第十一章PCB电磁兼容

1、 第第11章章 PCB的电磁兼容设计的电磁兼容设计 一、一、PCB板简介板简介n是电子产品中电路元件和器件的支撑件，提供电路和器是电子产品中电路元件和器件的支撑件，提供电路和器件之间的电气连接。在件之间的电气连接。在PCB板出现之前，电子元器件靠板出现之前，电子元器件靠电线直接连接组成完整线路。电线直接连接组成完整线路。n20世纪初，人们为了减少电子零件间的配线，降低制作世纪初，人们为了减少电子零件间的配线，降低制作成本等，开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。成本等，开始钻研以印刷的方式取代配线的方法。n有工程师提出在绝缘基板上加以金属导体做配线，于是有工程师提出在绝缘基板上加以金属导体做配线

2、，于是就出现了印制电路板的雏形。就出现了印制电路板的雏形。一、一、PCB板简介板简介一、一、PCB板简介板简介n是以绝缘隔热、不容易弯曲的材质制成，其上附有是以绝缘隔热、不容易弯曲的材质制成，其上附有导电图形（细小的线路，原本是铜箔覆盖在整个板导电图形（细小的线路，原本是铜箔覆盖在整个板子上，在制作过程中被蚀刻掉一部分），用来提供子上，在制作过程中被蚀刻掉一部分），用来提供PCB板上元器件间的电路连接。板上元器件间的电路连接。nPCB通常是绿色或棕色，是绝缘防护层的颜色，可通常是绿色或棕色，是绝缘防护层的颜色，可以保护铜线，其上印有白色的文字与符号，标出了以保护铜线，其上印有白色的文字与符号，

3、标出了各元件在板子上的位置。各元件在板子上的位置。一、一、PCB板简介板简介n大规模和超大规模集成电路在电子设备中的广泛应用，大规模和超大规模集成电路在电子设备中的广泛应用，使得元器件在使得元器件在PCB板上的安装密度越来越高，信号传输板上的安装密度越来越高，信号传输速度越来越快，由此而引发的速度越来越快，由此而引发的EMC问题越来越突出。问题越来越突出。n实际上，任何导线都具有天线效应，尤其是实际上，任何导线都具有天线效应，尤其是当导线某一维度的几何尺寸与当导线某一维度的几何尺寸与0.25倍波长倍波长相当时，导线会成为一个高效的发射器。此相当时，导线会成为一个高效的发射器。此时，通过导线就会

4、接收或发射电磁干扰，从时，通过导线就会接收或发射电磁干扰，从而导致比较严重的而导致比较严重的EMC问题，因而在问题，因而在PCB设计中要特别注意避免此类情况的发生。设计中要特别注意避免此类情况的发生。二、传输线效应二、传输线效应二、传输线效应二、传输线效应n 对于对于PCB板设计，当元器件工作频率在板设计，当元器件工作频率在100MHz到几个到几个GHz时，波长与传输线的尺寸时，波长与传输线的尺寸可比，在传输线上有明显的波动效应，此时的可比，在传输线上有明显的波动效应，此时的电流电压不能表示电路的传输情况。传输线上电流电压不能表示电路的传输情况。传输线上的电流和电压是随时间和空间位置而变化的二

5、的电流和电压是随时间和空间位置而变化的二元函数。元函数。二、传输线效应二、传输线效应n传输线特征参量有：分布电阻、分布电容、分布电感等。传输线特征参量有：分布电阻、分布电容、分布电感等。n对低频电路来说，可以不考虑这些参数的影响。但对高频对低频电路来说，可以不考虑这些参数的影响。但对高频电路来说，影响很大。电路来说，影响很大。n在在PCB设计时，应该考虑它们带给电路的影响，尽量减小设计时，应该考虑它们带给电路的影响，尽量减小它们带来的阻抗。它们带来的阻抗。三、三、PCB的设计原则的设计原则（1）5/5原则：原则： 时钟频率超过时钟频率超过5MHz，信号沿上升时间小于，信号沿上升时间小于5ns时

6、，需要用多层板设计。时，需要用多层板设计。n（2）20H原则原则 所有的具有一定电压的所有的具有一定电压的PCB板都会向空间辐射电板都会向空间辐射电磁能量。为了减小这个效应，印制板的物理尺寸都应磁能量。为了减小这个效应，印制板的物理尺寸都应该比最靠近的接地板的物理尺寸小该比最靠近的接地板的物理尺寸小20H，H是两个印是两个印制板面的间距。按照一般的印制板尺寸，制板面的间距。按照一般的印制板尺寸，20H一般为一般为3mm左右。左右。三、三、PCB的设计原则的设计原则电源层电源层地线层地线层20H20H原则原则(a)(b)（a）电力线分散，辐射较大）电力线分散，辐射较大（b）电力线比较集中，辐射相

7、对较小。）电力线比较集中，辐射相对较小。三、三、PCB的设计原则的设计原则n（3）3W原则原则 当两条印制线间距较小时，两线间会发生电磁串当两条印制线间距较小时，两线间会发生电磁串扰，使电路的有关功能失常。为避免发生这种干扰，扰，使电路的有关功能失常。为避免发生这种干扰，应保持任何线条中心间距不小于应保持任何线条中心间距不小于3倍的印制线条宽度，倍的印制线条宽度，即即3W。 W为印制线路的宽度，印制线条的宽度取决于线为印制线路的宽度，印制线条的宽度取决于线条阻抗的要求，太宽会减少布线密度，增加成本，太条阻抗的要求，太宽会减少布线密度，增加成本，太窄会影响传输到终端的信号的波形和强度。窄会影响传

8、输到终端的信号的波形和强度。三、三、PCB的设计原则的设计原则WW3W串扰：串扰：当一根信号线上有高频电流流过时，当一根信号线上有高频电流流过时，在在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出板上与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。干扰电压。小结小结PCB简介；简介；PCB板设计原则板设计原则四、线路板的差模和共模辐射四、线路板的差模和共模辐射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 线路板上信号环路的辐射是差模辐射，该环路相当于小环线路板上信号环路的辐射是差模辐射，该环路相当于小环天线。所以布局、布线时应使所有信号回路面积尽可能小。天线。所以布局、布线时应使所有信号回路面积尽可

9、能小。四、共模辐射与差模辐射四、共模辐射与差模辐射n回路的共模电流主要由地噪声引起，有了地线，就有共模电回路的共模电流主要由地噪声引起，有了地线，就有共模电流，主要由分布参数引起，在导线和地之间存在分布电容。流，主要由分布参数引起，在导线和地之间存在分布电容。 共模电流小，但辐射能量大。共模电流小，但辐射能量大。 共模电流是相线流过地线之间的电流，电流在地线上相互叠共模电流是相线流过地线之间的电流，电流在地线上相互叠加，使得辐射相加，所以辐射能量大。加，使得辐射相加，所以辐射能量大。 n回路的差模电流是信号线和回线之间的电流。回路的差模电流是信号线和回线之间的电流。 差模辐射电流大，但辐射能量

10、小。差模辐射电流大，但辐射能量小。 信号线和回线之间的电流方向相反，辐射抵消很多。信号线和回线之间的电流方向相反，辐射抵消很多。 四、共模辐射与差模辐射四、共模辐射与差模辐射 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五、多层板的优点五、多层板的优点（1）方便走线，）方便走线， 有很多元件可以穿过通孔到地有很多元件可以穿过通孔到地/电源；电源；（2）减小了电环路的面积，）减小了电环路的面积， 地与布线层紧挨，每一个回流可以通过通孔回到地与布线层紧挨，每一个回流可以通过通孔回到

11、地面，减小了回流面积，减小了差模干扰；地面，减小了回流面积，减小了差模干扰； （3）低的源阻抗和地阻抗，）低的源阻抗和地阻抗， 1个电源层和个电源层和n个地层，电流通道宽，阻抗低，减个地层，电流通道宽，阻抗低，减小了公共阻抗。小了公共阻抗。五、多层板的优点五、多层板的优点（4）电源与地之间形成的层间电容器，可以改善电源的瞬）电源与地之间形成的层间电容器，可以改善电源的瞬态特性，防止电源冲击。态特性，防止电源冲击。 层间电容相当于平行板电容器，滤掉电源板的高频电层间电容相当于平行板电容器，滤掉电源板的高频电流，防止电源冲击。流，防止电源冲击。（5） 接地层是金属，可以起到屏蔽作用。接地层是金属，

12、可以起到屏蔽作用。（6）维持全程走线的特征阻抗一致，）维持全程走线的特征阻抗一致， 很多线在地面走，形成微带传输线。假设线宽与板厚很多线在地面走，形成微带传输线。假设线宽与板厚度一致，则特征阻抗一致。高频传输时反射就小一些。度一致，则特征阻抗一致。高频传输时反射就小一些。五、多层板布局原则五、多层板布局原则（1）信号层旁边需要地层，即）信号层旁边需要地层，即S与与G相邻，有利于形成传输相邻，有利于形成传输线，增强抗干扰能力；线，增强抗干扰能力；（减小差模辐射的回路面积）（减小差模辐射的回路面积） 使环流面积减小，所以减小了辐射，增强了抗干扰。使环流面积减小，所以减小了辐射，增强了抗干扰。（2）

13、信号层的数目应该等于地层和电源层数目之和。）信号层的数目应该等于地层和电源层数目之和。 6层板：层板：3层层S+2层层G+1层层P 4层板：层板：2层层S+1层层G+1层层P（3）地层与电源层成对设计，至少有一对背靠背。）地层与电源层成对设计，至少有一对背靠背。 五、多层板布局原则五、多层板布局原则SGPS五、四层板的布局五、四层板的布局nS1 G P S2 最好最好 nG S1 S2 P 错误错误nS1 G P S2 较好较好 五、四层板的布局五、四层板的布局五、六层板的布局五、六层板的布局nS1 G S2 S3 P S4 错误错误nS1 S2 G P S3 S4 错误错误nS1 G1 S2 P G2 S3 最好最好nS1 G1 S2 G2 P S3 信号信号2两端接地，特殊情况下使用两端接地，特殊情况下使用五、多层板布局的最优结构五、多层板布局的最优结构4层：层： S1 G P S26层：层： S1 G1 S2