（无线电物理专业论文）pcb的电磁兼容性研究.pdf

摘要 摘要 对于各种简单或复杂的电子产品，都是将外壳、印刷电路板( p c b ) 以及各种 对应接口线( 天线，不同频率的信号线，电源等) 进行组装，由此得到完整设备。 现在在电子产品进入市场以前，需要通过电磁兼容测试并且通过测试，这就需要 考虑产品的电磁兼容( e m c ) 问题，最好在产品详细设计阶段就对电磁兼容性问题 进行考虑，才能真正保证产品的电磁兼容性能。如果等产品生产出来后不能通过 电磁兼容性标准的测试，导致产品不能销售出去时，才开始考虑解决电磁兼容性 问题并寻求高效解决措施，为时已晚。 本论文以印刷电路板的电磁兼容为研究对象，首先对电磁兼容的基本概念和 原理、干扰的要素和传播途径、电磁兼容标准规范、实现电磁兼容的措施手段等 进行介绍，具体对于各种典型传播耦合方式进行了深入探讨。详细介绍了p c b 上 的电磁兼容原理，对于主要耦合干扰途径( 对p c b 上走线的耦合) 和p c b 的外壳 屏蔽进行了详细的理论分析及推导，对p c b 板上微带线走线的各种耦合情况和外 壳屏蔽进行了建模，包括外电磁场对走线的耦合、孔缝泄漏场对走线的耦合、走 线之间的串扰等情况。分析了不同屏蔽体对p c b 的屏蔽效能，包括单层屏蔽、多 层屏蔽以及孔阵屏蔽体等。 电磁兼容性设计有三种方法：问题解决法、规范法和系统分析法 2 1 ，论文具体 分析说明了系统法的电磁兼容设计和分析。进行系统法最重要的是对产品进行前 期预测分析，并在过程中不断进行电磁兼容分析评估，其中除了理论分析以及建 模，运用专门的电磁兼容分析预测软件是必要的。论文实现了对应的p c b 分析预 测软件，软件主要针对p c b 的主要干扰耦台即走线上的耦合和外场辐射，能够根 据参数对p c b 板走线引起的电磁干扰进行分析计算，得出最后耦合结果。也可以 根据固定的对端接敏感器件的走线耦合要求或标准推导出相应的走线和p c b 的物 理结构参数，以此来指导设计。 论文分析了p c b 上器件的电磁兼容，对具体的某研究所提供的声表面波滤波 器，在找出干扰途径以及采取对应措施过程中进行了具体分析计算。在具体的m p 3 电路中，用系统法进行电磁兼容分析设计。最后测试结果达到对应标准和规范。 关键词：印制电路板电磁兼容电磁干扰耦合预测系统法 a b s t r a c t a b s t r a c t f o ra nk i n d so fs i m p l eo rc o m p l i c a t e de k v t m np r o d u c t ，i ti sa l w a y st oc o m b i i l et h e c m s t ，t h ep c ba n dt h ei n t e r f a c el i n e sa sa 1 1 t e n n a ，s i g n a l1 i n eo rp o w e rl j n e b e f o r e e l e v t m np r o d u c te n t e rt h em a r k e t ，i ti si n t e 孕a n tt ou n d e r g oe m ct e s t i ti st h eb e s tt o t h i n ka b o u te m cm a t t e ri nt h ep r o d u c td e s j g nm o m e n t i ft h el a s tp m d u c tc a nn o t u n d e r g ot h ee m c t e s ta n dc a nn o ts e l lo u t ，w em u s tt 王l i n ka b o u tt h em e a s u r e st os 0 1 v e t i l e m h e r ei ti sl a t e t h es t u d yo b j e c ti st h ee m co ft h ep c bi nt h j sp a p e la tf i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c c t h eb a s “c o n c e p ta n dt h e o r y ，t h ef a c t o ro fd i s t i l r ba n dt h et r a n s m i t1 0 u t e ，t h es t a n d a r d a n dt h em e a s u r eo fe m c 7 1 1 0t h ep c b ，h e r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c ea 1 1k i n d so fd i s t u r b ， s e n s i t i v ee l e m e n ta i l dt h ec o u p l i n gm o d e so “r a l l s m i t h e r em a j n l ya n a l y s et h em a s t e r c o u p l i n gr o u t e ( t h et r a c eo ft h ep c b 口a n dt h es h i e l do fc r u s ti nt h e o r y ，s e tu pt h em o d e l s o ft h e mi n c l u d et h es t u d yo nt h ee f ：f e c to fa ne x t e m a le l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo na p c bt r a c e ，t h es t u d yo nt h ee f f e c to fa nh o l el e a ke l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f c r e n c eo nap c b t r a c ea l l dt h cs t u d yo nt h ec r o s s t a l ka i l a l y s j sb e t w e e nt w ot r a n s m i s s j o n - l i n e so fp c b a n dh e r ea n a l y s et h es h i e l de f f i c i e i l c yo fs o m el 【i n d so fs h i e l d si n d u d em o n o l a y e r s h i e l d ，m u l t i p l a y e rs h i e l da n dh o l ea r r a ys h i e l d n ed e s i g no fe m ch a st h r e em e t h o d s t h e ya r cm a t t e rs o l v i n 岛c r i t e r i o na n d s y s t e m t h i sp a p e rc o n c r e t e l ya n a l y s et h ee m cd e s i g no fs y s t e m t h ee m p h a s e so f s y s t e mi st h ep r e c e d i n ga n a l y s i sf o rp m d u c ta n dc o n s t a n t l ye m ce v a l u a t i o ni nt h e p r o c e s s e 蔗c e p tt h et h e o r ya i l a l y s i sa n dt h em o d e u n g ，i ti sn e c e s s a r yt ou s et h es p e c i a l a n a l y s es o f l w a r eo fe m ci nt h ed e s i g n t h i sp a p e ri n 咖d u c et h ec o 仃e l a l i v ef o r e c a s t i n g s o f t w a r eo fp c b t h i ss o f t w a r ed e a lw i t ht h em a i nc o u p l i n gi nt t l ep c ba st h ec o u p l i n g o ft r a c ea 1 1 dt h er a d i a t i o no ft h ee x t e m a le l e c t r o m a g n e t i c w ec a nr e c e i v et h er e s u l to f i n t e r f e r ea f t e ri m p o n i n gt 1 1 ep a r a m e t e lw ec a na l s od e m l d et h ep a r a m e t e ro ft r a c ea n d p c bw h e nw er e g u l a t et h es e n l e dc o u p l i n gr e q u e s t w bc a i lu s et h es o n w a r et oi n s t m c t t h ed e s i 髓 t h i sp a p e ra l s o8 n a l y s i st h ee m co fl h ee l e m e n ti np c b f o rt h es u i f a c ea u s t i c w a v ef j l t e ro f f e r e df r o mc e n a i na c a d e m e ，m a t e r i a la a l y s ea i l da c c o u n th a v ea d o p t e di n i i t h ef 蛔d i n gf o u t eo fc o u p l i n ga dt l l em e a s u r co fa n t q a m m i n g i nt h em a t e r i a lc i r c u i t d e s i g no fm p 3 ，h e r eh a sa 1 1 a l y s e dt l l ee m cw i t ht h ew a y o fs y s t e m ，a n dt l l et e s tr c s u l t a c h i e v e st h er e l e v a n ts t a n d a r d sa n dc r i t e r i o n s k e yw o r d s ： p r i n t e da r c u i tb 0 a r d ( p c b ) ，e m c ，e m i ，c o u p l i n ，f b r e c a s t ，s y s t e m s m e t h o d i 电子科技大学硕士论文 1 2 国内外电磁兼容研究的发展动态 电磁兼容是一门新必的综合性交叉学科，它的内容较为广泛，应用于许多领 域。随着科学技术的发展，信息时代的到来以及电气化与自动化水平的不断提高， 电磁干扰及电磁防护问题日益突出，世界各发达国家均对此予与广泛的重视，积 极开展电磁兼容性的理论和应用研究，并已在军事装备，尖端技术产品和民用产 品的研制和生产中获漂窝罂鞠桑，夏蔷释馘要融彭萄制至叠引罄颧：理z 理嗟呸 提辫j 理习鼎磁蝻i 倒型善蝉曼型斜唆善糍疆蹲穗凇峪： 焰缮理臻涮错活穗鬻臻j 衙酥群酯晕主娶蒿恬煽澎s | ? e 萤驰韭姬 韩珀勰矩静醛锹耱舔鹁j 海售泫崩驾岗崔油鬻墨浦臻涮警餐制銎箜訇景蚕蠹 阜娶烹燃j 孕 合两种形式，这部分在后 续章节有详细分析。x 第一章引言 段就定量考虑e m c 问题，大大提高了设计的主动性。八十年代后，电磁兼容成为 十分活跃的学科领域。许多国家在电磁兼容标准与规范，分析预测，设计，测量 与管理等方面均达到了很高的水平。有高精度的电磁干扰和电磁灵敏度自动测试 系统，另外国外已研制了大量不同规模的e m c 分析计算软件1 4 】。 国内起步晚，大多停留在将设备制造出来，发现问题再进行修改的阶段，即 问题解决法。虽然技术人员也认识到电磁兼容的重要性，但由于缺乏理论指导和 必要的条件，往往力不从心。尽管如此，我国在e m c 方面也作了不少努力，比如 在航空的e m c 分析预测开发软件方面也做出了一些项目成果。 对于印制电路板的电磁兼容性预测，有的研究人员以有限元数值计算方法和 s p i c e 仿真软件为工具，通过对印制电路板耦合微带线的电磁兼容预测，来对具有 不同厚度p c b 的电磁干扰水平进行估计分析【5 】。并对利用屏蔽地线把低频信号迹线 和高速数字信号迹线分开来降低e m i 水平的方法给以预测评估。最后归纳总结出 影响p c b 电磁兼容性能的因素，找出p c b 设计中电磁兼容性适应性方法的指导性 原则，为p c b 的电磁兼容性设计提供参考依据。 电磁兼容将会在二十一世纪得到更大的发展。随着科学技术的提高，对电磁 兼容和标准将提出新的要求，其研究范围也不断扩大。在e m c 分析预测中，包括 对p c b 板的分析，已由物理模拟逐步转移到以建数模为主，建立各种类型的电磁 数学模型，开发分析预测软件。显而易见，e m c 分析与预测工作将与项目计划方案 论证同时开始，e m c 分析预测工作已成为方案设计必不可少的内容之一。 1 3 主要研究内容 印制电路板电磁兼容性设计的目的是提高线路本身的抗干扰能力、减小电路 板本身的电磁辐射、提高电路板上电路工作的稳定性，进而提高设备的电磁兼容 稳定性。在印制板上采取技术措施，比在其他方面采取措施更具有可靠性、稳定 性和经济性。 论文从产生电磁干扰的三要素着手，深入分析了p c b 上主要的干扰耦合途径。 在各种干扰传播路径下，对造成干扰的不同耦合方式进行预测分析，在理论上得 到减少干扰耦合的方法。具体分析了不同场源下电路板外壳的屏蔽效能，外电磁 场对印制板上走线的耦合干扰，以及其透过外壳孔缝对走线的耦合，电路板上走 线之间的串扰耦合等，分别建立其数学模型和得到参数变化曲线。 在实际工程中电磁干扰产生传播的主要方面是电源噪声，串扰，阻抗匹配【4 1 。 第一章引言 第七章以具体p c b 设计为例，从一开始就结合e m c 系统设计法思想，通过方 案设计、器件选择、布局布线、软件设计等方面的电磁兼容设计，得出具体的m p 3 电路板。最后得到与计算结果对比的e m c 测试结果。 整个论文是以理论分析预测为主，对p c b 上重要干扰途径分别建模进行分析 推导，并归纳总结了当前p c b 产品设计的e m c 技术和规则，分析结果证实或者强 调了这些技术规则的重要性。通过研究的课题项目，对具体的受干扰器件和走线 在理论分析推导下采取措旌达到电磁兼容要求，阐明了e m c 的设计分析思想。对 重点易受耦合干扰的方面开发出w i n d o w s 应用软件，可以计算耦合干扰结果和得 到参数曲线图，对实际e m c 分析预测能进行指导和估计。最后阐述e m c 系统设计 分析法的实际应用，通过设计一个m p 3 播放器电路板，清楚展现了结合e m c 思想 进行设计和生产的全过程。 第二章电磁兼容原理 具体分类如下： 1 工业，科学和医疗射频设备； 2 车辆，机动船及火花点火发动机驱动装置； 3 声音和电视广播接收机； 4 家用电器和类似器具； 5 电动工具； 6 电器照明设备和类似设备； 7 电器玩具； 8 输变电设备； 9 信息技术设备： 1 0 其他设备系统。 对各种规定产品应该满足基本的电磁兼容要求： 1 产品产生的电磁骚扰不超过规范规定的骚扰限值； 2产品具有的抗扰度性能符合规范规定的抗扰度限值。 2 3 电磁兼容性控制技术 电磁干扰控制技术大体可以分为下面几类： 1 传输通道抑制：具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地以及合理布线。 滤波可以抑制骚扰频率分量，切断骚扰信号沿信号线或电源线传播的路径， 滤波器能明显的减小传导干扰电平。屏蔽体可阻止或衰减电磁骚扰能量的传输， 对辐射干扰和静电干扰都有明显的抑制作用。接地是电子设各工作必需的技术， 接地设计对减小干扰非常重要。搭接是导体间的低阻抗连接，不良搭接将向电路 引入各种电磁干扰，所以必须保证搭接的有效性、稳定性和长久性。而对印制电 路板( p c b ) ，合理布线是关键技术n 2 空间分离：地点位置控制，自然地形隔离，方位角控制，电场矢量方向控 制。 空间分离通过加大骚扰源和接收器( 敏感设备) 之间的空间距离，使骚扰电 磁场到达敏感设备时其强度已衰减到低于接收设备敏感度门限，从而达到抑制电 磁干扰的目的。空间分离也包括在空间有限时，对骚扰源辐射方向的方位调整， 骚扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向控制。 3 时间分隔：时间共用准则，雷达脉冲同步，主动时间分隔，被动时间分隔。 电子科技大学硕士论文 - _ _ _ - _ _ _ 一 。 当骚扰源非常强不易采用其他方法时，通常采用时间分隔，使有用信号在骚 扰信号停止发射的时间内传播，或者当强骚扰信号发射时，使易受骚扰的敏感设 备短时关闭，以避免遭受伤害。 4 电气隔离 电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法，同时能使有用信号正常耦合传 输。常见的电气隔离耦合有机械耦合，电磁耦合和光电耦合等。 5 其他 控制干扰除了以上方法，还有许多别的技术。当噪声的来源和特性为已知， 并且可以从混合信号中分离出噪声，可以用干扰对消电路【9 】来抑制干扰。对于幅度 很大的窄脉冲信号，使用峰值限幅电路，对超过预定门限电平的干扰脉冲进行限 幅。 2 4 电磁兼容性的工程预测分析 电磁兼容性分析与预测是进行合理的电磁兼容设计的基础。通过分析预测， 避免了不兼容所造成的损失，也减小了过高的设计所造成的浪费。实际工程中干 扰都是多种基本耦合形态的复杂组合，通常简化为用一种典型的耦合模式来分析 复杂的电磁干扰问题。分析和研究典型耦合模式已经成为电磁兼容研究中快速分 析干扰的捷径。 计算机模拟、计算机辅助分析、测量分析等技术方法常常用于电磁兼容分析。 从1 9 6 8 年约翰逊和托马斯提出电磁兼容的计算机辅助分析以来，国外已经开发出 不同规模的计算程序，国内少数生产厂商大多使用国外e m c 分析软件，影响较大 的软件有s e m c a p 、i p p 一1 、i a p 等。s e m c a p 是系统电磁兼容性分析程序，这是第一 个综合性大规模的分析程序。i p p 一1 用来分析预测发射机与接收机间的潜在干扰。 i a p 是系统内部分析程序。 计算机分析大大提高了预测电磁兼容的精度，并且提高了分析效率，在实际 工程中将有广阔的发展前景。 第三章p c b 中的电磁兼容设计 第三章p c b 中的电磁兼容设计 3 1p c b 中的元件及走线 在p c b 上有许多情况可以引起e m i ，这是因为元件在特定情况下都有其隐藏特 性。比如在高频段里，一个电阻器相当于一个电感串联上一个电阻与电容的并联 结构；一个电容相当于个电感，电阻和电容器的串联：一个电感相当于一个电 阻串上一个电感与电容的并联结构，如下图。认识到元件的高频寄生特性，并在 p c b 设计阶段采取措施解决此类电磁兼容问题非常重要。 l r 导线j _ y t 丫、_ r 电f 致 l r 1 竺丁 l rc ，n 丫乙h 卜 叫q ! 丁 l 图3 1 电路元件的高频特性 当p c b 上的走线很长，并且频率很高，这时走线可能具有天线效应。元器件 的引线和p e b 上走线一样都有寄生电容和电感，这些寄生电容和电感影响着导线 的阻抗并且对频率敏感。根据其寄生电感电容值和走线长度，可能会产生一个e m i 发射天线。一般设备的天线都设计成工作在固定频率，对应于波长的l 4 或l 2 ， 以成为有效的发射器，对走线来说要特别避免这种情况的发生。实际应用中走线 要求小于特定频率波长的l 2 0 ，避免形成无意的发射源。 在纯数字电路中，电阻主要是限流作用和确定电平。寄生电容存在于电阻的 两端，它对极高频设计有很大的破坏，尤其在g h z 的范围。 电容器通常用于电源总线去耦，旁路和储能作用 1 3 】。当电路上频率超过电容 自谐振频率时，会出现电感特性。电容器引脚上的寄生电感将使电容器在其自身 1 1 电子科技大学硕士论文 谐振频率以上时表现为电感特性而失去原有的功能。 在p c b 中，电感用于对电磁干扰的控制。电感阻抗随着频率的增加而线性增 加，当频率很高时，高频信号的传递就会受到影响。在解决高频时的电磁干扰问 题时常使用铁氧体，铁氧体在抑制高频干扰时等效于一个纯电感和一个电阻的串 联，除了具有电感的作用外，还可以吸收消耗掉一部分高频能量，所以具有比纯 电感更好的抑制效果。 3 2p c b 的方案设计和器件选择 任何p c b 设计都是在电路原理设计完成后进行的。p c b 制作参见印制板通用规 范国家标准【1 7 l 。方案设计要考虑到器件选择，信号完整性，信号反射，阻抗匹配 与端接技术等。 对于器件选择，高频时钟要选择具有更快速度的开关驱动元器件。信号完整 性问题包括反射、过冲与下冲、震荡、串扰、地电平面反弹等。反射是信号在传 输线上传播时产生的回波，出现反射时只有信号功率的一部分传输到导线上并到 达负载处。信号源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反 射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，如果负载阻抗大于源阻抗， 反射电压为正。 采用噪声容限值高的元器件，有利于提高整个设备的抗干扰性。较t t l 而言， 虽然c m o s 电路响应速度较慢，但具有最高的噪声容限值。在满足功能的基础上， 较慢的逻辑器件系列对于e m i 来说应该优先考虑。无论是集成电路，p c b 板还是整 个系统，时钟电路是影响e m c 性能的主要因素。集成电路的大部分噪声都与时钟 频率及其多次谐波有关。对于使用t t l 和c m o s 器件的混合逻辑电路，由于其不同 的开关保持时间，会产生时钟、有用信号和电源的谐波。所以最好使用同系列的 逻辑器件。由于c m 0 s 门限宽，大多选用c m o s 器件。未使用的c m o s 引脚应该接地 线或电源。 设计原理图的时候，要定义元器件的封装形式。元件分成有引脚和无引脚的 元件，引线参见电子元器件引线国家标准【1 8 】。与有引脚的元件相比，无引脚表面 贴装的元件寄生效果要小得多，典型值为o 5 n h m 的寄生电感和0 3 p f 唧的寄 生电容。而有引脚线的元件有寄生效果，尤其在高频时，该引脚等效成了一个小 电感，大约是1 n h i i l l 。引脚也同时具有小电容效应，大约有4 p f m 。选用表面贴 封装元件引起的电磁干扰要小得多。 第三章pcb中的电磁兼容设计 在电子产品的设计过程中，初期的器件选择及p c b 板的布局布线设计是很重 要的。一般做好这两方面，最后的测试就比较容易通过。3 3 p c b 中的电磁干扰 对于p c b 外部来说，电子设备常受到如静电、雷电及电网的干扰。 静电放电干扰可通过传导和辐射两种方式对电子元件，pcb进行干扰。静电放 电包括各种电子设备带电引起的静电放电，设备的移动或摩擦引起的静电放电， 人体电荷引起的静电放电。在设备接入电网时，会出现电力线干扰、电快速瞬变 脉冲群、电压波动和周期性跌落、电力线谐波等一系列问题。雷电对电器设备的 到附近的电力线和通信线路上，从而造成电子设备的损坏。 对于pcb内部，需要考虑其自我兼容性，数字电路和模拟电路之间不能相互 干扰，相邻之间的导线的串扰也是引起电磁干扰的重要因素。有些器件也会作为 场源向空间辐射电磁场，耦合到相邻的走线和敏感器件上。对于高速电路印制电 路板，要特别注意高频器件辐射的电磁干扰、大电流或大功率驱动电路产生的电 磁干扰、系统电源自身的噪声干扰、信号传输线之间的交叉干扰115l。3 4 p c b 中电磁干扰的抑制措施3 4 1 p c b 设计信息在设计p c b 时，需要了解电路板的设计信息1 8 】【1 2】【，其包括如下：1 器件数量、器件大小、器件封装； 2整体布局的要求、器件布局位置、有无大功率器件、芯片器件散热的特殊要求： 3 数字芯片的速率、p c b 是否分为低速中速高速区、哪些是接口输入输出区； 4信号线的种类速率及传送方向、信号线的阻抗控制要求、总线速率走向及驱动情况、关键信号及保护措施； 5电源种类、地的种类、对电源和地的噪声容限要求、电源和地平面的设置及分割；6时钟线的种类和速率、时钟线的来源和去向、时钟延时要求、最长走线要求。 电子科技大学硕士论文 3 4 2p c b 分层 首先要确定在可以接受的成本范围内实现功能所需的布线层数和电源层数。 电路板的层数是由详细的功能要求、抗扰度、信号总类的分离、器件密度、总线 的布线等因数确定的。目前电路板已由单层、双层、四层板逐步向更多层电路板 方向发展，多层印制板设计是达到电磁兼容标准的主要措旋，要求有： 1 分配单独的电源层和地层，可以很好的抑制固有共模干扰，并减小点源阻 抗。 2 电源平面和接地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上。 3 最好在不同层内对数字电路和模拟电路进行布局。 4 布线层最好与整块金属平面相邻。 5 时钟电路和高频电路是主要的干扰源，应单独处理。 3 4 3p c b 布局 印制板电磁兼容设计的关键是布局和布线，好坏直接关系到电路板的性能。 目前电路板布局的e d a 自动化程度很低，需要大量的人工布置。 在布局之前，必须确定尽量低的成本下满足功能的p c b 大小。如果p c b 尺寸 过大，布局时器件分布分散，则传输线可能会很长，这样造成阻抗增加，抗噪声 能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，则散热不好，邻近走线容易产生耦 合串扰。所以必须根据电路功能单元进行布局，同时考虑到电磁兼容、散热和接 口等因素【l “。 进行整体布局时应遵循一些原则： 1 按照电路信号的流程来安排各功能电路单元，使信号流通保持方向一致； 2 以每个功能电路单元核心元件为中心，别的元件围绕它进行布局； 3 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减小它们的分布参数； 4 易受干扰的元器件相互间不能太近，输入输出元件要远离； 5 对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合； 3 4 4p c b 布线 布线时，要对所有信号线进行分类。先布时钟，敏感信号线，再布高速信号 线，在确保此类信号的过孔足够少，分布参数特性好以后，再布一般的不重要的 1 4 第三章p c b 中的电磁兼容设计 信号线。应该遵循的原则有： 1 输入输出端的导线尽量避免相邻长距离的平行；为减少长平行走线的串扰， 可增大线条间距，或走线间插入地线； 2 线路板上的宽度不要突变，导线不要突然拐角，尽可能保持线路阻抗的连 续，印制传输线拐弯处一般走圆弧或1 3 5 度角。 3 特别注意高频电路的电源和地线分配问题； 4 减小电流流通过程的导线环路面积，这是因为载流回路对外的辐射与通过 电流、环路面积和信号频率成正比； 5 线路板插头上多安排彼此分散的地线输入脚，有助于减少线路板插脚配线 的环路面积及地线阻抗： 6 减少导线的长度，增加导线的宽度，有利于减少导线的阻抗； 3 4 5p c b 抗干扰电路 对数字系统，各逻辑器件有相应阀电平和噪声容限，外来噪声只要不超过逻 辑器件的容限值，系统就能下常工作。然而一旦侵入系统的噪声或干扰超过某种 容限，此干扰信号就会被逻辑器件放大，成形，成为产生误动作的重要原因。单 片机系统最敏感的是时钟信号，复位信号和中断信号。满足功能的同时应选择频 率尽可能低的晶振。这三种信号线在布p c b 时要特别注意。 看门狗电路【1 0 】是抗干扰措施之一，当强电磁干扰，电网尖峰脉冲干扰使单片 机系统出现死锁，看门狗电路可以自动检测并使程序恢复运行。 当系统遭到较强干扰而失去正常工作状态时，往往会使r a m 中的数据遭到破 坏，因此除了要对电源系统作精心的设计外，还必须设计出可靠的r a m 保护电路。 对电路的数据总线，地址总线和控制总线进行信息交换，若提高总线的负载 能力，总线传输较长时改善信号波形，此时需要配置三态缓冲门电路作为总线驱 动器。另外要注意保证总线的负载平衡。 当不会有大的强电磁干扰，并且电路板尺寸不大时，以上e m c 保护手段从成 本角度来看也许可以不用考虑。总线上安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可 靠性，不仅可以提高信号电平，还可以提高总线的抗电磁干扰能力、抑制静电干 扰、削弱反射波干扰。芯片具有内置上拉电阻时，不用在外电路安装上拉电阻。 对于电路上的芯片引脚，将不使用的输入端固定在高电平，可增强外部电磁 干扰的抑制。 第四章p c b 中的电磁兼容预测分析 同精度的解析式已经被得出并应用，它们与p c b 底层板的介电常数，线宽和线厚 对底层的高度比有关。 假设入射电磁场为一个任意的线性极化平面波，发生在印制板上部空间，对 印制板的角度位置为日和。入射波的极化角定义为y 。外界电磁场对印制电路板 线的干扰问题，即场对线的耦合问题。图4 2 为外界任意平面波入射在印刷板走 线上的情况。 w o 幽卜- i j - _ _ _ _ _ ! ! 一十 西，蜘i 图4 1p c b 上的微带走线 圈4 2 任意平面波入射到p c b 的走线 由于现在印制电路板传输速度越来越快，时钟频率越来越高。当传输线的长 度f a 4 时( a 为波长) ，此时沿线的电流和电压是变化的，必须采用分布参数电 路的理论。图4 3 为外电磁场入射到印制板线时印制板线的等效模型。z 是这段 印制板线的输入等效阻抗，z ，是端接负载的等效阻抗。要求出传输线上耦合产生 的电压或电流，一般由电报方程推导求解，如果只需得到其终端响应，则解答可 以是简洁的矩阵形式。如b a u m 一1 i u t e s c h e ( b l t ) 方程，在印制板的两个端接负载 上产生的感应电压为： = 虹势篙型 z 幻 屹= 啦势等掣 z 其中，p 。和p ：是传输线两端的反射系数， 角频率。外入射电磁场照射到传输线上， 口是传播系数，如是自由空间波数，是 引起沿线分布的许多无穷小的电压源， 电子科技大学硕士论文 等效电压源可用等效函数s 1 和s 2 表示 s 1 。竺! ! 里生：坠竺 2 ( 4 3 a ) s 2 ；二竖! ! 二堡= ! 竺坠( 4 3 b ) z 其中 = e ：( o ，z 皿 ( 4 - 4 a ) 吼2 l e ：( f ，z 岫 ( 4 _ 4 b ) u 。2 f e ；( x 弘肚出 ( 4 4 c ) u ，一。r e 。( x ) p 啪出 ( 4 4 d ) 其中u 。和吼分别是印制扳线等效模型上在z = o 和z = l 处负载上的分布电压； 虬+ 和u 一分别是在x 2 b 和x 2 0 处水平传输线上的分布电压；e ：和e 分别为平面 波在z 和x 方向上的场强。注意考虑任意平面波在介质层上的反射以及折射，如 图4 4 。 ： e 。( j ) 。 x 旧霸 f 置曲 z f 妩 图4 3p c b 板走线等效模型 | | 氛一。、 ij 溪蒸；囊曩? _ 1 j 、 ，i = ! | 蠹曩o “臻i 图4 4 外电磁场入射p c b 板模型 由上面推导式，当已知外部入射场的场强大小，方位角和极化角，以及印刷 电路板走线的物理参数，负载阻抗和频率，即可算出外场对走线两端负载的耦合 第四章p c b 中的电磁兼容预测分析 电压大小。 4 1 3 耦合响应 微带线等效介电常数和特征阻抗的解析式表示如下，它们与走线的高宽和基 板厚度有关。 z ct 罢h ( 薏+ 等) 、占矗w 如斗n ，当兰1( 4 5 a ) 九 z c = 舞降 s ，h 降，州) _ l ，当詈= ， 蹦 铲孚+ 字( ，+ 警广等专 舯等效宽度半 1 + l n ( 轫钏 一+ 半卜( 钏 叫+ 了1 1 + m i j l ( 4 6 ) 当兰s 土( 4 7 a ) 幼 ，当旦上( 4 7 b ) 幼 运用传输线方程，最后求得对频域上负载响应k 和屹的解析式为： 圪= 虹挎等掣 屹= 虹净端掣 其中的中间系数分别定义为： 8 = k o _ k 0 = q 弘庐n 。 一z o z 。 几。葛t 一z l z 。 几藕 s 1 =糍掣卜业掣 1 9 ( 4 8 a ) ( 4 8 b ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 一1 1 a ) ( 4 一1 1 b ) ( 4 1 2 a ) 电子科技大学硕士论文 用c s t 软件建模仿真的结果与利用传输线理论计算得到的结果基本一致，图 4 1 0 a 是日= 石4 ，庐= o ，y = o 时用软件仿真的结果，图4 1 0 b 表示频率取对数后 感应电压随频率的变化关系。 图4 1 0 bc s t 仿真结果图4 儿理论分析结果 仿真的曲线变化走势与理论分析结果一致，差异源于理论分析中忽略了单位 长的电阻阻抗，并且使走线两端阻抗完全匹配。 图4 1 2 口= 石2 ，= 0 ，y = 0 圈4 1 3 8 = 0 ，= 0 ，r = o 由图可知外部电磁场从不同角度入射时对印制线的耦合干扰具有如下特点： ( 1 ) 当外场从垂直于印制线方向入射时( 日= o 时) ，在印制线两端产生的干 扰电压完全一样，而且此时在线两端产生的干扰电压最大，如图4 1 3 。 ( 2 ) p = 玎4 或从其它角度斜入射时( 口一石2 ，一一3 万2 时) 干扰电压随频 率的增大不断增大，直到增大到某个频率点时，耦合干扰随频率的增大呈振荡变 化。 ( 3 ) 口从石2 方向入射时( 即平面波传播方向与印制线平行) 如图4 1 2 ，此 第四章p c b 中的电磁兼容预测分析 时外场在印制线终端产生的干扰电压最小，在频率较低时随频率增大干扰电压几 乎不变，在频率增大到1 g h z 左右时呈振荡变化减小。 4 2 孑l 缝电磁场对p c b 走线的耦合分析 4 2 1 意义 一般来说在金属壳体对封闭系统的屏蔽作用下，外界干扰辐射源的电磁能量 很少进入到系统内部。但是电磁泄漏波会出现在封闭壳体的缝隙、门窗等不连续 的开口处，有可能在封闭系统内造成局部电磁环境的恶化，如图4 1 4 。这种经过 孔缝的泄漏场出系统内的导线产生耦合电压电流，进入设各造成危害。这是航空 航天飞行器电磁兼容工程的重要研究课题。 孔缝泄漏电磁场是一个复杂的电磁理论问题，很难用解析的方法来精确描述 场的分布，一般用简化的近似理论来分析。大致两种观点：衍射理论和电磁对偶 原理，这两种方法都获得了工程应用。在印制电路板上器件间的连接线应用微带 传输线进行等效，因此连接线上的电流电压分布可用含分布源的传输线理论进行 求解。 eh 孔睦 图4 1 4 缝隙泄漏场的干扰模式 4 2 2 子l 缝泄漏电磁场的求解 4 2 2 1 矩形孔衍射场 电磁波在传播过程中遇到障碍物发生反射或绕射，但有部分透过平板上的小 孔，并产生偏离原来入射方向的电磁波，这就是电磁波的衍射，即惠更斯原理。 设平面波垂直入射矩形孔缝，孔缝周围看作无限大导电平面，对于小孔的泄 电子科技大学硕士论文 驴，警刚x 掣 式中表示入射平面波的振幅，k 为平面波波数， 为平面波波长， 度，6 为孔的宽度，r 为场点到孔心的距离，口为r 与z 轴的夹角， 平面上的投影与x 轴的夹角。 将上式的球坐标变量转换为直角坐标下变量表示： 铲堞焉蝻雨蝎) 口为小孔的长 妒为r 在x y ( 4 1 8 ) 图4 1 4 矩形孔缝和传输线 利用式( 4 1 8 ) 所求得的电场是以孔缝为中心的直角坐标系泄漏场的表达式， 为了后面便于直接应用传输线理论进行分析，必须先将其变换到传输线坐标系中， 得到沿传输线分布的场强值( 如图4 1 4 所示) 。设传输线与机壳平行，传输线长 度为1 ，传输线与机壳的距离为d ，微带传输线的导带宽度为w ，则孔缝中心d 在 传输线坐标系坐标为( w 2 ，d ，1 2 ) 。利用齐次变换原理可以解得： fw x s 篁i z ，_ ) ，s 暑x 一。i ，z ，= 4 一y 因此求得传输线坐标系中沿传输线分布的电场强度为： e ，= ，警+ d y ) ( 4 1 9 ) 其 f = 1 4 ；o w 2 ) 2 + ( y d ) 2 + ( z 一，2 ) 2 。 塑塑里里里里主盟皇燮苤窒塑型坌塑 42 2 2 圆形子l 衍射场 设平面波垂直入射在带有圆形孔缝的无限大导电平面上，四周为自由空间， 由惠更斯原理，平面波穿过孔缝后的电磁场可根据基尔霍夫公式得到。其衍射场 分布为： 驴j 笺笋( 1 攀掣 c a 删， 式( 4 2 0 ) 中e n 表示八射平面波的振幅，k 为平面波波数， 为平面波波长， 口为圆孔的半径，r 为场点到孔心的距离，口为r 与z 轴的夹角，妒为r 在x y 平 面上的投影与x 轴的夹角。j 1 为一阶贝塞尔函数；s 为圆孔面积s = 一2 。 同理，可以得到外场经圆孔泄漏后在传输线坐标系中沿传输线分布的电场强 度可以表示为： e ，= ，生：；：；兰+ d y ) 其中4 = ( x w 2 ) 2 + ( y d ) 2 + ( z f 2 ) 2 e 4 2 3 计算p c b 上引线的感应电压 ( 4 2 1 ) 由于标准传输线模型适用于当导线横向尺寸比波长小的多的情况，因此对微 带传输线可用标准的传输线理论进行分析。根据传输线理论，感应电流沿导线方 向的分布是波动的，导线终端处的电流为进入器件的肇事干扰源。为了分析导线 始端和终端的电流，将导线两端器件用其等效阻抗z 1 和z 2 代替，因此电磁场激 励下的导线变为含有分布激励源的传输线问题。其中每个微分单元d z 中的感应电 压用分布电压源表示( 如图4 1 5 ) ，除去有e ，电压源之外，就同标准传输线完全 一样了。 在电磁场作用下，含分布电压源传输线方程为： 参y - 警。砌， 窘疆： 电子科技大学硕士论文 出 矿+ 坐出 图4 1 5 含分布电压源的等效传输线电路 通过求解上面的传输线方程及其满足的边界条件可以得到传输线终端的电流 及电压： 旧。等一q ( 0 ) 】 ( a _ 2 3 ) y u ) 一z ：，a ) ( 4 2 4 ) 其中 胪糍一箍 p ( f ) 。去p e 出； ，2 去j c e ”e ：出 将上一节求出的孔缝泄漏场在传输线上耦合的电场代入式( 4 中，即可求得孔缝泄漏场在传输线终端产生的干扰电压。 424 计笪结翼 4 2 4 1 矩形子l 缝泄漏场对走线耦合 ( 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) 2 3 ) 、( 4 2 4 ) 取微带传输线导带宽度w = 1 i i h n ，厚度t = 3 5 胛，传输线距孔缝表面的距离d = 2 c m ，印制板的厚度h = 1 5 响，机壳上的矩形孔缝宽度b = 5 啪，孑l 长a = 2 c m 为例， 采用上述推导的公式进行计算，得到连接线终端处的感应电压随入射场频率及场 强大小变化的关系图4 1 6 至4 1 9 。 第四章p c b 中的电磁兼容预测分析 钮车“ 吲4 1 6f = 2 0 c m 时连接线感应电压 强宰、h 图4 1 8z = 5 c m 时连接线感应电压 寸 o 。甜计 辅罐 口 幽4 1 7f = 1 0 c m 时连接线感应l b 压 图4 1 9f = 2 c m 时连接线感应电压 由图可知，当入射场频率较低时，在连接线终端产生的感应电压随频率近似 正比增大，当频率增大到某点时，感应电眶随频率增大呈振荡变化，这与6 仃面所 研究的外场直接对传输线的干扰耦合情况类似。当外场幅度玩= 1 v m 时，可以看 出孔缝泄漏场对线干扰明显小于平面波直接照射的情况，前者最大值为一8 0 d b 左 右，而后者的最大值为一5 0 d b 左右。另外，随着连接线长度的减小，第一次出现 耦合干扰最大值的频率点变高，而且干扰电压产生谐振的频率点间隔增大。 4 2 4 2 圆形子l 缝泄漏场对走线耦合 取微带传输线导带宽度w = 1 册，厚度t = 3 5 胛，印制板的厚度h = 1 5 m m ，传输 线距孔缝表面的距离d = 2 c m ，机壳上的圆形孔缝半径a = 2 m m 为例，采用前面推导 的公式进行计算，得到终端感应电压随入射场频率变化的关系如图4 2 0 至4 2 3 所示。 m 撕 f譬目 m m 喜r南w鹋怖 栅 瓣 甜 w 阳 量譬辩埽 电子科技大学硕士论文 由图可知感应电压随频率的变化特性与前面所研究的外场直接对传输线的干 扰耦合情况类似。另外，随着传输线长度的减小，第一次产生耦合干扰较大值的 频率点也越高，而且随着传输线长度的减小，干扰电压产生谐振的频率点间隔增 大，这些特点都与矩形孔缝泄漏场对线的干扰情况类似。 4 2 5 电磁场对多子l 缝的耦合 在实际应用中，外场除了通过单个矩形和圆形孔缝泄漏来对系统内部产生耦 合外，还可能通过多个孔缝泄漏”1 后对器件的性能产生影响。例如电子设备外壳上 的通风冷却孔，一般情况下我们都是用多个小孔代替大孔，由电磁场理论，电磁 波通过薄壁孔时的衰减为： s e - 2 0 l