PCB的电磁兼容设计

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1、中国电子科技学术网 www.EMC PCB的电磁兼容设计 中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 上升沿越陡高频越丰富中国电子科技学术网 www.EMC 地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路被驱动电路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg中国电子科技学术网 www.EMC 电源线、地线噪声电压波形

2、输出ICCVCCIgVg中国电子科技学术网 www.EMC 地线干扰对电路的影响1324寄生电容中国电子科技学术网 www.EMC 线路板走线的电感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII中国电子科技学术网 www.EMC 地线网格中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 电源解耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近

3、尽量使电源线与地线靠近中国电子科技学术网 www.EMC 解耦电容的选择C = dI dt dVZf1/2 LC各参数含义：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。 中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 多个电容并联加强解耦效果中国电子科技学

4、术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 电流环路产生的辐射近场区内近场区内: H = IA / (4 D3) A/m E = Z0IA / (2 D2) V/m ZW = Z0（2 D/ ） 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中国电子科技学术网 www.EMC 导线的辐射近场区内近场区内: H = I L / (4 D2) A/m E = Z0I L / (8 2 D

5、3) V/m ZW = Z0（ /2 D） 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中国电子科技学术网 www.EMC 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） 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中国电子科技学术网 www.EMC

6、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）中国电子科技学术网 www.EMC 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 = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f 40dB/dec20dB/dec中国电子科技学术网 www.EMC 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

7、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 。因此，可能时，分散时钟频率。中国电子科技学术网 www.EMC 如何减小差模辐射？E = 2.6 I A f 2 / D低通滤波器低通滤波器布线中国电子科技学术网 www.EMC 电路中的

8、强辐射信号 1 10 100 1000 1 10 100 1000dB V/mdB V/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中国电子科技学术网 www.EMC 电流回路的阻抗LRIZ = R + j LL = / I A中国电子科技学术网 www.EMC 单层或双层板如何减小环路的面积中国电子科技学术网 www.EMC 不良布线举例68HC1174HC00AB连接连接A、BE时钟中国电子科技学术网 www.EMC 随便设置的地线没有用中国电子科技学术网 www.EMC 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

9、 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中国电子科技学术网 www.EMC 地线面上的缝隙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中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.

10、EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 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/地线电源电源中国电子科技学术网 www.EMC 环路对消概念减小辐射中国电子科技学术网 www.EMC 时钟线避免换层？中国电子科技学术网 www.EMC 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！中国电子科技学术网 www.EMC 两端设备

11、都接地的情况LCPICMRWRWL ZCM = RW + j L+RL+1/ j C中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 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VdB VICM被测电流被测电流 IV传输阻抗：传输阻抗：ZT = V / I

12、 中国电子科技学术网 www.EMC 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中国电子科技学术网 www.EMC 平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2中国电子科技学术网 www.EMC 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

13、lg ( 1+ ZL / ZCM1 ) dB中国电子科技学术网 www.EMC 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匝无偏置有偏置中国电子科技学术网 www.EMC 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、高速电路中国电子科技学术网 www.EMC 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 10n

14、s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中国电子科技学术网 www.EMC 用屏蔽电缆抑制共模辐射CMCMDMCMCM中国电子科技学术网 www.EMC 屏蔽电缆的评估CMCMDMV辐射环路辐射环路VIZT = V / I中国电子科技学术网 www.EMC 不同屏蔽层的传输阻抗102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000传输阻抗（传输阻抗（m /m）Hz铝箔铝箔单层编织单层编织最佳单层编织最佳单层编织双

15、层编织双层编织双层编织双层编织 + 一层一层 金属金属双层编织 + 双层金属实心铜实心铜中国电子科技学术网 www.EMC 屏蔽层的错误接法CM中国电子科技学术网 www.EMC 电缆屏蔽层的正确端接利用机械力将屏蔽层压紧金属连接器护套指形簧片护套与屏蔽层端接导电弹性衬垫连接器上紧螺纹航空连接器D形连接器中国电子科技学术网 www.EMC D型连接器的屏蔽层搭接中国电子科技学术网 www.EMC 圆形连接器屏蔽层搭接中国电子科技学术网 www.EMC 接线端子上的屏蔽电缆中国电子科技学术网 www.EMC 尽量减小小辨接法的危害中国电子科技学术网 www.EMC 线路板上的局部屏蔽利用一层铜箔做屏蔽盒面屏蔽盒的接地间隔 / 20所有穿出屏蔽盒的导线经过滤波片状电容