電磁兼容報告

1、PCB中的電磁兼容技術(shù)PCB中的電磁兼容技術(shù)一、引言隨著信息化社會的發(fā)展,電子產(chǎn)品的數(shù)量及種類不斷增加,其功能和速度也在不斷提高, 使得印制電路板(PCB) 承載的電子器件和線路的密度飛速提高,隨之而來的電磁兼容性(EMC Electro Magnetic Compatibility) 問題也變得越來越突出。PCB設(shè)計不再只是器件之間的電氣連接,還必須考慮電磁兼容性。因此,在進行PCB 設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)實際需要選擇合適的印制板板層設(shè)置,進行合理的元器件布局和信號走線,并采取一些基本的措施以降低電磁干擾,增強電路的抗干擾能力,滿足電磁兼容性指標(biāo)的要求。二、EMC及相關(guān)概念2.1 電磁兼容電磁兼容(

2、Electro Magnetic CompartibilityEMC 直譯為“電磁兼容性”) 一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。它是研究在有限的空間、時間和頻率資源下各種設(shè)備和系統(tǒng)可以相互共存而不至于造成性能下降甚至無法正常工作的科學(xué)。它主要包括兩個方面的內(nèi)容：一是發(fā)射性；二是抗擾性。即電磁騷擾性和電磁敏感性。電磁兼容是通過控制電磁干擾來實現(xiàn)的，電磁干擾產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對電磁輻射的敏感性兩方面。EMI表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運行時，會對周圍環(huán)境輻射電磁波，從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。PCB是

3、產(chǎn)生EMI的源頭，所以PCB設(shè)計直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC)。如果在高速PCB設(shè)計中對EMC/EMI予以重視，將有助縮短產(chǎn)品研發(fā)周期加快產(chǎn)品上市時間。2.2 PCB上的電磁干擾2.2.1 元器件的高頻寄生特性在一塊PCB 板上，導(dǎo)線、電阻、電容、電感等在不同頻率下表現(xiàn)出不同的特性，如圖1 所示：圖1 元器件在高低頻時不同特性導(dǎo)線:一般不把PCB 上的走線看做射頻輻射器，除非走線特別長，并且頻率很高，導(dǎo)線就會具有天線效應(yīng)。電阻:在純數(shù)字電路中，電阻主要是用作限流和確定固定電平。但在射頻系統(tǒng)中，電阻對EMI 的產(chǎn)生也是有貢獻的。寄生電容存在于電阻的兩端之間，它對極高頻設(shè)計有很大的破壞。

4、電容:當(dāng)電路頻率超過電容自諧振頻時，電容就出現(xiàn)電感特性了。電容器引腳上的寄生電感將使電容器在其自身諧振頻率以上時表現(xiàn)為電感特性而失去其原有的功能。電感:在數(shù)字電路中，電感用于對電磁干擾的抑制。對于電感來說，其電感阻抗隨著頻率的增加而增加，當(dāng)頻率很高時，高頻信號的傳遞就會受到影響。2.2.2 常見的電磁干擾PCB 設(shè)計中存在的電磁干擾主要有: 傳導(dǎo)干擾 傳導(dǎo)干擾主要通過導(dǎo)線耦合及共模阻抗耦合來影響其它電路。例如噪音通過電源電路進入某一系統(tǒng)，所有使用該電源的電路就會受到它的影響。 串音干擾 串音干擾是由電容性干擾和電磁性干擾所引起的，是一個信號線路干擾另外一鄰近的信號路徑。它通常發(fā)生在鄰近的電路和

5、導(dǎo)體上，用電路和導(dǎo)體的互容和互感來表征。 輻射干擾 輻射干擾是由于空間電磁波的輻射而引入的干擾。PCB 中的輻射干擾主要是電纜和內(nèi)部走線間的共模電流輻射干擾。當(dāng)電磁波照射到傳輸線上時，將出現(xiàn)耦合問題，沿線引起的分布小電壓源可分解為共模(CM) 和差模( DM) 分量。三、PCB中的電磁兼容設(shè)計3.1 器件的選擇3.1.1 器件封裝電子元器件的封裝分為有鉛封裝和無鉛封裝兩種。有鉛封裝的元器件有寄生效應(yīng)，特別是在高頻范圍。從EMC的觀點來看，首選應(yīng)當(dāng)是表貼元器件。3.1.2 電阻的選擇因為低的寄生效應(yīng)，表面貼電阻是首選。有鉛封裝類型的電阻選擇順序由高到低的次序是炭膜電阻>金屬氧化膜電阻>

6、;繞線電阻。3.1.3 電容的選擇 旁路電容旁路電容的主要作用是對交流旁路，濾掉從敏感區(qū)域進入的干擾。旁路電容主要擔(dān)當(dāng)高頻的旁路器件，來減少在電源部分的瞬態(tài)電路的要求。通常，鋁和鉭電容是旁路電容的最佳選擇，它們的取值取決于PCB 上瞬態(tài)電流的需要，但是通常取值在10470uF,假如PCB 上有許多集成電路，開關(guān)電路和PCB 上帶有長導(dǎo)線的程序存儲單元，可能需要更大的電容。 去耦電容在有源器件開關(guān)時產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲通過電源線向其他地方散播，去耦電容的主要作用是局部穩(wěn)定有源器件的直流電源，減小通過板子傳播的開關(guān)噪音，將這些噪音去耦到地。理想的講，旁路電容和去耦電容應(yīng)當(dāng)在電源入口的地方盡力靠近放在

7、一起，來濾掉高頻噪聲，去耦電容的取值大約是旁路電容的1/100 到1/1000, 去耦電容應(yīng)當(dāng)盡可能的靠近IC,因為導(dǎo)線電阻會降低去耦電容的作用. 儲能電容 儲能電容可為芯片提供所需要的電流，并且將電流變化局限在較小的范圍內(nèi)，從而減小輻射。儲能電容一般放在下列位置：PCB 板的電源端；子卡、外圍設(shè)備和子電路I/O 接口和電源終端連接處；功耗損毀電路和元器件的附近；輸入電壓連接器的最遠位置；遠于直流電壓輸入連接器的高密元件位置；時鐘產(chǎn)生電路和脈動敏感器件附近。 3.2 PCB板層布局與EMCPCB板設(shè)計的開始階段就是層的設(shè)置,層設(shè)置不合理可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成電磁干擾和自身的EMC 問題,所以

8、合理的層布局對電磁兼容性而言是十分重要的。PCB板層由電源層、地線層和信號層組成。層的選擇、層的相對位置以及電源、地平面的分割、PCB板的布線、信號質(zhì)量、接口電路的處理等都對PCB 板的EMC 指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用,也直接影響到整臺電子產(chǎn)品的電磁兼容性。3.2.1 PCB的層數(shù)選擇根據(jù)電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數(shù)量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PCB 板的層數(shù)。要滿足EMC 的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本,適當(dāng)增加地平面是PCB 的EMC 設(shè)計最好的方法之一。對電源層而言,一般通過內(nèi)電層分割能滿足多種電源的需要,但若需要多種電源供電,且互相交錯,則

9、必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言,除了考慮信號線的走線密集度外,從EMC 的角度,還需要考慮關(guān)鍵信號(如時鐘、復(fù)位信號等) 的屏蔽或隔離,以此確定是否增加相應(yīng)層數(shù)。單面板和雙面板雖然制造簡單、裝配調(diào)試方便,但只適用于一般電路要求,不適用于高組裝密度或復(fù)雜電路的場合。尤其是高速數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐返腜CB。由于沒有好的參考平面,環(huán)路面積增大而使輻射增強,平行走線也不可避免。就EMC 要求而言,如果成本允許,在PCB設(shè)計時盡量不選擇單面板或雙面板。3.2.2 PCB的層排列 PCB 的層排列也是有原則的,合理排列各層對PCB的抗干擾能力十分有益。PCB 設(shè)計中層排列的一些基本原

10、則如下。 (1) 關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰。由于電源、地平面存在自身的特性阻抗,電源平面的阻抗比地平面阻抗高,相鄰的兩平面可形成耦合電容,并與PCB 板上的退耦電容一起降低電源平面的阻抗,同時獲得較寬的濾波效果。(2) 相鄰層的關(guān)鍵信號不能跨分割區(qū),從而避免形成較大的信號環(huán)路,降低產(chǎn)生較強輻射和敏感度等問題。 (3) 高頻、高速、時鐘等關(guān)鍵信號有一相鄰地平面,這樣設(shè)計的信號線與地平面間的距離僅為線路板層間的距離,高頻電路將選擇環(huán)路面積最小的路徑流動,形成最小的信號環(huán)路面積,從而減少輻射。也就是說,與地線層相鄰的信號層作為優(yōu)選層進行信號走線。參考面的選擇也應(yīng)優(yōu)選地平面,雖然電源平面、地平

11、面皆可用作參考平面,且有一定的屏蔽作用。但相對而言,電源平面具有較高的特性阻抗,與參考電平存在較大的電位差。從屏蔽角度考慮,地平面一般均作接地處理,并作為基準(zhǔn)電平參考點,其屏蔽效果遠遠優(yōu)于電源平面。(4) 避免電源層平面向自由空間輻射能量,使電源平面小于地平面,一般要求電源平面向內(nèi)縮進20-H(即20-H原則, H指相鄰電源平面與地平面的介質(zhì)厚度) 。 3.3 PCB板元器件布局與EMCPCB 板上元器件布局不當(dāng)是引發(fā)干擾的重要因素。元器件本身也是一個干擾源和敏感器,尤其是集成電路等有源器件,其固有的敏感特性和電磁特性(比如頻率特性、輸入/輸出阻抗特性、輸入端的平衡/非平衡特性、翻轉(zhuǎn)時間等)對

12、電磁兼容問題產(chǎn)生重要影響。因此,元器件的合理布局,不僅更容易實現(xiàn)原理線路的連通,而且可以保證信號的完整性,滿足電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)。 元器件布局首先應(yīng)滿足系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行定位,把所有嚴(yán)格定位的器件(如變壓器、傳感器、散熱器、顯示器、可調(diào)式電位器、按鍵以及接口接插件等) 放好并鎖定。一些質(zhì)量較大的器件不宜直接安裝在PCB 上,需要用支架并安裝在機殼上。但從電磁兼容性考慮,元氣件的布局須遵循一些共同的原則 。3.3.1 PCB 板的空間分割 對PCB 板進行空間分割的目的是為了降低PCB 上不同類型的元器件之間互相干擾。空間分割的實施方法就是對元器件進行分組,可以根據(jù)電源電壓高低、數(shù)字器件或模擬器件

13、、高速器件或低速器件以及電流大小等特點,對電路板上的不同電氣單元進行功能分組,每個功能組的元器件彼此被緊湊地放置在一起以便得到最短的線路長度和最佳的功能特性。高壓、大功率器件時,與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定間距,盡量分開布線。 建議首先以不同的直流電源電壓來分組,因為高低電源電壓器件緊挨在一起,由于電位差而產(chǎn)生電場輻射干擾。如果使用同種電壓的元器件中仍有數(shù)字和模擬元件之分,則可以再進行分組。按電源電壓、數(shù)字及模擬電路分組后可進一步按速度快慢、電流大小進行分組。 3.3.2 敏感器件的處理 某些敏感器件例如鎖相環(huán),對噪音干擾特別敏感,他們需要更高層次的隔離。解決的方法是在敏感器件周圍的電源銅箔上

14、蝕刻出馬蹄形絕緣溝槽,如圖所示。 圖2 馬蹄形絕緣溝槽示意圖 該器件使用的所有信號進出都通過狹窄的馬蹄形根部的開口。噪音電流必然在開口周圍經(jīng)過而不會接近敏感部分。使用這種方法時,確保所有其他信號都遠離被隔離的部分。這種設(shè)計方法可以避免能夠引起干擾的噪音信號的產(chǎn)生,確保所有其他信號都遠離被隔離的部分。 3.3.3 元器件布局時的其他基本原則 連接器及其引腳應(yīng)根據(jù)元器件在板上的位置確定。所有連接器最好放在印制板的一側(cè),盡量避免從兩側(cè)引出電纜,以便減小共模電流輻射。因為PCB板上有高速數(shù)字信號時,如果產(chǎn)生共模輻射,電纜是很好的共模輻射天線(振子天線會比單極天線產(chǎn)生更大的共模干擾輻射) 。 I/O驅(qū)動

15、器應(yīng)緊靠連接器,避免I/O信號在板上長距離走線,耦合不必要的干擾信號。當(dāng)高速數(shù)字集成芯片與連接器之間沒有直接的信號交換時,高速數(shù)字集成芯片應(yīng)安排在遠離連接器處。否則,高速數(shù)字信號有可能通過電場或磁場耦合對輸入/輸出環(huán)路產(chǎn)生差模干擾,并通過接口電纜向外輻射。如果高速器件必須與連接器相連,則應(yīng)把高速器件放在連接器處,盡量縮短走線,然后在稍遠處安放中速器件,最遠處安放低速器件。否則,高速信號將穿過整個印制板才能到達連接器,可能對沿途的的中低速電路產(chǎn)生干擾。 高速器件(頻率大于10MHz或上升時間小于2ns的器件) 在印制電路板上的走線盡可能短。 發(fā)熱元件(如ROM ,RAM、功率輸出器件和電源等)

16、遠離關(guān)鍵集成電路,最好放在邊緣或偏上方部位,以利于散熱。 電感布局時,不要并行靠在一起,因為這樣會形成空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號,因此他們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個器件的高度,或者成直角排列以將其互感減到最小。 許多電磁干擾都來自電源,集成電路的退耦電容盡量靠近IC的電源引腳,且退耦電容的引線盡量短。建議使用表貼封裝電容。 3.4 PCB的布線設(shè)計拙劣的PCB 走線對信號的傳輸會產(chǎn)生極大的影響，導(dǎo)致更多的電磁兼容問題，因此布線時應(yīng)遵循一些普遍準(zhǔn)則： 輸入輸出端的導(dǎo)線盡量避免相鄰長距離平行，可增大線條間距或走線間插入地線來減少平行串?dāng)_。 走線寬度不要突變，不要突然拐角，拐彎處一般走圓弧

17、或135 度角。 減小電流流通過程的導(dǎo)線環(huán)路面積，是因為載流回路對外的輻射與通過電流、環(huán)路面積和信號頻率成正比。 減少導(dǎo)線長度，增加導(dǎo)線寬度，有利于減少導(dǎo)線阻抗。 為使同一層內(nèi)相鄰線路間的串?dāng)_和噪聲耦合最小，應(yīng)予線間隔離以實現(xiàn)布線分離。 設(shè)置分流和保護線路，對關(guān)鍵信號進行隔離和保護。 電源線、地線及信號線走線時，除了要遵循走線的普遍準(zhǔn)則外，還應(yīng)依據(jù)自身的功能與特點進行布線。3.4.1 電源線 電源線盡量加粗電源線寬度以減少環(huán)路電阻，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。對于具有電源層和地層的多層PCB，應(yīng)減少電源線到電源層或地層的線長。盡可能使電源單獨為各功能單元供電，使用公共電源的所有電

18、路盡可能彼此靠近，相互兼容。 3.4.2 地線 克服電磁干擾,最主要的手段就是接地。公共地線應(yīng)盡量布置在PCB 板的邊緣，且最好形成環(huán)形或網(wǎng)狀以減小接地電位差。接地線應(yīng)盡量加粗，盡可能多保留銅箔做地線以提高屏蔽效果。數(shù)字地與模擬地分開，模擬地中低頻地應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)，高頻地宜采用多點串聯(lián)。對于雙面板,地線布置特別講究，通過采用單點接地法，電源和地是從電源的兩端接到印制線路板上來的，電源一個接點，地一個接點。印制線路板上，要有多個返回地線，并都匯聚到回電源的那個接點上，就是所謂單點接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分，是指布線分開，而最后都匯集到這個接地點上來。與印刷線路板以外的信號相連時，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜，一端接地為好。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機殼地(屏蔽地) 、數(shù)字