电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用.doc

本文由jimmy3973贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 维普资讯 年 第 卷第 期 电 子 机 械 工 程 电磁 兼 容 技 术 及 其 在 设 计 中的应 用 俞 海珍 ， 冯浩 （ 江业 大学 信息 上程 学 院 ， 江 杭州 ） 浙 浙 摘 要 ： 印制 电路 板 的 电路 设计 阶段 就进 行 电磁 兼容性 （ 设 计 是非 常 重要 的 。论 述 了电磁 兼容 在 ） 技 术及 其在 印制 电路 板 中的应 用 ， 印制 电路 板的 选取 到 元 器件 的 布 置 ， 线 、 源线 以及 信 号 线 的设 从 地 电 计， 最后 结合 公 司的 软件 ， 出 了一种在 设 计 中减 少 电磁 干扰 的设计 方 法。 给 关键 词 ： 印制 电路板 ； 电磁 兼容 ： 电磁 干扰 ； 软 件 中图 分类 号 ： 文献标 识码 ： 文章编 号 ： ） （ ， （ ， ， ， ） ） ： （ ， ， ， ， ， ， ： ； ； ： 引 言 电磁兼 容 （ 是一 门新 兴 的综 合性 学 科 ， 主 ） 它 要 研究 电磁干 扰 和抗 干扰 的 问题 ：电磁兼 容性 是 指 电 子 没备或 系统 在规 定 的电 磁环 境 电平 下 ， 因 电磁 干 不 扰 而降低 性能 指标 ， 时它 们 本 身 产 生 的 电 磁辐 射 不 同 大 于检定 的极 限 电平 ， 不影 响其 它或 系统 的正 常运 行 ， 意解 决 电磁兼 容性 ， 则越 可 以节 约人 力与物 力 （ 。 图 ） 荽 藿。 ? 并达 到设 备与设 备 、 系统 与 系统之 间 互不 干扰 、 同可 共 靠地 工作 的 目的 。而 电磁环 境 电平 是受 试设备 或 系统 在 不加电 时 ， 于规定 的试 验 场地 和时 间 内 ， 存在 于周 围 空间 的辐 射和 电 网 内传 导信 号 及噪 声 的 量 值 ， 个 电 这 磁环境 电平是 由 自然干扰 源 及 人为干 扰源 的 电磁能 量 共同形 成 的 图 早 期 解 决 电 磁 兼 容 性 的必 要 性 目前 电子器 材用 于各 类 电子设 备 和系统 仍然 以 印 制 电路 板 为主要 装 配 方式 。实 践证 明 ， 使 电路 原 理 即 图设计 正确 ， 印制 电路板 设计 不 当 ， 也会 对 电子设 备 的 可 靠性 产生 不利 影 响 。所 以保 证 印制 电路板 的 电磁兼 容性 是 整个 系统 设计 的关 键 。这里 主要讨 论 电磁兼 容 技术 及 其在 设 计 中的应 用 。 电子设 备和 系统 的 电磁兼 容性 指 标 已成为 电子设 备和 系统设 计在 研制 时 的一 个重 要 的技 术要 求 ：现 在 已经有 了抑 制 电子设 备 和 系统 的 国际 标 准 ， 称 统 为电磁 兼 容（ ） 准 ， 标 它们 可 以作 为普 通 设 计 背 布 线 和布 局 时抑制 电 磁辐 射 和 于扰 的准 则 ， 于 军 用 电 对 电磁 兼容 技 术 不 管复 杂系 统还 是 简 单 装 置 ， 何 一 个 电 磁干 扰 任 的发生 必须 具备 三个 基本 条件 ： 先应该 具 有干扰 源 ； 首 子产 品设计 者来 说 ， 准 会更 严格 ， 标 要求 更苛 刻 ：国内 外大量 的经验 表 明 ， 产 品 的研 制 生 产 过 程 中越早 注 在 收 稿 日期 ： 维普资讯 电 子 机 械 工 程 第 卷 其次有 传播 干扰 能量 的途 径 （ 通 道 ） 第二 还 必 须有 或 ； 被 干扰 对象 （ ： 感设 备 ） 响 应 所 以控 制 扰 源 即 敏 的 可能 降低 ， 到有 关 标 准要 求 。外 部 的 传 导 干扰 和 辐 达 射干 扰对 板上 的 电路 基本 无 影 响 ， 际 上在 设 计 中采 实 取正 确 的措施 常 常能 同时起 到抗 干扰 和抑 制发 射 的作 用 。在设计 印 制 电路 板 布线 时 ， 先要 选 取 印制 板 类 首 型 ， 后是 确 定 元 器 件 在 板 上 的位 置 ， 依 次 布 置 地 然 再 的电磁 辐射 ， 切断 或抑 制 电磁 干扰 的耦 合通道 ， 高敏 提 感设 备 的抗 干扰 能力 是电 子设 备 和系统 电磁 兼容性 设 计 的主 要 内容 。具体 有 以下 儿 个方 面 的措 施 ， 用来 实 现 电磁 兼容性 。 干 扰 电路 线、 电源线 、 速信 号线 和低 速信 号线 。现 在分 别加 以 高 讨论 。 印制 电路 板 的选 取 电子设 备 中的单 元 电路 应设 计 和选用 本 身 电磁能 量辐 射 小 、 干扰 能 力 强 的线 路 形 式 小 信 号 放 大 器 抗 应增 大线 性 动态 范 围 ， 高电路 的过 载能 力 ， 提 减小非 线 性 失真 ； 功率 放大 器工 作在 甲类状 态 时 ， 产生 的谐波 最 少； 工作 在 乙类时 ， 采 用 推 挽 形 式来 抑 制 二 次 谐 波 ， 应 丙类 状 态用 于射频 放 大 ， 抑 制 谐 波 电平 应 采 用 锐 调 为 谐 、 滤 波器 。 高 器 件和 电路 的合理 布 局 将 容易受 到 干扰 的敏感 元器 件 和单元 电路 尽 呵能 地 与干扰 源远 离 ； 出与输 入端 口妥 善隔 离 ； 输 高电平 电 印制 电路板 有 单 面 、 面和 多 层 板 之分 。单 面 和 双 双 面板 一般 用 于低 、 中密 度 布线 的 电路 和 集 成 度较 低 的电路 。多 层板 适用 于高 密 度 布 线 、 集 成 度 芯 片 的 高 高 速数 字 电路 。 元器件 布 置 首 先应 对板 上 的元 器 件 分 组 ， 目的是 对 印制 板 上 的空 间进行 分 割 ， 同组 的放在 一起 ， 以便 在 空 间上 保证 各组 的元器 件不 致于 相互 干扰 。一 般 先按使 用 电源 电 压 分组 ， 按数 字与模 拟 、 速与 低速 以及 电流 大小 等 再 高 进 一步 分组 。不 相容 的器 件 要 分 开 布 置 ， 如 发热 元 例 件 远离 关键 集成 电路 ， 性 元 件 要 屏蔽 。敏 感 器 件 则 磁 应 远离 时钟发 生器 等等 。 缆 与脉 冲引线 与低 电平 电缆 分 开排 布 正确 的 电磁屏 蔽 用屏 蔽体 包封 干 扰 源 ， 以防 止 干扰 电磁 辐 射 向 可 外传播 ； 屏蔽 体包 封被 干扰 电路 ， 以防止 干扰 电磁 用 可 能量 进入 。电磁屏 蔽虽 然能 够有 效地 切断 近场 感应 和 远场 辐射 等 电磁干 扰 的 传播 通 道 ， 它 会 造 成 电 子设 但 备散 热 困难 、 修 不便 、 本增 加 ， 根据 最 佳 费 效 比 维 成 应 进行 设计 。 良好 的接 地 系统 连 接器 及 其 引 脚 应 根 据 元 器 件 在 板 上 的 位 置 确 定 。所 有连 接器 最好 放 在 印制 板 的一 侧 ， 量 避 免从 尽 两侧 引 出 电 缆 ， 以便 减 小 共 模 电 流 辐 射 。 高 速 器 件 （ 率 大于 频 或上 升 时 间小于 的器件 ） 可 尽 能 远离 连接 器 。驱动 器则 应 紧靠 连接 器 ， 以免 信 号在 板上 长距 离走 线 ， 合 上干 扰信 号 。 耦 地 线 的布 置 设计 低 阻抗 的地线 ， 元 电路 和设 备 的接地 系统 、 单 电缆 屏蔽 层 的接 地 、 号 电 路 屏 蔽 体 的接 地 等 的 正 确 信 设计 ， 采用合 理 的阻 隔地 环路 干扰 的措施 ： 并 滤 波技术 的运 用 布 置地线 时首先 考虑 的 问题 是 “ 分地 ” 即根据 不 ， 同的 电源 电 压 ， 字 电路 和 模 拟 电路 分 别 设 置 地 线 。 数 在 多层 印制 板 中有 专 门 的地 线 层 ， 地 线 层 上 用 “ 在 划 沟” 方 法 来 分 地 。但 分 地 并 不 是 把 各 种 地 完 全 隔 的 滤波 器 的主要 功能 是将有 用 信 号 以外 的信 号能 量 进行 抑制 ：借 助 于滤 波 器 ， 以显 著减 弱 干 扰 源 和 被 可 离 ， 是在适 当的位 置仍 需把 不 同 的地 短接 起来 ， 而 以保 证 整个 地线 的 电连续 性 ， 短接 通 道 有 时 也 形 象 地称 之 为“ ” 桥 。桥 应该 有 足够 的宽 度 。 布 置地 线 时要 注 意 以 下 几 点 ： 多 层 板 的信 号 （） 干扰 电路 间 的传导 干扰 电平 ： 电磁兼容技术在 设计 中的应用 目前 产 品的 电磁兼 容 问题 常常在 检测 机构 对产 品 层 上 的高 速信 号轨线 不 能横跨 地 线层 上 的沟 ； （ ） 变换 器 芯 片如 只有 一个 地 线 引脚 ， 该 芯 片应 安 放 在 则 进行 电磁 兼容测 试 以后才 去 解 决 ， 至 当产 品 使 用后 甚 出现 问题 时才 去补 救 ， 样 做 非 但 费时 费力 而 且 不 能 这 从根 本上 解决 问题 ， 因此 应 该 在 产 品开 发 的最 初 阶 段 连 接模 拟地 和数 字 地 的桥 上 ， 免数 字 信 号 回流绕 沟 避 而行 ； 连 接器 不要 跨装 在 地 线 沟 上 ， 为 沟两 边 的 （） 因 地 电 位可能 差 别较 大 ， 而 通 过外 接 电缆 产 生 共模 辐 从 就进 行 电磁 兼 容设 计 。 由于 板 上 的 电子 器 件 密 度越来 越 大 ， 线 越来 越 窄 ， 走 信号 的频 率 越 来 越 高 ， 不 可避 免地 会引入 （ 磁兼 容 ） （ 电 和 电磁 干 扰 ） 的问题 。所 以设 计 目的是使 板上 各部 分 电路 之 间没 有 相 互干 扰 ， 使印 制板 对 外 的 传 导 发射 和辐 射 发 射 尽 并 射骚 扰 ；） 面板 的地线 通 常采 用 井字 形 网状结 构 ， （ 双 即一 面安排 成 梳形结 构地 线 ， 一 面安 排 几 条 与 之 垂 另 直 的地 线 ， 交叉 处 用 过孔 连 接 。网状 结 构 能减 小 信 号 电流 的环路 面 积 。地线 应 尽 可能 地 粗 ， 以减 小 地线 上 维普资讯 第 期 俞海珍 ， ： 等 电磁 兼 技 术 及 其 在 设 汁中 的 应 用 的 分 电感 ： 布 阻抗 的变化 ， 例如走线的宽窄不一 ， 走线拐弯 ， 经过过 孔 等 。所 以布线 时应 采 取 以下 措施 ， 得 信号 线 全 程 使 电源 线 的布置 印制 板上 的 电源供 电线 由于给 板上 的数字 逻辑 器 件 供电 ， 线路 中存 在着 瞬态 变 化的供 电 电流 ， 此将 向 大 空 间辐 射 电磁 骚扰 供 电线 路 电感 又将 引起共 阻抗 祸 合干扰 ， 同时 会影 响集 成 片 的 响 应速 度 和 引起 供 电 电 走线 的特 性 阻 抗 保 持 不 变 ： 高 速 信 号 线 布 置 在 同 （） 一 层上 ， 不经 过过 孔 。一 般 数 字 信 号 线 应避 免 穿 过 二 个 以上 的过孔 ； 信 号线 拐 。 角会 产生 特性 阻抗 （） 直 变 化 ， 以拐 角 处应 设 计成 弧 形 或 轨 线 的 外侧 用 两 个 所 。 角连接 ； 信 号 线 不 要 离 印制 板 边 缘 太 近 ， （） 留有 的宽度 应至 少 大于轨线 层 和地线 层 的距离 （ 为 约 ） 否则会 引 起 特 性 阻抗 变 化 ， ， 而且 容 易产 生 边 缘 场 ， 加 向外 的 辐 射 ； ） 钟 发 生 器 如 有 多 个 负 载 ， 增 （ 时 则 不 能用树 型结 构走 线 ， 而应 用蜘 蛛 网型结 构走线 ， 即 所 有 的时钟 负载 直接 与时 钟功 率驱 动器相 互 连接 。 在 印制 板上 不允许 有 任何 电气 上没 有连 接并悬 空 压的振荡 一 般 采用滤 波 去耦 电容 和减小 供 电线路 特 性 阻抗 的方 法来 抑制 电源 线 中存在 的骚扰 双面板 上采 用 轨 线 对供 电 ：轨线 对 应 尽 可 能 粗 ， 并 相互 靠近 ：供 电环 路 面 积 应 减 小 到最 低 程 度 ， 同 电源 的供 电环路 不要 相互 重叠 一如 印刷 板上 布线 密度 较 高不 易达 到上 述要 求 ， 可 采 用 小 型 电 源母 线 条 插 则 在 板上 供 电：多 层 板 的供 电 有 专 用 的 电 源层 和 地 线 层 ， 积大 ， 面 间距 小 ， 性 阻抗 可小 于 ： 特 的金属 存在 。例如集 成 片上空 闲 的引脚 、 散热 片 、 属 金 屏 蔽罩 、 支架 和 板上 没有 利用 的金 属 面 等 都应 该 就 近 接 地线 层 。 印 制 电路 板 上 的 供 电线 路 应 加 滤 波 器 和 去 耦 电 容 在 板 的电源 引入 端 使 用 大 容量 的 电解 电容 （ 作 低频 滤 波 ， ） 再并 联 一 只 的陶 瓷 电容 作高 频滤 波 。板上 集成 片 的电源 引脚 和地线 引 脚之 间 应加 的 陶 瓷 电容 进 行 去 耦 ， 少 每 至 块 集成 片应 有一 个去耦 电容 ：去耦 电容 应贴 近集成 片 安装 ， 连接线 应 尽量 短 ， 大 不 超 过 最 ：去 祸 回路 的面 积也 应可能 减 小 。多 层 板的 电源层 和地 线层 之 间 在 电磁 兼 容 设 计 中的 应用 线 路 板设计 阶段 如果 缺乏 有效 的手 段分 析 电磁干 扰 ， 产 品可能 通不 过 则 标 准 而不能 进入 生产 。 传 统 的尝试性 方 法仍 是 国 内设 计 人 员 普 遍 采 用 的方 法 ， 的 电容 也参 与去 耦 ， 主要是 对频 率较 高 的频段 而 言的 ： 如果层 电容 量不 足 ， 上 可 再 另 加 去耦 电容 采 用 表 板 面安装 （ 的去耦 电容 可 以进一 步减 小去 耦 回路 的 ） 面积 ， 达到 良好 的滤 波效 果 信 号线 的布 置 但 各 种各样 的 借助 于计算 机辅 助设 计 的方 法正应 运 而 生 。 设 计软 件 内部 的 自动 布 线软 件 包与 仿 真器 相结 合 实现 了具 有 设 计 的 计 算 机辅 助设 计 从 上 面布线 规则 可 知 ， 速信 号线 要短 ， 高 这可 以通 不 相 容 的信 号线 （ 字与 模 拟 、 速 与低 速 、 电 数 高 大 流与小 电 流 、 电压 与 低 电压 等 ） 高 应相 互 远 离 ， 要 平 不 行走线 ：分布在 不 同层 上 的信 号 线 走 向 应相 互 垂 直 这 样 可 以减 少线 问 的 电场 和 磁场耦 合干 扰 信 号线 的布 置最 好根 据信 号 的流 向顺序 安排 一一 个电路 的输 出信 号线 不要 再折 回输 入 信号线 区域 过配 置长 度约 束规 则来 实现 。对 于承 载高 速信号 的走 线 网络可 以采 用菊 花 链 拓 扑 ， 定 允许 最 长走 线 。并 规 行 导线 容 易引 起相 互 串扰 ， 以通 过 配 置 并 行 走线 的 可 最 大 长度来 把 串扰 限制 在 允许 的 范 围之 内。 由于导线 的特 性 阻 抗 会 引 起 公 共 阻 抗 干 扰 ， 以 采 用 所 布 线时 ， 以在 信 号 完 整性 功 能 项 设 定 中 配 可 高速 信号线 要 尽可 能地 短 ， 以免 干扰其 他 信号线 ： 在 双面板 上 ， 要 时可 在高 速信号 线 两边加 隔离 地线 必 置 阻抗 约束 条件 来 保 证 网络 最 大 允 许 导 线 阻 抗 。 同 时 ， 可 以通 过设 定 信 号 完 整 性 功 能 项 中 的上 冲 、 还 下 冲、 延迟 时 间 约 束 来 保 证 信 号 的 完 整 。 的强 大设 计 功 能 为 电磁 兼 容 的设 计 提 供 了一 种 手段 ：当然 ， 设计 过程 中需 要 根 据 电磁 干扰 指 标 去 分 多 层板上 所有 高速 时 钟 线都 应 根 据 时 钟线 的 长短 采 用相 应 的屏蔽措 施 ？ 应考 虑信 号线 阻抗 匹配 问题 ：所谓 阻抗 匹 配就 是 信号 线 的负 载应 与信号 线 的特性 阻抗 相等 。特 性 阻抗 与 信号线 的宽 度 、 与地 线 层 的 距 离 以 及板 材 的介 电 常 数等 物理 因素 有关 ， 信 号线 的 固有 特 性 ？ 阻抗 不 匹 是 配将 引 起传输 信号 的反射 ， 使数 字波 形 产生振 荡 ， 成 造 析 计算 相应 的布线 参 数 ， 也 是 该 软 件 在 电磁 兼 容 设 这 计 中的 不足之 处 。 参 考文 献 ： ： 蔡仁钢 电磁兼 容原 理 、 设计 和预测 技术 北 京 ： 北 逻辑 混乱 ：通 常 信 号线 的负 载 是 ， 本 稳 定 ：造 芒片 基 吱不 匹配 的原 因主要 是信 号线 走线 过程 中本 身 的特性 京航空航天大学出版社 ， （ 下转 第 页） 维普资讯 第 期 郭 强 ， ： 虑 扭 率 的焊 点振 动疲 劳 寿 命 及 芯 片位 置 优 化 等 考 表 材 料 特 性 表 从图 可 以看 出 ， 过 有 限 元模 拟 计算 ， 电路 通 在 板 的边界 条 件一 样 的情 况 下 ，组 件 在 不 同位 置 的 位 移响 应是 不 同 的 ， 而 它们 的 受 力 不 同 。从 图 中可 进 以看到 ， 在第 节 所 算 得 的 优 化 区 域 内 的 位 移 （ 图 如 （ ） 比不 在 优 化 区 域 内 的 位 移 （ 图 （ ） 要 小 ） 如 ） 的多 。这样 焊点 在优 化 区域 内的 变形 也会 比不在 优 化 区域 内的变 形要 小 ， 寿命将 大 大降 低 。 （ ）优化前 图 优 化前 后 焊 点 位 移 比较 图 一 一 一一 厂 【 圣 咖 量瑚 二 昏 一 一 一 一 叫 妻 卜 一 ， 一 【一 帅 ： 结 论 在 充 分考 虑 电路板 振动 时产 生 的 曲率