基石。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值4/186电路板级电磁兼容设计21:461．关键元器件的选择在大多数情况下，电路的基本元件满足EMC的程度将决定着功能单元和最后的设备满EMC的程度。实际的元件并不是“理想”的，本身可能就是一个干扰源或敏感设备。选择合适的电子元件的主要准则包括带外特性和电路装配技术：因为是否能实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。而在许多情况下，电路装配又决定着带外响应和不同电路元件之间互相耦合的程度。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值5/186电路板级电磁兼容设计21:46无源器件的选用电阻器的选用电容器的选用二极管的选用无源器件的选用有源器件产生的干扰一般通过无源器件向外发射，也可通过无源器件来消除。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值6/186电路板级电磁兼容设计21:461.1无源器件的选用所有的无源器件都包含寄生电阻，电容和电感。在电磁兼容问题容易发生的高频段，这些寄生参数经常占主导地位，并使器件功能彻底发生变化。例如，在高频电路中，碳膜电阻或者变成电容（由于旁路电容C），或者变成电感（由于引线自感和螺线）；线绕电阻在几千赫兹以上因其绕线电感的存在是不适合使用的；电容由于其内部结构和其外引线自感的影响会发生谐振，超过第一个谐振频率点后，就呈现显著的感抗。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值7/186电路板级电磁兼容设计21:46有两类基本的电子元件：有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效果，尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应。因此，引脚的长度应尽可能的短。无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。从电磁兼容性看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。表面贴片元件比其它元件寄生参数小得多，而且能在直到很高的频率提供令人满意的参数。比如，贴片电阻（1kΩ以下）在1GHz时仍保持电阻性。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值8/186电路板级电磁兼容设计21:461.1.1电阻器的选用：表面贴装电阻总是优于有引脚电阻。对于有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是线绕电阻。由于在相对低的工作频率下（约MHz数量级），金属膜电阻是主要的辅助元件，因其适合于高准确度电路。线绕电阻有很强的电感特性，不适合使用在50kHz以上频率的电路中，在对频率敏感的应用中也不能用它。在放大器的设计中，增益控制电阻的位置应该尽可能的靠近放大器电路以减少电路板的电感。在上拉/下拉电阻的电路中，所有的偏置电阻必须尽可能靠近有源器件及它的电源和地。在稳压（整流）或参考电路中，直流偏置电阻应尽可能地靠近有源器件以减轻去耦效应。在RC滤波网络中，最好使用无感电阻器和贴片电阻器，以获得较好的高频特性。压敏电阻器通常用在电源电路和与室外连接的控制和通讯接口电路，它能取到很好的防雷击浪涌效果。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值9/186电路板级电磁兼容设计21:461.1.2电容器的选用：铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔而制成，使得该部分的内部感抗增加。钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成，其内部感抗低于铝电解电容。陶瓷电容的结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗。铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围内（从kHz到MHz），陶质电容比较适合，常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗（通常价格比较昂贵）陶瓷电容和云母电容适合于甚高频应用和微波电路。电容具有低的ESR（即等效串联电阻）值是很重要的，因为它会对信号造成大的衰减。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值10/186电路板级电磁兼容设计21:46旁路电容：旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而吸收那些不需要的高频能量。旁路电容一般作为高频分路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求。去耦电容：去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助高频噪声。为了得到更好的EMC特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC）。陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快的滤除信号的上升时间和下降时间。为了去耦，应该选择ESR值低于1欧姆的电容。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值11/186电路板级电磁兼容设计21:46用于信号线滤波的三端电容中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值12/186电路板级电磁兼容设计21:46三端电容的符号贴片式三端电容三端电容的插入损耗中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值13/186电路板级电磁兼容设计21:46三端电容的不足中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值14/186电路板级电磁兼容设计21:46穿心电容（馈通滤波器）中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值15/186电路板级电磁兼容设计21:46穿心电容结构及安装穿心电容插入损耗中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值16/186电路板级电磁兼容设计21:46电容谐振：如图1所示，电容在低于谐振频率时呈现容性，而后，电容将因为引线长度和布线自感呈现感性。表1则出了两种陶瓷电容的谐振频率。我们看到表面贴装类型的谐振频率是通孔插装类型的两倍。表1:电容的谐振频率电容值通孔插装（0.25引线）表面贴装（0805）1.0μF2.5MHz5MHz0.1μF8MHz16MHz0.01μF25MHz50MHz1000pF80MHz160MHz100pF250MHz500MHz10pF800MHz1600MHz图1电容谐振特性中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值17/186电路板级电磁兼容设计21:461另一个影响去耦效力的因素是电容的绝缘材料。去耦电容的制造中常使用钡钛酸盐陶瓷（Z5U）和银钛酸盐（NPO）这两种材料。Z5U具有较大的介电常数，更适合用作低频去耦。NPO具有较低的介电常数，用作50MHz以上频率的去耦。将两个谐振频率不同的去耦电容并联，可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络产生的开关噪声。能提供更宽的布线以减小引线自感，因此也就能更有效的改善去耦能力。两个电容的取值应相差两个数量级以提供更有效的去耦。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值18/186电路板级电磁兼容设计21:46数字电路的去耦，低的ESR值比谐振频率更为重要。在交流电源电路中使用的电容，一定要注意其性质和耐压等级。在交流电源火线与火线、火线与零线间须使用X电容；火线与地线间、零线与地线间须使用Y电容；对开关电源初级地与次级地之间的隔离电容也需使用Y电容。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值19/186电路板级电磁兼容设计21:461.1.3二极管的选用：特性EMC应用注释整流二极管大电流；慢响应；低功耗无电源肖特基二极管低正向压降；高电流密度；快速反向恢复时间快速瞬态信号和尖脉冲保护开关式电源齐纳二极管反向模式工作；快速反向电压过渡；用于嵌位正向电压ESD保护；过电压保护；低电容高数据率信号保护发光二极管（LED）正向工作模式；不受EMC影响无当LED安装在远离PCB外面板上作发光指示时会发生辐射瞬态电压抑制二极管（TVS）类似齐纳二极管工作于雪崩模式：宽嵌位电压；嵌位正向和负向瞬态过渡电压抑止ESD激发瞬时高电压/抑止瞬时尖脉冲变阻二极管(VDR：电压随电阻变化)(MOV：氧化金属变阻器)覆盖金属的陶瓷粒ESD保护；高压和高瞬时保护可选齐纳二极管和TVS表2：二极管特性中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值20/186电路板级电磁兼容设计21:46二极管是抑制尖峰电压噪声源的最有效的器件之一。图2中的二极管用于抑制高压开关的尖峰电压。图3是典型的变压和整流电路，D2是肖特基或齐纳二极管，用于抑制滤波后的尖峰瞬态噪声电压。无论有刷还是无刷电机，当电机运行时，都需要噪声抑制二极管抑制电刷噪声或换向噪声。在电源输入电路中，需要用TVS或MOV进行噪声抑制。TVS也可以解决信号接口的静电放电问题。图2：开关尖峰抑制图3：变压器尖峰抑制中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值21/186电路板级电磁兼容设计21:46无源元器件，无论是电阻、电容、电感均为组成滤波器的重要部分。当将无源器件在高频下使用时，了解所有的寄生参数是十分有用的。合格器件的生产厂商向用户提供了产品有关的寄生数据，有时甚至还提供宽频带范围的阻抗特性（这些常常揭示出器件自身的谐振）。有些无源器件需安全评定，尤其是连到危险电压上的所有器件。如果在高速信号的场合或要满足EMC的场合使用寄生参数未知的无源器件，可能要进行多次设计，并有可能会推迟产品推上市场的时间。中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值22/186电路板级电磁兼容设计21:46模拟与逻辑有源器件的选用模拟器件的选择逻辑器件的选择IC插座及IC封装选择模拟与逻辑有源器件的选用干扰的来源中国赛宝实验室信息产业部电子第五研究所Since1955科学公正服务价值23/186电路板级电磁兼容设计21:461.2模拟与逻辑有源器件的选用有源器件可分为调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用，其频率特性包括：中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应。基本频带器件起低通元件作用，其频率特性包括：截止频率、通带特性、带外抑制特性和乱真响应。此外还有输入阻抗特性和输入端的平衡/不平衡特性等。有源器件有两种电磁发射源：传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输，随频率增加而增加；辐射干扰通过器件本身或通过互连线进行辐射，随频率的平方而增加。瞬态地电流是传导干扰和辐射干扰的一种骚扰源，减少瞬态地电流必须减小接地阻抗和使用去耦电容。逻辑器件的敏感度特性取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。逻辑器件的翻转时间越短，所占频谱越宽。为此，应在保证实现功能的前提下，尽可能增加信号的上升/下降时间。中