PCB设计过程中的电磁兼容.ppt

1,2005CITYSEMINARS,自我介绍,姓名：于学萍公司：北京爱科创业电子技术有限公司E-mail：yuxp电话机2,2005CITYSEMINARS,PCB设计过程中的电磁兼容,3,2005CITYSEMINARS,数字周期梯形波信号的频谱图,4,2005CITYSEMINARS,数字周期梯形波信号的频谱图（仿真）,对1ns上升沿时间的梯形波（100MHz，占空比50%）的基于Matlab的快速傅立叶变换,5,2005CITYSEMINARS,元件的频率特性,6,2005CITYSEMINARS,导线的频率特性,导线,阻抗,频率,L,L,R,7,2005CITYSEMINARS,电阻的频率特性,C,L,电阻,L,阻抗,频率,Z=R,R,8,2005CITYSEMINARS,电容的频率特性,电容,L,C,L,阻抗,频率,电容的绝缘电阻,R,R,9,2005CITYSEMINARS,电感的频率特性,电感,L,阻抗,频率,直流电阻,C,R,R,10,2005CITYSEMINARS,PCB线条的拓扑结构,11,2005CITYSEMINARS,微带线,表面微带线,绝缘材料,嵌入式微带线,绝缘材料,参考平面,12,2005CITYSEMINARS,微带线的特性,微带线的优点：,信号传播速度快，传输延迟小。,微带线的缺点：,RF能量抑制作用差。,13,2005CITYSEMINARS,带状线,单带状线,绝缘材料,参考平面,绝缘材料,双带状线,参考平面,14,2005CITYSEMINARS,带状线的特性,带状线的优点：,对RF能量有良好的抑制作用。,带状线的缺点：,传输延迟时间长，信号边沿转换速率慢。,注：信号边沿转换时间1nS时，对信号的影响比较明显。,15,2005CITYSEMINARS,PCB层叠拓扑,16,2005CITYSEMINARS,单层板设计,单层板的适用条件：,1、通常只用于不包含周期信号（时钟）和模拟信号的电路设计；2、一般只能用在几百kHz的频率条件下。,单层板的缺点：,1、无法控制回路，避免大的回路面积；2、缺乏RF回流路径和通量对消条件；3、连接器会成为显著的辐射源。,17,2005CITYSEMINARS,双层板设计,由于PCB板一般为标准厚度，因此线条离参考平面距离比较远。这样双层板，实际就是两个单面板设计。当然由于存在两个布线层，设计中相对单层板可以更有效地控制环路面积。,注：PCB板的标准厚度为0.062in（1.6mm）。,18,2005CITYSEMINARS,四层板设计,层间距离等分,信号1,信号2,电源,电源地,层间距离不等分,信号1,信号2,电源,电源地,19,2005CITYSEMINARS,六层板设计,层叠拓扑图1,信号1,电源,电源地,信号2,信号3,信号4,信号1,信号3,信号2,电源地,电源,信号4,层叠拓扑图2,较差的布线层,电源地和电源去耦效果好,最好的布线层,可布线层,较差的布线层,可布线层,可布线层,最好的布线层,较差的电源退耦作用,较差的电源地退耦作用,可布线层,20,2005CITYSEMINARS,八层板设计,层叠拓扑图1,较差的布线层,最好的布线层,最好的布线层,可布线层,信号1,信号3,电源地,信号2,信号4,电源,信号5,信号6,较差的电源退耦作用,较差的电源退耦作用,可布线层,较差的布线层,层叠拓扑图2,可布线层,最好的布线层,可布线层,信号1,电源地,信号2,电源地,电源,信号3,电源地,信号4,最好的布线层,电源地和电源去耦效果好,21,2005CITYSEMINARS,接地平面与镜像面,22,2005CITYSEMINARS,印制板地与机架地的连接,如果不是浮地设计，那么就需要印制板接地。,/20,/20,/20,/20,/20,/20,/20,/20,/20,/20,/20,注：此处是指所关心的最高频率对应的波长，而不是工作频率对应的波长。,23,2005CITYSEMINARS,不同频率所对应波长的计算,波长的计算公式,（m）=,300,f（MHz）,典型波长数值列表,24,2005CITYSEMINARS,镜像平面上的射频电流回路,低频电流是按电阻最小原理选择回路，高频电流按电感最小原理选择回路。,25,2005CITYSEMINARS,分割后镜像平面的射频电流回路,低频电流是按电阻最小原理选择回路，高频电流按电感最小原理选择回路。,26,2005CITYSEMINARS,降低印制线条电感,当印制线条是电长时，那么它就是比较有效的天线。这对抑制RF辐射不利。通过减小印制线条电感，可以有效降低RF辐射。,27,2005CITYSEMINARS,旁路和退耦,28,2005CITYSEMINARS,退耦电容的计算,退耦电容容量的表达式,C=,I,V/t,式中，I电流的变化，V是允许的电压变化（纹波），t是切换时间。,退耦电容容量的计算实例,信号转换时电流变化为20mA，电压波动要求小于100mV，信号上升沿时间为5ns。,C=,I,V/t,=,20mA,100mV/5ns,=0.001uF,29,2005CITYSEMINARS,电容的自谐振频率,阻抗（）,频率(MHz),0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000,10000,10,1,100,1000,0.1uF,0.01uF,0.001uF,0.0001uF,30,2005CITYSEMINARS,表贴电容与插装电容的自谐振频率,不同电容的近似自谐振频率,注：此处直插式电容管脚长度2.5in，L=3.75nH，表贴式L=1nH。,31,2005CITYSEMINARS,电容并联的频率响应,阻抗（）,频率(MHz),10,1,100,1000,0.01uF,100pF,32,2005CITYSEMINARS,电容族的典型应用及工作频率范围,33,2005CITYSEMINARS,电源平面和接地平面间耦合电容,退耦电容容量的表达式,C=,0rA,d,式中C是电源平面与接地平面之间的耦合电容（pF），0是真空介电常数，1/3610-9F/m=8.8510-12F/m=8.85pF/m，r是电路板介质的相对介电常数，典型值为4.5，A是平型板的面积（m2），D是板间距（m）。,=,A,d,注：电源和接地平面间的过孔的电感会使平面的退耦电容达不到理论预期的效果。,34,2005CITYSEMINARS,电源和接地平面的退耦电容的频率特性,阻抗,频率,电源平面和接地平面间的等效退耦电容由于没有等效串联电感，其频率特性近似于理想电容。,35,2005CITYSEMINARS,分立式退耦电容的频率特性,阻抗,频率,分立退耦电容因为存在等效串联电感和等效串联电阻，其频率特性存在明显的谐振点。,36,2005CITYSEMINARS,分立退耦电容与电源-地平面同时作用,阻抗,频率,分立退耦电容与电源-地平面等效退耦电容并联存在并联谐振。,37,2005CITYSEMINARS,分立退耦电容的PCB走线,38,2005CITYSEMINARS,分立退耦电容的PCB走线,39,2005CITYSEMINARS,PCB走线各种常见对象的电感值,表层线对:1015nH/inch,退耦电容的过孔对:0.41nH,平面的电感:0.1nH/inch2,40,2005CITYSEMINARS,降低退耦电容ESL的PCB走线,不好,可以接受,好,非常好,41,2005CITYSEMINARS,优化布线后各类退耦电容的ESL,大钽电容，使用4个内孔50mil过孔，电感：4.0nH,小钽电容，使用2个内孔50mil过孔，电感：1.0nH,小陶瓷电容，使用4个内孔50mil过孔，电感：0.8nH,42,2005CITYSEMINARS,退耦电容优化布线的依据,过孔-印制线-电源层-地层组成的环路面积比较大，因此ESL值较大。,过孔-印制线-电源层-地层组成的环路面积比较小，因此ESL值较小。,43,2005CITYSEMINARS,储能电容在PCB板上的放置规则,靠近电连接器入口处连接子板、外设及辅助电路的电源端子附近大功率数字元件附近离电源输入端子最远的位置远离电源输入端子的元件高密度区紧邻时钟发生电路,44,2005CITYSEMINARS,印制线的主要参数计算,45,2005CITYSEMINARS,影响PCB线条阻抗的因素,线宽线条距离参考平面的高度（介质厚度）和介电常数,一阶因素,二阶因素,回路长度印制线厚度印制线的截面形状阻焊层覆盖范围,46,2005CITYSEMINARS,微带线参数,W,T,H,47,2005CITYSEMINARS,微带线阻抗的计算,微带线阻抗的表达式,Z0=（）ln（）对于15W25mil有效,87,r+1.41,式中Z0是特性阻抗，W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距，r是PCB板材料的介电常数。W、T和H采用一致的单位即可。,5.98H,0.8W+T,Z0=（）ln（）对于5W0.6时，精度为20%。,48,2005CITYSEMINARS,微带线自身电容的计算,微带线电容容量的表达式,C0=,0.67（r+1.41）,Ln（）,式中C0是特性阻抗（pF/单位长度），W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距，r是PCB板材料的介电常数。,5.98H,0.8W+T,49,2005CITYSEMINARS,微带线上信号传输延时的计算,微带线上信号传输延时的表达式,tpd=1.0170.475+0.67r,式中tpd是传输延时（ns/ft），r是PCB板材料的介电常数。,50,2005CITYSEMINARS,单带状线参数,W,T,H,H,B,51,2005CITYSEMINARS,单带状线阻抗的计算,单带状线阻抗的表达式,Z0=（）ln（）,60,r,式中Z0是特性阻抗，W是线条宽度，T是印制线厚度，H是信号线与参考平面的间距，B是两层参考平面间的介质厚度，r是PCB板材料的介电常数。W、T和H采用一致的单位即可。,1.9B,0.8W+T,注：W/（H-T）0.35，T/H2tpd,式中R是并联电阻，C是串联在电阻后的电容。,原理是在负载处通过并联电阻匹配负载端，使之不发生反射，并通过串联电容来消除对电源的大的能量需求。,C,88,2005CITYSEMINARS,二极管端接,D2,R0,Z0,式中D1、R2是2个二极管，一般是肖特基二极管。,原理是在负载处通过电压钳位消除信号过冲。,D1,89,2005CITYSEMINARS,各种端接对电源需求的对比,90,2005CITYSEMINARS,磁珠的选择,注：为什么电阻很小的磁珠用在直流上有时会有很大压降？,91,2005CITYSEMINARS,几个特殊问题,92,2005CITYSEMINARS,几个特殊的问题,PCB布线的直角问题I/0独立分区问题静电保护地边缘问题,93,2005CITYSEMINARS,仿真与测试,94,2005CITYSEMINARS,PCB布线前后电磁干扰仿真工具,共享的印制线阻抗仿真软件,95,2005CITYSEMINARS,共享的串扰仿真计算软件ULtraCAD,96,2005CITYSEMINARS,是本文作者在博士论文课题中使用Fortran编写的仿真软件，本图是此软件仿真高斯脉冲在微带线中的传播,FDTD仿真,97,2005CITYSEMINARS,PCB布线前后电磁干扰仿真工具,ApsimEMI,98,2005CITYSEMINARS,电磁辐射及热辐射扫描仪,PCB辐射测试图像,EMCScanner,99,2005CITYSEMINARS,49MHz时钟信号的EMCScanner测试图,100,2005CITYSEMINA