第5章-PCB的电磁兼容设计ppt课件

1、第五章 PCB的电磁兼容设计 脉冲信号的频谱T1/d1/trdtr 谐波幅度（电压或电流）频率对数）-20dB/dec-40dB/decAV( or I) = 2A(d+tr)/TV( or I) = 0.64A/TfV( or I) = 0.2A/Ttrf2上升沿越陡高频越丰富n当数字电路出现电磁干扰的问题,许多有经验的工程师会检查地线和电源线上的噪声,通常的结果是在电源线和地线上,用示波器可以观察到明显的噪声电压。虽然许多人可以断定这些噪声是造成电路电磁干扰问题的原因,但是不知道如何解决。因为,他们不知道这些噪声是如何产生的。地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动

2、电路被驱动电路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVgn电源线上的噪声：电源线上的噪声：n图中是一个典型的门电路输出级图腾柱输出），当输出为高时，图中是一个典型的门电路输出级图腾柱输出），当输出为高时，Q3Q3导通，导通，Q4Q4截止，相反，当输出为低时，截止，相反，当输出为低时，Q3Q3截止，截止，Q4Q4导通，这两导通，这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，限制了电源的电流。种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，限制了电源的电流。n但是，当状态发生变化时，会有一段时间但是，当状态发生变化时，会有一段时间Q3Q3和和Q4Q4同时导通，这时同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产

3、生在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生3030100100毫安的尖峰毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，电流。当门输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。存在，也会造成电压的暂时跌落。n地线上的噪

4、声：地线上的噪声：n在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大这与电源线上的情况正好相反，电源线更大这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是地线噪声。电压。这就是地线噪声。n地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工地线和电源线上的噪

5、声电压不仅会造成电路工作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgVg地线干扰对电路的影响1324寄生电容n 当门1的输出从高变为低时，会发生以下过程：n 寄生电容通过门1放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门2的地线上形成地线电压，由于门2输出低电平，这个电压直接反应到门2的输出端，成为门4 的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时，导致门4 误动作。n 地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。n 注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽0.5mm的

6、印制线，每英寸电阻为12m，电感是15nH，对于160MHz的信号，其阻抗为9.24 ，远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。线路板走线的电感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 假设：假设：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII地线网格电源线噪声的消除电源线电感电源线电感储能电容储能电容这个环路尽量小这个环路尽量小电源解耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近尽量使电源线与地线靠近 解耦电容的选择C = dI dt dVZf1/2 LC各参数含义

7、：各参数含义：在时间在时间dt内，电源线上出内，电源线上出现了瞬间电流现了瞬间电流dI，dI导致导致了电源线上出现电压跌落了电源线上出现电压跌落dV。 增强解耦效果的方法增强解耦效果的方法电源电源地地铁氧体铁氧体注意铁氧体安装的位置注意铁氧体安装的位置接地线面接地线面细线细线粗线粗线用铁氧体增加用铁氧体增加电源端阻抗电源端阻抗用细线增加电用细线增加电源端阻抗源端阻抗多个电容并联加强解耦效果线路板的两种辐射机理差模辐射差模辐射共模辐射共模辐射电流环电流环杆天线杆天线电流环路产生的辐射近场区内近场区内: H = IA / (4D3) A/m E = Z0IA / (2D2) V/m ZW = Z0

8、2D/） 远场区内远场区内: H = IA / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m ZW = Z0 = 377 AI随频率、距离增加而增加 Z0 f、D导线的辐射近场区内近场区内: H = I L / (4D2) A/m E = Z0I L / (8 2 D3) V/m ZW = Z0（/2D） 远场区内远场区内: H = I L / (2 D) A/m E = Z0 I L / (2 D) V/mI L随频率、距离增加而减小 Z0 f、D实际电路的辐射ZGZLVZC = ZG + ZL近场：近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA / D3 （ V/m）

9、ZC 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （ V/m） H = 7.96IA / D3 （ A/m）远场：远场： E = 1.3 I A f 2 /D （ V/m）环路面积环路面积 = AI常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时：考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m）脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线频谱包络线差模辐射频率特性线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线脉冲的差模辐射包络线 1/d 1/tr40dB/decfff- 20dB/dec- 40dB/dec E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg2.6 I A /D） +

10、40lg f 40dB/dec20dB/dec不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积逻辑 系列 上升时间 电流 不同时钟频率允许的面积（cm2 ） 4MHz 10 30 100 4000B 40 6 1000 400 74HC 6 20 50 45 18 6 74LS 6 50 20 18 7.2 2.4 74AC 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74F 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N 。因而，可能时，分散时钟频率。如何减小差模辐射？E = 2

11、.6 I A f 2 / D低通滤波器低通滤波器布线电路中的强辐射信号 1 10 100 1000 1 10 100 1000dBV/mdBV/m所有电路加电工作所有电路加电工作只有时钟电路加电工作只有时钟电路加电工作电流回路的阻抗LRIZ = R + jLL = / I A单层或双层板如何减小环路的面积不良布线举例68HC1174HC00AB连接连接A、BE时钟随便设置的地线没有用多层板能减小辐射信号信号1电源层电源层地线层地线层信号信号2低频高频DC0.5 1 10 100 1G110地线面的阻抗，地线面的阻抗，m / 平方平方地线面具有很小的地线阻抗地线面具有很小的地线阻抗地线面上的缝隙

12、的影响模拟地模拟地数字地数字地A/D变换器L75mm25mmL : 0 10cm VAB : 15 75mVAB过孔的阻抗1.5mm PGA128-pinC/4 PGA1010010.1nH/cm 25 50 75 100与过孔之间的距离与过孔之间的距离 mm线路板边缘的一些问题关键线时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层地线层20H扁平电缆的使用地线一部分信号回流经过一部分信号回流经过ABCDABCD最好最好较好较好差差较好，但端接困难较好，但端接困难扁平电缆这两处都有地线这两处都有地线注意隐蔽的辐射环路电源/地线信号线电源/地线信号线电源电源信号线+电源+地线电源/地线电源电源环路对消概念

13、减小辐射时钟线避免换层？外拖电缆的共模辐射LI2HCPI3I1CPVCM机箱内的机箱内的所有信号所有信号都会通过都会通过电缆辐射！电缆辐射！两端设备都接地的情况LCPICMRWRWL ZCM = RW + jL+RL+1/ jC悬浮电缆ICM近场区内近场区内: E = 1430I L / (f D3) V/m远场区内远场区内: E = 0.63 I L f / D V/m考虑地面反射：考虑地面反射： E = 1.26 I L f / D V/mL /2或或/4时：时： E = 120I / D V/m电缆长度：电缆长度：L共模电流的测量共模电流的测量电流卡钳电流卡钳频谱分析仪频谱分析仪VdBV

14、ICM被测电流被测电流 IV传输阻抗：传输阻抗：ZT = V / I 怎样减小共模辐射 E = 1.26 I L f / D 共模滤波共模滤波共模扼流圈共模扼流圈减小共模电压减小共模电压使用尽量使用尽量短的电缆短的电缆共模滤波共模滤波电缆屏蔽电缆屏蔽平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路共模回路改善量改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2) =20 lg ( ZCM2 / ZCM1) =20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 )

15、dB铁氧体磁环使用方面的一些问题1 10 100 100012545001250600300个30个0.1 1 10 100 1000匝1匝无偏置有偏置I/O接口布线的一些要点干净区域滤波电容电源线连接地线连接信号滤波器信号滤波器隔离变压器/光耦隔离器桥壕沟壕沟时钟电路、高速电路滤波器电容量的选择R负载R源电容合适电容过大 低速接口10 100kB/s 高速接口 2MB/s低速CMOS TTL上升时间 tr 0.51s 50ns 100ns 10ns带宽 BW 320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz总阻抗 R 120 100 300 100150最大电容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF用屏蔽电缆抑制共模辐射CMCMDMCMCM屏蔽电缆的评估CMCMDMV辐射环路辐射环路VIZT = V / I不同屏蔽层的传输阻抗102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000传输阻抗传输