电路的抗干扰技术与PCB设计(ppt 58页).ppt

一 电磁兼容的基本概念1 问题的提出 随着电子技术的发展 电子设备的应用越来越普及 电子系统的规模越来越庞大 而体积却越来越小 电子设备的安装越来越密集 电子设备内部元器件的安装密度越来越高 使得电子设备之间 设备内部电路之间的干扰问题越来越突出 2 什么是电磁兼容 电磁兼容性 ElectromagneticCompatibility EMC 是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力 国标GB T4365 1995 通俗的讲 电磁兼容是指多个设备或系统在同一环境中能够正常工作 其含义包括两个方面 不能形成干扰 也不能被干扰 换句话说 电磁兼容解决的是设备间干扰与被干扰的问题 3 电磁兼容研究的主要内容 电磁兼容设计 电磁兼容测试 电磁兼容标准及电磁兼容预测 4 电磁干扰的三要素 电路的抗干扰技术与PCB设计 1 干扰源 耦合通道 敏感体 电路的抗干扰技术与PCB设计 2 5 解决干扰的基本思路该三要素本身形成了一个干扰系统 切断系统中任何一个环节都可以切断干扰 6 电磁干扰的定义 分类任何可能引起装置 设备或系统性能降低的电磁现象 国标GB T4365 1995 场的干扰 电场的干扰 磁场的干扰 电磁辐射的干扰 传导干扰 公共阻抗干扰 电阻 电容 电感 地干扰 漏电干扰7 电磁干扰的解决方法空间分离 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 频率管理 频率管制 滤波 频率变换 地线隔离 变压器隔离 光电隔离 继电器隔离 DC DC变换传输通道抑制 滤波 屏蔽 时间分割 时间分隔 同步 电路的抗干扰技术与PCB设计 3 8 什么叫EMC认证产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求 经过认证机构测试确认 并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求 在我国EMC认证已纳入3C认证范围 中国强制认证 英文名称为 ChinaCompulsoryCertification 英文缩写为 CCC 也可简称为 3C认证 国家对有强制性电磁兼容国家标准或强制性电磁兼容行业标准以及标准中有电磁兼容强制条款的产品实行安全认证制度 对这些实施电磁兼容安全认证的产品在进入流通领域实施强制性监督管理 没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域 9 电磁兼容性的测量 电路的抗干扰技术与PCB设计 4 二 常用的抗干扰技术1 接地技术 1 地的分类 信号地 电源地 大地 安全地 机壳地 屏蔽地 防雷接地 等 2 安全地 防止发生人身伤害事故而将机壳接大地 电路的抗干扰技术与PCB设计 5 3 信号接地方式 悬浮地 一点接地 多点接地 混合接地地 传统认为地是信号的参考电位 以地为0电平 理想的情况下地线上任两点间的电位差为零 但实际上地线仍然要用金属导体来实现 不可避免的存在导线的阻抗 同时地线也是信号回路的一部分 是信号电流回流的必经之路 这样就在地线上形成了电位差 当各种信号电流流经同一地线阻抗时 形成了公共阻抗干扰 为了减少地线引起的干扰 采用合适的接地方式 4 接地方式的分析 悬浮地或隔离地 接地面不与大地相连 低频时可采用 优点 防止由于接地线引入的传导干扰 缺点 设备不与公共地直接连接 容易产生静电积累 引起静电放电 补救的办法是在设备与公共地之间接一个阻值很大的电阻 以便泄放积累的电荷 高频时分布电容影响大 电路的抗干扰技术与PCB设计 6 单点接地 将各电路单元接地线分别引到系统的唯一基准接地点 该接地点经常是电源地 对于信号而言 电线和电源线是相同的 干扰方式和连接方式也是向雷同的 电路的抗干扰技术与PCB设计 7 独立地线并联一点接地 优点 各电路的电位 各设备的电位仅与各自的电流和地线电阻有关 不受其他设备的影响 可防止各设备之间相互干扰和地回路的干扰 缺点 若设备很多 需要很多根地线 级间信号耦合时使接地导线加长 阻抗增大 还会出现各接地导线间的相互耦合 不适用于高频 共用地线串联一点接地 缺点 可以看出 A B C各点的电位不仅不为零 而且受其它电路的影响 从防止和抑制干扰的角度 这种接地方法不好 优点 这种接地方法的结构比较简单 各电路的接地线短 电阻较小 在设备机柜中是常用的一种接地方式 采用这种接地方式要注意把最低电平电路放在靠近A处 以使B点和C点的电位升高最小 电路的抗干扰技术与PCB设计 8 多点接地 将各电路单元的地线就近接到地平面上 该地平面经常是底板 机壳 为了降低地电位 接地线应尽可能短 以便降低接地线的阻抗 优点 电路简单 接地线短 缺点 地线回路增多 会出现一些共阻抗耦合 电路的抗干扰技术与PCB设计 9 混合接地在有些设备中 既有高频电路又有低频电路 各电路单元内部采用自己的接地方式 多点或单点接地 再将各单元地线采用并联一点接地接到系统地 适合较大的 复杂的系统 接地方式的关键是有地线阻抗 该阻抗有可能是公共阻抗 如果地线阻抗为0 那么也就无所谓接地方式 设计电路时应尽量减少地线阻抗 并采用合适的接地方式和电源滤波 电路的抗干扰技术与PCB设计 10 接地方式的存在是有地线阻抗 如果地线阻抗为0 那么也就无所谓接地方式 地线干扰主要是地线电阻造成地线电位不等和地线电流流向失去控制 设计电路时应尽量减少地线阻抗 并采用合适的接地方式减少地线的公共阻抗作用 控制地线电流的走向 电源滤波 电路的抗干扰技术与PCB设计 11 地线阻抗 地线的实施必须通过导体来实现 任何导体都存在阻抗 对地线来讲主要是分布电阻和分布电感 而且由于趋肤效应的存在 高频影响更大 电路的抗干扰技术与PCB设计 12 导线阻抗 减小地线阻抗的方法 加大导线截面积 采用大面积接地 采用多股线 表面镀银等 电路的抗干扰技术与PCB设计 13 地线环路以及引入的传导干扰解决方法 包括共模干扰和差模干扰 电路的抗干扰技术与PCB设计 14 隔离法 电路的抗干扰技术与PCB设计 15 平衡法 仪表放大器 电路的抗干扰技术与PCB设计 16 滤波法 在该例子中 地线干扰主要是共模干扰 在扼流圈中对共模信号同名端在同一边 互感加强 对差模信号同名端在两边 磁场抵消 电路的抗干扰技术与PCB设计 17 电感电容的特性 电感电容的特性说明其阻抗与频率 材料 标称值等有关 适用是必须因地制宜 合理搭配 优势互补 电路的抗干扰技术与PCB设计 18 电源滤波 电路的抗干扰技术与PCB设计 19 三端电容的使用及方法的借鉴 三端电容与普通电容的区别是上边的两根引线直接从电容极板上引出 普通电容是一根引线在电路中分开 解决了上端引线电感的影响 是被滤波电流必经电容极板 电路的抗干扰技术与PCB设计 20 低频磁场 电场的屏蔽 电路的抗干扰技术与PCB设计 21 电缆屏蔽层接地方法 不接地时的磁场 电场干扰 电路的抗干扰技术与PCB设计 22 磁场对地线的干扰 磁场在地线回路中产生感应电压 地线和信号线存在互感耦合 电路的抗干扰技术与PCB设计 23 双绞线的抗干扰能力 右手拇指指向磁场变化的反方向 四指握拳 四指方向即为感应电动势方向 电路的抗干扰技术与PCB设计 24 三 电磁兼容与PCB的关系电磁兼容问题是一个非常复杂的问题 牵扯到系统的结构 材料 元件 电路 PCB板 接头 电源 工艺等任何一个地方 贯穿从系统规划 设计 安装 测试 使用 老化等全过程 涉及电路 电磁场 电子材料等知识 对测试手段要求很高 本节仅介绍基本概念并应用到PCB的设计中 电路的抗干扰技术与PCB设计 25 三 PCB的基本知识1 什么是印刷电路板 印刷电路板也称PCB PrintedCircuitBoard 板 它是在敷铜板上用腐蚀的方法除去多余的铜箔 保留必要的铜箔作为导体而得到的可焊接电子元件的电路板 电路的抗干扰技术与PCB设计 26 印制电路板实际上是一个连接 承载元件的载体 和元件一起组成了实际的电路 印制电路板上元件的位置 方向安排 导线的位置 参数的设计将影响实际电路的工作状况 印制电路板的设计就是根据电路的功能 工作频率 功率等合理的安排元件和导线 印制电路板的设计要综合考虑电路参数 元件参数 安装位置 尺寸大小 散热 干扰 pcb材料等多种因素 折衷考虑 PCB板设计的好坏没有统一的标准 只有一般的 指导性的意见 电路的抗干扰技术与PCB设计 27 2 电路板的层 Layer 电路板中的层不是虚拟的而是印刷板材料本身实实在在的铜箔层 除了常用的单层电路板之外 由于一些较新的电子产品电子线路的元件密集中 所用的印刷板不仅有上下两面双层走线 在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔 例如计算机主板所用的印板材料多在4层以上 其分为 单面板双面板多层板 顶层Top 过孔Via 底层Bottom 中间层Mid 绝缘层 电路的抗干扰技术与PCB设计 28 3 各种膜 Mask 焊盘 阻焊膜 SolderMask 丝印膜 Silkscreen 助焊膜 PastMask 多层板 多层板 电路的抗干扰技术与PCB设计 29 4 敷铜板的分类敷铜板 全称应为敷铜箔层压板 是在绝缘基板上粘一层铜箔而成 绝缘基板 铜箔 电路的抗干扰技术与PCB设计 30 1 酚醛纸敷铜板易潮 不阻燃 便宜 做收音机等 2 环氧纸敷铜板耐潮 耐高温 价偏高 做仪器 仪表等 3 环氧玻璃布敷铜板基板透明 优于前者 价较高 做高档电器 4 聚四氟乙烯敷铜板介质损耗低价高 用于高频电路 5 柔性电路板可弯曲 电路的抗干扰技术与PCB设计 31 几种主要基板材料物理电气性能表 电路的抗干扰技术与PCB设计 32 电路的抗干扰技术与PCB设计 33 5 PCB版的制作过程A 根据电路原理图设计PCB板图B 光绘成正像胶片C 准备敷铜板D 上保护油墨E 曝光F 清洗G 腐蚀H 上阻焊油墨I 曝光J 清洗K 印字符L 上助焊剂 电路的抗干扰技术与PCB设计 34 压膜将经处理之基板铜面透过热压方式贴上抗蚀干膜 电路的抗干扰技术与PCB设计 35 曝光经光源作用将原始底片上的图像转移到感光底板上主要原物料 底片内层所用底片为负片 即白色透光部分发生光聚合反应 黑色部分则因不透光 不发生反应 外层所用底片刚好与内层相反 底片为正片 电路的抗干扰技术与PCB设计 36 显影用碱液作用将未发生化学反应之干膜部分冲掉主要原物料 Na2CO3使用将未发生聚合反应之干膜冲掉 而发生聚合反应之干膜则保留在板面上作为蚀刻时之抗蚀保护层 电路的抗干扰技术与PCB设计 37 蚀刻利用药液将显影后露出的铜蚀掉 形成内层线路图形主要原物料 蚀刻药液 CuCl2 去膜利用强碱将保护铜面之抗蚀层剥掉 露出线路图形主要原物料 NaOH 电路的抗干扰技术与PCB设计 38 在设计印制板时需要先行绘制原理图 这样可以保证不会出现电路原理上的错误 资料完整 添加元件速度快 原理图绘制的基本原则 1 符合人的读图习惯 2 尽量体现出电路原理方面的结构 特点等 容易理解 图形文件 3 符合一定的技术标准原理图中的几个要素 1 元件 元件标号 参数和型号 封装等 2 连线 细线 总线 节点 3 网络标号 4 注释 电路的抗干扰技术与PCB设计 39 原理图绘制的步骤与考虑 1 布局电路的主要部分布置在图纸的中间部分 次要部分布置在图纸的周围以信号的流程为导向 从左到右 从上到下排列属于同一电路单元内的元件集中放置不同电路单元之间留有间隔 电路图是有节奏的 整个图纸布局要相对匀称 清晰特殊元件的位置要体现出元件的功能和要求 2 布线横平竖直 减少交叉 便于视线追踪对于相同性质的多根连线使用总线连接对于连接距离比较长的连线用标号连接 电路的抗干扰技术与PCB设计 40 电路的抗干扰技术与PCB设计 41 设计印制板布局时考虑的几个问题 1 热稳定性的考虑 2 抗干扰性能的考虑 3 机械强度的考虑 4 布线及加工工艺 加工精度和成本 电路的抗干扰技术与PCB设计 42 1 热稳定性的考虑意义 电子电路一般对温度的变化比较敏感 参数变化 耐受高温的能力也比较差 烧毁或寿命缩短 所以在设计印制电路板时必须考虑电路板的散热和电路的热稳定性 使电路在规定的环境温度范围内都能正常工作 不利因素 印制电路板本身是热的不良导体 在平面安装时不利于热空气对流 不透气 元件的安装密度比较大 而且希望将所有元件都安装在电路板上 体积越来越小 和防尘 防水 防潮存在矛盾 考虑因素 任何电路元件只要通电就会有损耗 就会发热 设计印制电路板时主要是通过合理地安排元件的布局 尽可能有利于散热和减少温度的影响 电路的抗干扰技术与PCB设计 43 假设一个平面安装的电路板上各元件均匀分布且发热量相等 称为均匀热负载 则热平衡后板上温度分布如图所示所以 一般来讲 温度敏感元件尽量靠近电路板的边沿安装 发热量大的元件尽量靠近电路板的边沿安装 温度敏感元件尽量远离发热量大的元件和温度比较高区域 例如 高精度直流放大器远离电源和功率器件 电解电容离开功率器件和散热器 电路的抗干扰技术与PCB设计 44 也可以采取隔热措施 在发热元件和温度敏感元件之间安装一块隔热板 将发热元件安装在高位 温度敏感元件安装在低位 例如 将电路板立式安装 或将发热元件架高安装 另一种方法是采取散热措施 给发热元件加装散热器 分为自然 风冷 并使热量尽可能的排到机箱外 给发热元件 温度敏感元件下面打散热孔 解决对流问题 利用印制板铜箔散热 两面都利用时要打过孔 并去掉阻焊 增加机箱的散热性能 开孔的大小 形状 数量等 发热元件靠近散热孔 使用导热硅脂等辅助材料 电路的抗干扰技术与PCB设计 45 2 抗干扰性能的考虑干扰敏感元件和干扰源之间拉开距离 如直尺排列 导线间距加大 高电平和低电平电路分开 干扰敏感元件和干扰源之间隔离 如导线隔离 元件隔离 电源地线层隔离 布线层隔离 干扰敏感元件和干扰源之间变换方位 如导线避免平行 电感垂直安装 电容垂直安装 干扰敏感元件和干扰源之间的频谱错开 减小带宽 合理进行地线层分割 各电路模块集中安装 如数字模拟地分开 干扰被干扰地分开 加宽电源 地线宽度 尽量用大面积接地 做好电源滤波 每个有源器件都要有滤波电容