PCB的EMC设计课件分享

1、PCB的的EMC设计设计中科信软培训中心中科信软培训中心中科信软简介中科信软简介v 中科信软依托中国科学院强大技术人才优势，根据企事业单位实际需求,通过定制培训，提供各种最新，最实用的技术及管理培训。v 近十年来，中心的企业培训遍及大江南北，客户包括国家部委、高校、科研院所、世界跨国公司，大型国企，知名IT公司等众多国内外企事业单位，迄今已培养了数万名高级管理及技术人才，深得用户信赖与好评。培训类别培训类别中心培训技术种类齐全，可以为客户提供一站式各类高级技术培训数据库类 商业智能（BI） 应用服务器 存储备份 网络&操作系统 软件开发 移动开发技术 大数据 云计算 虚拟化软件架构 软件工程

2、项目管理 信息管理， IT规划 ERPEDA电子电路 PCB 电磁兼容 可靠性有限元技术CFD，CAD，CAM，CAE，通信技术 ， arcgis空间技术数据分析及其软件sas ,spss, matlab嵌入式技术等v 其它末列技术等可以订制培训培训形式培训形式公开课公开课上门内训上门内训特殊技术特殊技术订制订制培训培训相关技术支持相关技术支持PCB的的EMC设计设计培训内容 第1章 电磁兼容原理 1 emc的定义 2 EMC研究的目的以及意义 3 EMC三要素及策略 第2章PCB的EMC设计在EMC设计中的定位 1PCB的EMC设计的意义 2PCB的EMC设计在产品开发中的客观地位 3板级E

3、MC的成因培训内容 第3章PCB的EMC设计 1旁路退耦 2布线 3静电放电的防护 4层叠设计 5地和电源 6模块划分 7综合布局 8滤波培训内容 第4章PCB设计中的EMC要求 1基本要点 2案例分析电磁兼容原理电磁兼容原理 emc的定义电磁兼容（ElectromagneticCompatibility,简称EMC）,电子和电气系统、设备和装置在预定的电磁环境和设定的安全界限内在设计的性能水平工作时不会因为电磁干扰而不引起不可接受的功能降级。以下是电磁兼容有关的常见术语：EMC：（Electromagneticcompatibility）电磁兼容性EMI：（Electromagneticin

4、terference）电磁干扰EMS：（Electromagneticsusceptibility）电磁敏感度电磁兼容原理电磁兼容原理RF：（RadioFrequency）电磁频率RE：（Radiatedemission）辐射骚扰CE：（Conductedemission）传导骚扰CS：（Conductedsusceptibility）传导骚扰抗扰度RS：（Radiatedsusceptibility）射频电磁场辐射抗扰度ESD：（Electrostaticdischarge）静电放电EFT/B：（Electricalfasttransientburst）电快速瞬变脉冲群Surge：浪涌电磁兼

5、容原理电磁兼容原理 EMC研究的目的以及意义一个系统如果满足以下三个准则，就认为具有电磁兼容性：1、不对其他系统产生干扰；2、对其他系统的辐射不敏感；3、不对自身产生干扰。这就是我们研究引申EMC的目的所在。电磁兼容原理电磁兼容原理总体来讲，EMC分为EMI、EMS两部分：EMI：电磁干扰，从本质上讲，干扰就是缺少相容性，那么电磁干扰就是缺少电磁兼容性。EMI是有害电磁能量由一个电子设备经辐射或传导（或两个设备）传送到一个电子设备的过程。在通常的应用中，这个名词指的是射频（RF）信号的的电磁干扰。但是EMI可以发生在由DC到光波的整个频率范围。EMS：电磁敏感度，即处在一定环境中设备或系统，在

6、正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或者说设备或系统对于一定范围内的电磁能量不敏感，能按照设计的性能保持正常的运行、工作；（防静电要求为此类）。电磁兼容原理电磁兼容原理 EMC三要素及策略最简单的电磁干扰模型有三个基本要素：1、一定存在电磁干扰源。2、必须在干扰源和干扰受体之间存在耦合通道来传输有害电磁能量。3、一定存在电磁干扰受体，当电磁干扰强度超出容许的界限时，被干扰设备性能会发生混乱。EMC耦合问题的基本分解框图如下：电磁兼容原理电磁兼容原理在单板范围内，我们可以找到如下几个与辐射有关的项：v 干扰源：时钟电路（包括晶振、时钟驱动电路）；v 开关电源；v 高速总

7、线（通常为低位地址总线如：A0、A1、A2）；v 高电平信号、大电流信号、dv/dt、di/dt高信号；v 部分塑封器件；v 内部互连电缆；v 不恰当布防的印制线条等。电磁兼容原理电磁兼容原理耦合途径：传播能量的各种媒质，例如自由空间、互连电缆（共模耦合）。按传播的方式，电磁干扰分成两种类型。1、传导型干扰是系统产生并返回到支流输入线或信号线的噪声。2、辐射型干扰以电磁波的方式直接发射。单板中敏感器件或信号主要有：v 锁项环（一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息）v 收发模块v 模拟信号v 复位信号电磁兼容原理电磁兼容原理总结

8、：对于EMC来讲，这三个要素缺一不可。如果任一要素不存在，EMI也就不存在了。电磁兼容原理电磁兼容原理 EMC策略上述也意味着防止干扰的三种途径：1、抑制源的发射2、尽可能使耦合路径无效3、使接受器对发射不敏感抑制源的发射一般地说，在设计PCB时，消除主要的干扰源是最廉价有效的方法。干扰是产生初始波形的主要因素。PCB必须设计成使产生的电磁能量只限于需要的装配部件处。通过必要的布局、布线以及采取屏蔽、接地措施来提高设备的抗扰能力。电磁兼容原理电磁兼容原理尽可能使耦合路径无效在三要素的对策中切断干扰的传播途径是最重要的一环。在单板上可采取以下措施来切断耦合途径或者减少耦合：1对应传导耦合：加滤波

9、电容、滤波器、共模线圈、隔离变压器等；2对应辐射耦合：相邻层垂直走线、加屏蔽地线、磁性器件合理布局、3W规则、正确层分布、辐射能力强或敏感信号内布层、使用I/O双绞线、辐射信号强的信号远离拉手条、板边缝隙等。从产品EMC设计的对策、手段来讲，通常采用的不外乎接地、屏蔽、滤波三种。关于接地、屏蔽等一般涉及到结构的开发，这次主要针对PCB的EMC设计给予介绍。 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 PCB的EMC设计的意义1、信号质量的要求在产品的EMC设计中，除了通过有关测试、获取相关认证外，还必须结合信号完整性分析，保证信号质量。如果产品顺利通过EMC测试却不能实现正常功

10、能，那也是徒劳的。在这方面，板级EMC设计是其它方式等无法取代的。 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 PCB的EMC设计的意义2、系统设计，对策多样化v 目前业界大多公司在EMC的处理上均采用注重源头控制的EMC系统设计，从产品的概念、设计阶段给予关注，可在原理、PCB、结构、线缆、屏蔽、滤波、软件等各个方面采取对策，而一旦产品推向时常，可采取的对策也只有在软、硬件上打补丁了，对策的效果、可行性将面临严峻的考验。v 对于一个产品来讲，从设计之初就采取一些抑制措施比成品之后再反复修改要经济的多。在电子产品的研制中，为获得良好的EMC性价比，进行EMC设计是相当重要的；电

11、子产品的EMC性能是设计赋予的。测试仅仅是将电子设备固有的EMC性能用某种定量的方法表征出来。 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 PCB的EMC设计的意义3、缩短开发周期重视源头控制，可能会拖延一点开发进度，但比起产品定型后，再针对EMC特性进行攻关要有效的多，而且产品定型后，再作EMC处理，由于受到诸多限制，可采用的对策极为有限。4、降低批量成本在单板、PCB设计阶段进行EMC控制，有可能会增加人力开发成本，但从批量生产等总成本考虑，关注源头控制，可极大的降低批量成本。 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 PCB的EMC设计在产品开发中的客观

12、地位v 在信号质量的综合考虑、单板接口、无法进行完全屏蔽的产品里，开展PCB的EMC设计是其他任何EMC措施无法取代的；即使不存在以上问题的产品，开展以EMI源头设计为主的EMC系统设计，丰富了设计手段，减轻了后续工序的压力，降低了综合成本。v 我们也应看到，在EMC系统设计的环节里，单独做好板级EMC的开发，并不能解决所有EMC问题，更不能有只需解决板级EMC问题，而无须再做屏蔽罩、屏蔽线缆的想法，我们强调的是EMC系统设计观念，而PCB的EMC设计是这个系统设计链条上最关键的一环，在单板方面进行EMC设计考虑是一个综合的考虑，是我们硬件、PCB工程师抬头脑中必须掌握的概念。 PCB的的EM

13、C设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 PCB的EMC设计在产品开发中的客观地位v 现在一些电子企业的一个瓶颈是从事EMC开发、硬件开发的人员对PCB的设计了解不多，在单板的LAYOUT中，如果没有通过相关认证，就经常采用加层、加容性、抗性器件等做法，“宁可错杀一千，也不放过一个”，存在着明显的过设计倾向，以致于增加了不小的成本，也增加了PCB的LAYOUT难度，甚至有些还是无法实施的。v 我们知道，PCB的设计需要综合质量、成本、加工工艺、EMC、安规、热等诸多因素，缺乏对以上的综合考虑，都不是一个成功的产品。这就需要我们的工程师对以上因素做到全局把握，根据实际情况，采取不同的对策。v

14、 以上为总体上针对电磁兼容的基本原理进行了简单的阐述 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 板级EMC的成因地平面是不平整的。实际中的地平面上各点的是存在电位差的，而且总是起伏不定的，类似于海面上的波浪。这构成了PCB的EMC形成的必要条件，随着频率、速率的提高，传输线效应越来越需要引起关注，引线电感以及信号回流过程中大大小小的环路就构成了PCB的EMC形成。以下引申一个信号完整性的概念，并且分析一些问题的造成原因及其解决方法。信号完整性（SingnalIntegrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性（SingnalIntegrity

15、）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。 PCB的的EMC设计在设计在EMC设计中的定位设计中的定位 板级EMC的成因常见信号完整性问题及解决方法： PCB的的EMC设计设计在PCB设计的EMC设计，影响的因素很多，例如：v PCB的层叠设计v 电容的摆放v 接口电路v 时钟晶振布局走线v 电源布局走线v 关键信号的布线等。几乎PCB设计的任何一个步骤都会产生相应的EMC问题 PCB的的EMC设计设计 旁路退耦正确的使用电容是抑制干扰的一种有效措施。下面引申两个概念：旁路和退耦是指把能量从一个电路转移到另一个电路的功能，常用于电能分

16、配系统的供电质量。应着重关注三个方面：电源和地平面、元件以及内部电源连接。 PCB的的EMC设计设计 旁路退耦旁路：将来自元件或线缆耦合的无用射频噪声从一个区域移往别处。旁路不仅对于实现滤波（有限带宽）功能相当关键，而且对于设置交流分路器防止干扰进入敏感区域也是不可或缺的。用于该目的的电容是就是所谓的旁路电容。它利用了电容的频率阻抗特性（理想电容的频率特性随频率的升高，阻抗降低）可以看出旁路电容主要针对高频干扰。退耦：去除从高频元件进入电源分配网络的射频能量。这些元件以一定的速度不停切换，同时消耗着同样速度变化的电能。退耦电容可以为器件和元件的直流电源提供局部本地化的能量来源，这对于抑制电路板

17、上尖峰电流冲击的传播扩散至关重要。 PCB的的EMC设计设计 旁路退耦在电源电路中，旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰；退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰。pcb设计的经验法则：“在电路板的电源接入端放置一个110F的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.010.1F的电容，滤除高频噪声。实际的电容并不是理想器件，因为材料、封装等方面的影响，具备有电感、电阻等附加特性；尤其是在高频环境中更表现的更像电感的电气特性。我们都知道实际电容的模型简单的以电容、电阻和电感建立。除电容的容量C以外，还包括以下相对重要的寄生参数：

18、1、等效串联电阻ESR2、等效串联电感ESL3、等效并联电阻EPR PCB的的EMC设计设计 旁路退耦因为寄生参数的影响，尤其是ESL的影响，实际电容的频率特性表现出阻抗和频率成“V”字形的曲线，低频时随频率的升高，电容阻抗降低；当到最低点时，电容阻抗等于ESR；之后随频率的升高，阻抗增加，表现出电感特性。对电容的选择需要考虑的不仅仅是容值，还需要考虑其它因素。包括：电介质材料，电容的几何尺寸和放置位置。合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠

19、近这些元部件，离得太远就没有作用了。（当电源滤波/退耦电容布置的合理时，接地点的问题就显得不那么明显。）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 PCB的的EMC设计设计 布线1、阻抗匹配-反射和振铃v 当信号边沿变得更快时，就必须考虑线条的传输和反射延时。这将引起各种问题，包括串扰、振铃和反射。当信号边沿时间在器件负载间的传输时间占很大比例的时候，反射常常会导致信号完整性和EMI问题。解决反射问题需要延伸边沿时间（减慢边沿效率）或减小在负载器件之间的间隔距离。v 在电路网络中，在PCB上的信号的反射是一个RF噪声源。在传输线上存在阻抗不连续情况时，就能观察到反射现象。这种不连续现象包

20、括：v 线宽度的变化v 终端网络失配v 缺少端接v T形短线和线条交叉 PCB的的EMC设计设计 布线1、阻抗匹配-反射和振铃v 布线层间的过孔v 可变负载和逻辑系列v 大的电源平面不连续v 转换连接器v 传输线阻抗的变化当然何时选择端接，选择怎样的端接类型也是一个课题，在这里便不再具体阐述。 PCB的的EMC设计设计 布线2、串扰在布线时我除了考虑以下几点之外。确定使用哪一层来布线如何在层间换层保持阻抗的连续串扰也是布线所考虑的一个重要因素。导线、电缆线和印制线间的串扰会影响系统内的性能。系统内是指在同一机箱内的源和接收器。产品的设计必须是自兼容的，因此串扰被当作系统内部必须减小或消灭的EMI问题。因为串扰会在印制线间产生干扰，所以串扰通常被认为是信号完整性问题。实际上，串扰表征的是RF能量从干扰线耦合到被干扰线。而EMI敏感电流也会将RF能量耦合到包括互连的其他电路。I/O线的耦合可导致在机箱内出现辐射或传导EMI问题，或者可能造成电路和子系统间的功能性问题。 PCB的的EMC设计设计 布线2、串扰v 为了避免串扰，在PCB阶段，采用以下的设计和布线方