高速电路板电磁兼容性分析

毕 业 论 文论文题目： 高速电路板电磁兼容性分析 系 部： 专业名称： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成时间： 年月 日高速电路板电磁兼容性分析摘要：本文首先对电磁兼容的基本概念作出了简要的回答，接着引出了在高速电路板中存在的电磁兼容问题，主要是其产生的原因，重点是电磁干扰的内容，以及相应的解决办法。由这些问题给出了高速电路板在电磁兼容性上的设计方法，包含了元器件的放置、去耦电容的放置等基本原则。最后通过对PCBMOD仿真软件的简单介绍使PCB板的EMC问题在计算机辅助软件的帮助下大为简化，使复杂的问题在现实应用中的解决成为可能。关键词：电磁兼容性（EMC）；电磁干扰（EMI）；电磁敏感性（EMS） High speed circuit board electromagnetic compatibility analysis Abstract: This article first has made the brief reply to the electromagnetic compatibility basic concept, then has drawn out the electromagnetic compatibility question which exists in the high-speed circuit board, mainly is the reason which it produces, the key point is the electromagnetic interference content, as well as corresponding solution.Has given the high-speed circuit board in electromagnetic compatibility design method by these questions, has contained the primary device laying aside, the decoupling electric capacity laying aside and so on the basic principle.Finally through causes PCB to the PCBMOD simulation software simple introduction the board the EMC question to assist the software in the computer under the help is greatly the simplification, causes the complex question in the reality application solution into possibleKey words: Electromagnetic compatibility（EMC）； Electromagnetic interference（EMI）；Electromagnetic sensitivity（EMS）目录引言21.电磁兼容性的概念与内容31.1电磁兼容的概念31.2电磁兼容包含的内容32.高速电路板的电磁兼容性42.1高速电路板电磁干扰的产生原因42.2电磁干扰的解决办法53.PCB板电磁兼容性设计原则及方法63.1 元器件的放置73.2 PCB板的叠层布线73.3 去耦电容的放置及使用方法84.PCB板的EMC仿真分析84.1 EMC仿真介绍84.2 PCBMOD仿真软件85.应用单片机设计PCB板105.1设计流程105.2设计注意事项.10结束语11参考文献12致谢词13 引言科学技术的发展，特别是集成电路的发展，带动着高速电路的飞速发展，电子设备体积越来越小，集成度却越来越高，高速、高密度的数字电路设计成为主要发展方向。随着逻辑电路中时钟频率的提高、板上器件数和布线数的不断增加，印制板的电磁兼容性问题越来越突出。这些问题的解决直接关系到数字电路功能的实现和电子设备的质量。正如前面所说，电路工作频率的越来越高使电路板的EMC问题越来越复杂，现在的CPU的工作时钟频率已经达到4GHz。正因如此，才需要我们深入研究高速电路板的电磁兼容性问题，尽可能早的发现问题，并实现PCB板的EMC设计所提出的要求，就可以避免产品定型生产之后再解决问题所带来的成本上升和时间的延误。1.电磁兼容性的概念与内容1.1电磁兼容的概念在现代社会里，微电子技术已深入到各个领域。由于电子技术中的高频器件占据很大的份额，使人们并不希望见到的电磁辐射几乎无处不在，形成了一种所谓的电磁污染。此外由于工作空间的狭窄，许多电磁能量的辐射体与接受装置不得不现相互为邻，影响到这些设备的正常工作与效率。这些问题的解决都需要用到电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）的相关理论。国际电工委员会对电磁兼容性的定义为：EMC是电子设备的一种功能，电子设备在环境中完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。电磁兼容性问题已经形成一门新的学科，也是一门以电磁场理论为基础，包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘科学。电磁兼容性问题也是要求多动手实践的一门技术，仅仅是理论知识的积累只能将理解停留在表面，只有多动手操作，多掌握实践经验才能深入掌握分析的技巧。1.2电磁兼容包含的内容 根据IEC给出的定义我们可以用一种通俗说法：EMC就是研究设备或系统的电磁干扰和抗扰度的问题，也就是说所有的电子设备既不要成为一个电磁干扰源，对周围的设备的正常工作产生不良影响；又能承受周围电磁环境中从各种途径传输的各种电磁干扰，而保证自身设备的正常工作。电磁兼容（EMC）=电磁干扰（EMI）+电磁敏感度（EMS）电磁干扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。任何一个电磁干扰现象的发生都要具备三个要素：干扰源，耦合途径，敏感设备。在电磁兼容理论中，电磁干扰源是指产生电磁干扰的器件、设备、分系统、系统或自然现象。一般说来电磁干扰源分为两大类：自然干扰源和人为干扰源。敏感设备是指对电磁干扰发生响应的系统或设备的总称。要注意许多电器装置既是辐射体又是敏感体，如计算机内部的时钟脉冲频率发生器工作时将泄漏出电磁辐射担当干扰源的角色，但同时又易受到外界的电磁能量的影响而成为敏感体。耦合途径是指把能量从电磁干扰源耦合到敏感设备上，并引起该设备响应的媒介。一般有两种方式：传导耦合方式和辐射耦合方式。传导耦合：这种方式比较简单，因为干扰源与敏感设备之间有明确的连接电路，电磁能量就沿着连接电路从干扰源传输到敏感设备上。辐射耦合：因为没有具体的连接电路，电磁能量只能以电磁波的方式在空间传播，从干扰源传到敏感设备。2.高速电路板的电磁兼容性2.1高速电路板电磁干扰的产生原因数字电路中，在系统时钟频率超过50MHz并且工作在这这个频率之上的电路已经占到整个电子系统的三分之一以上，或采用了上升下降时间少于5ns的器件，就是高速电路，考虑传输线效应和传输延迟。实际上，信号上升沿与下降沿的谐波频率比本身的频率高很多，就导致不能按照理论传输来计算。数字电路的时钟信号包含了大量的谐波分量，因此数字电路的时钟频率就不能看成是PCB布线中的最高频率，从而就为PCB板中通过射频电流提供了先决条件。又由电磁场基本理论的可知，当PCB印制线中存在射频电流时，电流从电流源流到负载，通过返回路径返回形成闭合回路，就会形成磁场，该磁场又会产生一个辐射磁场，与电磁波的形成与传播类似，电磁场的交互作用实现了射频能量的产生与传播。因为PCB印制线与射频电流返回路径没有完全重合，磁场与返回结构间的磁通耦合就没有达到百分之百，剩余的射频电流就是在PCB板中引起电磁干扰的主要原因。如图1所示 图1 高速电路板电磁干扰产生原因 印制电路板中的电磁干扰问题包括高频信号之间的串扰问题，高频信号的电磁辐射问题，高频信号传输的反射问题，其中尤以高频辐射问题最为严重，因为频率越高，印制线、电源线的阻抗就越高，因此就会通过公共阻抗耦合产生干扰，频率增高会使寄生电容容抗减小，就容易发生串扰。现具体说明如下：（1） 高频器件辐射的电磁干扰，通常情况下，PCB板的工作频率太高，布线布局不合理，没有采取有效的屏蔽措施就会导致辐射干扰。数据显示产生的干扰噪声是时钟频率的3倍。（2） 系统电源自身的噪声干扰。系统电源在提供能源的同时，也将其寄生的干扰噪声加到电路中，系统中的模拟信号电路很容易受到此类干扰。（3） 大电流驱动电路产生的干扰，电路中大电流开关在动作时会产生电火花干扰。（4） 高频信号之间的串扰，信号在传输线上传输时，因为有电磁耦合，所以对相邻的传输线会产生干扰。对于两条信号之间的耦合问题，主要是信号线之间的互感和互容。（5） 高频信号传输的反射问题，高频信号在传输时，当源端与负载端阻抗不匹配时，就会在终端发生发射，使信号发生变形。2.2电磁干扰的解决办法针对高速电路板中存在的电磁干扰问题，现提供以下解决措施：（1） 尽量选用频率低的芯片来提高系统的抗干扰能力，频率越高就越容易成为噪声源，产生的高频噪声就越大，电磁干扰就越强，在设计时，在能满足要求的情况下尽量使用频率低的芯片。（2） 选用高精度的稳态电源供电，电源供电时会将寄生的噪声加到电路中，使用稳态电源供电会减少这一类噪声，还要增加电源线的宽度以减少环路电阻。（3） 设计高速PCB板时，信号的走线越短越好，过孔数目最好不要超过2个。（4） 减少信号间的交叉干扰，高频信号传输时，会产生传输线效应（传输线不仅仅作为导线，还会产生分布电容和分布电感，影响信号的传输），导致传输信号的失真，高速数字信号传输时，会干扰与之平行的另一条传输线，这就是信号间的交叉干扰，为此要尽可能的缩短高频器件间的连接线。（5） PCB板的合理布局结构，布局不当是造成干扰的主要原因，所以正确的布局布线是设备正常运行的基本保证之一。首先是PCB板的尺寸大小，尺寸太大会增加它的成本，降低它的抗噪能力，太小则临近线条容易受到干扰。尽可能将强电信号与弱电信号分开，模拟信号与数字信号分开，用地线将两区域分离，将模拟地与数字地分离，接于电源地，干扰源与敏感器件分离，元器件应均匀、整齐、紧凑的排列在PCB板上，尽量减少各元器件之间的引线和连接线。（6） 合理解决电源线和地线连接多造成的电磁干扰，大多数的电磁干扰都是通过地线引入的。地线存在阻抗，地线中流过电流时会产生电压降，因为在地线中有了环路电流、电压降，就产生了地环路干扰。解决方法就是切断地环路，增加地环路阻抗。共用一段地线会产生公共阻抗耦合，解决办法是为每个模块提供一个公共电位参考点，让每个电路模块的接电线最终汇流与公共电位参考点，由于只有一个参考点，也就没有了公共耦合阻抗的存在，也就没有了干扰问题。（7） 用去耦电容去除高频噪声，频率越高容抗就越低，将其并联在信号线与地线之间，就能滤除掉高频噪声。将每个芯片都加上一个电容不仅能储存能量，还能旁路掉高频噪声，电容引线不宜过长，引线长了，其感应电感就越大，电容的谐振频率就越低，旁路作用就会减弱。3.PCB板电磁兼容性设计原则及方法PCB板的电磁兼容性设计要遵循的原则有很多，这里只简要介绍本文用到的几条比较重要的准则。：信号电流环路面积要最小，众所周知所有的电子信号有电压也有电流，信号电流总是要形成闭合回路，把信号电流环路面积设计最小是为了防止信号辐射或耦合至其他电路，PCB设计者要为每个信号电流设计一条回到源头的低阻抗路径；：不要在连接端口之间放置高频电路，大部分从板上辐射出去和从外界耦合至板上的电磁能量都是从IO连接端口这个路径。：控制数字信号的转换时间，时钟信号的高次谐波是产生干扰的重要原因，通过控制信号的上升下降时间，可以很好的衰减高次谐波而不降低信号质量和误码率。:第一条规则告诉我们信号要有完整的闭合回路而不能存在间隙，如果回路平面出现缝隙会使高频电流通过高阻抗的路径回到源端，这会导致辐射电磁干扰。基于这四个方面，对高速PCB板的EMI设计作一详细介绍。3.1 元器件的放置元器件的放置非常重要，其直接导致信号的流向，应注意的方面很多。 时钟发生器的放置1 时钟信号为PCB板内的高频信号，所以它的走线应该设计的最短，不能在IO接口附近。2 也不能在例如DC电源这样的内部接口附近，时钟电路不能放置在PCB板的边缘。 CPU内存的器件放置 和时钟信号相同，CPU内存器件也是高频器件所以也不能放置在IO电路附近，同样也不能放在内部接口附近。3.2 PCB板的叠层布线 1：高速总线和时钟线是频率最高的走线，所以要最先布线。 2：高速信号线和时钟线要远离IO的接口处，这在元器件的放置中有所提及，原因也是频率高易产生高频干扰。 3：在高速、高频和大电流流经的区域不能有IO信号线。 4：在同一叠层或临近层上，时钟线与IO信号线不要平行或靠近以免发生串扰。 5：时钟区域是高频区域不能有无关的走线穿越，电源分割区域不能有无关的走线穿越是由原则四决定的。3.3 去耦电容的放置及使用方法1.符合高速定义的部件必须使用去耦电容。2.去耦电容的走线越宽越好，这样的走线阻抗越大。3.为集成电路的每一个电源管脚配置一个去耦电容。4.每一个去耦电容都要通过走线接地，还要保证走线的电感达到最小。5.为了达到第四点中的走线电感最小，可以用两根地线接去耦电容。4.PCB板的EMC仿真分析4.1 EMC仿真介绍PCB板存在的EMC问题：信号的串扰、反射造成信号的完整性问题电源地电压的波动造成电源的完整性问题电磁场的辐射造成电磁干扰和抗干扰问题4.2 PCBMOD仿真软件介绍PCBMOD软件主要适应于计算机、通信领域的PCB和电缆的EMC模拟。支持高速的数字信号、模拟信号或者模数混合信号以及电源的设计，可采用频域和时域两种方法对2D或3D线性传输线模型以及电源/接地问题进行分析。PCBMOD可用于PCB板的EMC分析，有二维和三维场求解器及高级网络仿真器，功能强大，提供PCB布线设计、器件布局和电源地优化设计等电磁兼容和信号完整性仿真分析,不仅可以直接导入多种PCB布线EDA软件模型（如Protel等软件）还能精确考虑串扰、趋肤效应等问题。其分析流程如图2所示： 图2 PCBMOD软件EMC仿真流程如图所示，首先将PCB板的相关几何尺寸的参数输入到软件中，接着就是在二维或三维场求解器对它进行时域和频域的EMC、EMI问题。在定义完PCB板的激励、负载和相应的内外部端口后对其进行电路网络的分析，这得益于软件内置的CAD设计工具，下一步是电磁辐射的分析，包括电磁干扰和电磁敏感度两个方面的分析，最后观察得到的结果。PCBMOD可以用在PCB和集成电路设计的各个阶段，它包含了ATHOS，Static2D3D和Stat Mod，对模拟和数字电路都可以分析。ATHOS是一个可视化PCB电路编辑器。Static2D3D是一个基于BEM（边界元方法）的二维或三维的模拟器，能分析数字电路和高频模拟电路。Stat Mod 是个3D EMC频域模拟程序，它利用了PEEC（部分元等效电路法）数值分析算法。它内置了PCB设计CAD软件。适应于低频模拟电路。5.应用单片机设计PCB板5.1设计流程 单片机系统的设计主要包括电路原理图的设计，PCB板的设计，制作软件的编程，以及系统的集成等方面。根据需要，首先制定出总体方案，总体方案首先制定出硬件电路图，包括单片机的选择，单片机及扩展的设计，外部设备和接口设计等。根据原理图设计PCB板也有一个具体的流程：开始规划电路板设置参数装入网格表及元件的封装布置元件自动布线手工调整存盘及打印输出结束。虽然这一过程主要是由Protel99SE完成，但仍需要注意一些问题：（1） 板的布局（2） 高低压之间的隔离（3） PCB板的走线（4） 印制导线的宽度（5） 印制导线的间距（6） 印制导线的屏蔽与接地根据单片机所支持的指令系统和设计任务的基本要求确定软件的设计内容。为使软件设计工作思路清晰，一般把系统的全部软件工作，划分成几个模块，每个模块就能完成一定的功能，每个模块可相互独立，又可通过指令相互联系和调用。5.2设计注意事项. 单片机系统的设计涉及到许多问题，要注意的事项很多，这里只简要介绍： 单片机以及电路所用器件的选择，包括单片机的选择和电路器件的选择两个方面问题。 PCB板设计应注意的问题： （1）尽量控制噪声源，尽量减小噪声的传播与耦合，尽量减小噪声的吸收 （2）PCB板要合理分区，通常分为3区，即模块电路区（怕干扰）、数字电路区（既怕干扰又产生干扰）、