高速電路板電磁兼容性分析

1、畢 業(yè) 論 文論文題目： 高速電路板電磁兼容性分析 系 部： 專業(yè)名稱： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 年月 日高速電路板電磁兼容性分析摘要：本文首先對(duì)電磁兼容的基本概念作出了簡(jiǎn)要的回答，接著引出了在高速電路板中存在的電磁兼容問題，主要是其產(chǎn)生的原因，重點(diǎn)是電磁干擾的內(nèi)容，以及相應(yīng)的解決辦法。由這些問題給出了高速電路板在電磁兼容性上的設(shè)計(jì)方法，包含了元器件的放置、去耦電容的放置等基本原則。最后通過對(duì)PCBMOD仿真軟件的簡(jiǎn)單介紹使PCB板的EMC問題在計(jì)算機(jī)輔助軟件的幫助下大為簡(jiǎn)化，使復(fù)雜的問題在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的解決成為可能。關(guān)鍵詞：電磁兼容性（EMC）；電磁干擾（EMI）

2、；電磁敏感性（EMS） High speed circuit board electromagnetic compatibility analysis Abstract: This article first has made the brief reply to the electromagnetic compatibility basic concept, then has drawn out the electromagnetic compatibility question which exists in the high-speed circuit board, mainly is

3、the reason which it produces, the key point is the electromagnetic interference content, as well as corresponding solution.Has given the high-speed circuit board in electromagnetic compatibility design method by these questions, has contained the primary device laying aside, the decoupling electric

4、capacity laying aside and so on the basic principle.Finally through causes PCB to the PCBMOD simulation software simple introduction the board the EMC question to assist the software in the computer under the help is greatly the simplification, causes the complex question in the reality application

5、solution into possibleKey words: Electromagnetic compatibility（EMC）； Electromagnetic interference（EMI）；Electromagnetic sensitivity（EMS）目錄引言21.電磁兼容性的概念與內(nèi)容31.1電磁兼容的概念31.2電磁兼容包含的內(nèi)容32.高速電路板的電磁兼容性42.1高速電路板電磁干擾的產(chǎn)生原因42.2電磁干擾的解決辦法53.PCB板電磁兼容性設(shè)計(jì)原則及方法63.1 元器件的放置73.2 PCB板的疊層布線73.3 去耦電容的放置及使用方法84.PCB板的EMC仿真分析84

6、.1 EMC仿真介紹84.2 PCBMOD仿真軟件85.應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)PCB板105.1設(shè)計(jì)流程105.2設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).10結(jié)束語(yǔ)11參考文獻(xiàn)12致謝詞13 引言科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是集成電路的發(fā)展，帶動(dòng)著高速電路的飛速發(fā)展，電子設(shè)備體積越來(lái)越小，集成度卻越來(lái)越高，高速、高密度的數(shù)字電路設(shè)計(jì)成為主要發(fā)展方向。隨著邏輯電路中時(shí)鐘頻率的提高、板上器件數(shù)和布線數(shù)的不斷增加，印制板的電磁兼容性問題越來(lái)越突出。這些問題的解決直接關(guān)系到數(shù)字電路功能的實(shí)現(xiàn)和電子設(shè)備的質(zhì)量。正如前面所說(shuō)，電路工作頻率的越來(lái)越高使電路板的EMC問題越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)在的CPU的工作時(shí)鐘頻率已經(jīng)達(dá)到4GHz。正因如此，才需要我們深入

7、研究高速電路板的電磁兼容性問題，盡可能早的發(fā)現(xiàn)問題，并實(shí)現(xiàn)PCB板的EMC設(shè)計(jì)所提出的要求，就可以避免產(chǎn)品定型生產(chǎn)之后再解決問題所帶來(lái)的成本上升和時(shí)間的延誤。1.電磁兼容性的概念與內(nèi)容1.1電磁兼容的概念在現(xiàn)代社會(huì)里，微電子技術(shù)已深入到各個(gè)領(lǐng)域。由于電子技術(shù)中的高頻器件占據(jù)很大的份額，使人們并不希望見到的電磁輻射幾乎無(wú)處不在，形成了一種所謂的電磁污染。此外由于工作空間的狹窄，許多電磁能量的輻射體與接受裝置不得不現(xiàn)相互為鄰，影響到這些設(shè)備的正常工作與效率。這些問題的解決都需要用到電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）的相關(guān)理論。國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)電磁兼容性

8、的定義為：EMC是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在環(huán)境中完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。電磁兼容性問題已經(jīng)形成一門新的學(xué)科，也是一門以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科的邊緣科學(xué)。電磁兼容性問題也是要求多動(dòng)手實(shí)踐的一門技術(shù)，僅僅是理論知識(shí)的積累只能將理解停留在表面，只有多動(dòng)手操作，多掌握實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能深入掌握分析的技巧。1.2電磁兼容包含的內(nèi)容 根據(jù)IEC給出的定義我們可以用一種通俗說(shuō)法：EMC就是研究設(shè)備或系統(tǒng)的電磁干擾和抗擾度的問題，也就是說(shuō)所有的電子設(shè)備既不要成為一個(gè)電磁干擾源，對(duì)周圍的設(shè)備的正常工作產(chǎn)生不良影響；又能承受周圍電磁環(huán)境中從各種途徑傳輸?shù)母鞣N電磁

9、干擾，而保證自身設(shè)備的正常工作。電磁兼容（EMC）=電磁干擾（EMI）+電磁敏感度（EMS）電磁干擾是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或者對(duì)有生命或無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。任何一個(gè)電磁干擾現(xiàn)象的發(fā)生都要具備三個(gè)要素：干擾源，耦合途徑，敏感設(shè)備。在電磁兼容理論中，電磁干擾源是指產(chǎn)生電磁干擾的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)電磁干擾源分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。敏感設(shè)備是指對(duì)電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的系統(tǒng)或設(shè)備的總稱。要注意許多電器裝置既是輻射體又是敏感體，如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘脈沖頻率發(fā)生器工作時(shí)將泄漏出電磁輻射擔(dān)當(dāng)干擾源的角色，但同時(shí)又易受到外界的電磁能量的影響而成為敏

10、感體。耦合途徑是指把能量從電磁干擾源耦合到敏感設(shè)備上，并引起該設(shè)備響應(yīng)的媒介。一般有兩種方式：傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式。傳導(dǎo)耦合：這種方式比較簡(jiǎn)單，因?yàn)楦蓴_源與敏感設(shè)備之間有明確的連接電路，電磁能量就沿著連接電路從干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備上。輻射耦合：因?yàn)闆]有具體的連接電路，電磁能量只能以電磁波的方式在空間傳播，從干擾源傳到敏感設(shè)備。2.高速電路板的電磁兼容性2.1高速電路板電磁干擾的產(chǎn)生原因數(shù)字電路中，在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率超過50MHz并且工作在這這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到整個(gè)電子系統(tǒng)的三分之一以上，或采用了上升下降時(shí)間少于5ns的器件，就是高速電路，考慮傳輸線效應(yīng)和傳輸延遲。實(shí)際上，信號(hào)上升沿與下

11、降沿的諧波頻率比本身的頻率高很多，就導(dǎo)致不能按照理論傳輸來(lái)計(jì)算。數(shù)字電路的時(shí)鐘信號(hào)包含了大量的諧波分量，因此數(shù)字電路的時(shí)鐘頻率就不能看成是PCB布線中的最高頻率，從而就為PCB板中通過射頻電流提供了先決條件。又由電磁場(chǎng)基本理論的可知，當(dāng)PCB印制線中存在射頻電流時(shí)，電流從電流源流到負(fù)載，通過返回路徑返回形成閉合回路，就會(huì)形成磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輻射磁場(chǎng)，與電磁波的形成與傳播類似，電磁場(chǎng)的交互作用實(shí)現(xiàn)了射頻能量的產(chǎn)生與傳播。因?yàn)镻CB印制線與射頻電流返回路徑?jīng)]有完全重合，磁場(chǎng)與返回結(jié)構(gòu)間的磁通耦合就沒有達(dá)到百分之百，剩余的射頻電流就是在PCB板中引起電磁干擾的主要原因。如圖1所示 圖1 高速

12、電路板電磁干擾產(chǎn)生原因 印制電路板中的電磁干擾問題包括高頻信號(hào)之間的串?dāng)_問題，高頻信號(hào)的電磁輻射問題，高頻信號(hào)傳輸?shù)姆瓷鋯栴}，其中尤以高頻輻射問題最為嚴(yán)重，因?yàn)轭l率越高，印制線、電源線的阻抗就越高，因此就會(huì)通過公共阻抗耦合產(chǎn)生干擾，頻率增高會(huì)使寄生電容容抗減小，就容易發(fā)生串?dāng)_?，F(xiàn)具體說(shuō)明如下：（1） 高頻器件輻射的電磁干擾，通常情況下，PCB板的工作頻率太高，布線布局不合理，沒有采取有效的屏蔽措施就會(huì)導(dǎo)致輻射干擾。數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生的干擾噪聲是時(shí)鐘頻率的3倍。（2） 系統(tǒng)電源自身的噪聲干擾。系統(tǒng)電源在提供能源的同時(shí)，也將其寄生的干擾噪聲加到電路中，系統(tǒng)中的模擬信號(hào)電路很容易受到此類干擾。（3） 大電

13、流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾，電路中大電流開關(guān)在動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花干擾。（4） 高頻信號(hào)之間的串?dāng)_，信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，因?yàn)橛须姶篷詈?，所以?duì)相鄰的傳輸線會(huì)產(chǎn)生干擾。對(duì)于兩條信號(hào)之間的耦合問題，主要是信號(hào)線之間的互感和互容。（5） 高頻信號(hào)傳輸?shù)姆瓷鋯栴}，高頻信號(hào)在傳輸時(shí)，當(dāng)源端與負(fù)載端阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)在終端發(fā)生發(fā)射，使信號(hào)發(fā)生變形。2.2電磁干擾的解決辦法針對(duì)高速電路板中存在的電磁干擾問題，現(xiàn)提供以下解決措施：（1） 盡量選用頻率低的芯片來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，頻率越高就越容易成為噪聲源，產(chǎn)生的高頻噪聲就越大，電磁干擾就越強(qiáng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，在能滿足要求的情況下盡量使用頻率低的芯片。（2） 選用高精度

14、的穩(wěn)態(tài)電源供電，電源供電時(shí)會(huì)將寄生的噪聲加到電路中，使用穩(wěn)態(tài)電源供電會(huì)減少這一類噪聲，還要增加電源線的寬度以減少環(huán)路電阻。（3） 設(shè)計(jì)高速PCB板時(shí)，信號(hào)的走線越短越好，過孔數(shù)目最好不要超過2個(gè)。（4） 減少信號(hào)間的交叉干擾，高頻信號(hào)傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)（傳輸線不僅僅作為導(dǎo)線，還會(huì)產(chǎn)生分布電容和分布電感，影響信號(hào)的傳輸），導(dǎo)致傳輸信號(hào)的失真，高速數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，會(huì)干擾與之平行的另一條傳輸線，這就是信號(hào)間的交叉干擾，為此要盡可能的縮短高頻器件間的連接線。（5） PCB板的合理布局結(jié)構(gòu)，布局不當(dāng)是造成干擾的主要原因，所以正確的布局布線是設(shè)備正常運(yùn)行的基本保證之一。首先是PCB板的尺寸大小，尺寸

15、太大會(huì)增加它的成本，降低它的抗噪能力，太小則臨近線條容易受到干擾。盡可能將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)分開，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開，用地線將兩區(qū)域分離，將模擬地與數(shù)字地分離，接于電源地，干擾源與敏感器件分離，元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊的排列在PCB板上，盡量減少各元器件之間的引線和連接線。（6） 合理解決電源線和地線連接多造成的電磁干擾，大多數(shù)的電磁干擾都是通過地線引入的。地線存在阻抗，地線中流過電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，因?yàn)樵诘鼐€中有了環(huán)路電流、電壓降，就產(chǎn)生了地環(huán)路干擾。解決方法就是切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路阻抗。共用一段地線會(huì)產(chǎn)生公共阻抗耦合，解決辦法是為每個(gè)模塊提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，讓每個(gè)電路模塊的接電線

16、最終匯流與公共電位參考點(diǎn)，由于只有一個(gè)參考點(diǎn)，也就沒有了公共耦合阻抗的存在，也就沒有了干擾問題。（7） 用去耦電容去除高頻噪聲，頻率越高容抗就越低，將其并聯(lián)在信號(hào)線與地線之間，就能濾除掉高頻噪聲。將每個(gè)芯片都加上一個(gè)電容不僅能儲(chǔ)存能量，還能旁路掉高頻噪聲，電容引線不宜過長(zhǎng)，引線長(zhǎng)了，其感應(yīng)電感就越大，電容的諧振頻率就越低，旁路作用就會(huì)減弱。3.PCB板電磁兼容性設(shè)計(jì)原則及方法PCB板的電磁兼容性設(shè)計(jì)要遵循的原則有很多，這里只簡(jiǎn)要介紹本文用到的幾條比較重要的準(zhǔn)則。：信號(hào)電流環(huán)路面積要最小，眾所周知所有的電子信號(hào)有電壓也有電流，信號(hào)電流總是要形成閉合回路，把信號(hào)電流環(huán)路面積設(shè)計(jì)最小是為了防止信號(hào)輻

17、射或耦合至其他電路，PCB設(shè)計(jì)者要為每個(gè)信號(hào)電流設(shè)計(jì)一條回到源頭的低阻抗路徑；：不要在連接端口之間放置高頻電路，大部分從板上輻射出去和從外界耦合至板上的電磁能量都是從IO連接端口這個(gè)路徑。：控制數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波是產(chǎn)生干擾的重要原因，通過控制信號(hào)的上升下降時(shí)間，可以很好的衰減高次諧波而不降低信號(hào)質(zhì)量和誤碼率。:第一條規(guī)則告訴我們信號(hào)要有完整的閉合回路而不能存在間隙，如果回路平面出現(xiàn)縫隙會(huì)使高頻電流通過高阻抗的路徑回到源端，這會(huì)導(dǎo)致輻射電磁干擾?；谶@四個(gè)方面，對(duì)高速PCB板的EMI設(shè)計(jì)作一詳細(xì)介紹。3.1 元器件的放置元器件的放置非常重要，其直接導(dǎo)致信號(hào)的流向，應(yīng)注意的方面

18、很多。 時(shí)鐘發(fā)生器的放置1 時(shí)鐘信號(hào)為PCB板內(nèi)的高頻信號(hào)，所以它的走線應(yīng)該設(shè)計(jì)的最短，不能在IO接口附近。2 也不能在例如DC電源這樣的內(nèi)部接口附近，時(shí)鐘電路不能放置在PCB板的邊緣。 CPU內(nèi)存的器件放置 和時(shí)鐘信號(hào)相同，CPU內(nèi)存器件也是高頻器件所以也不能放置在IO電路附近，同樣也不能放在內(nèi)部接口附近。3.2 PCB板的疊層布線 1：高速總線和時(shí)鐘線是頻率最高的走線，所以要最先布線。 2：高速信號(hào)線和時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離IO的接口處，這在元器件的放置中有所提及，原因也是頻率高易產(chǎn)生高頻干擾。 3：在高速、高頻和大電流流經(jīng)的區(qū)域不能有IO信號(hào)線。 4：在同一疊層或臨近層上，時(shí)鐘線與IO信號(hào)線不要平

19、行或靠近以免發(fā)生串?dāng)_。 5：時(shí)鐘區(qū)域是高頻區(qū)域不能有無(wú)關(guān)的走線穿越，電源分割區(qū)域不能有無(wú)關(guān)的走線穿越是由原則四決定的。3.3 去耦電容的放置及使用方法1.符合高速定義的部件必須使用去耦電容。2.去耦電容的走線越寬越好，這樣的走線阻抗越大。3.為集成電路的每一個(gè)電源管腳配置一個(gè)去耦電容。4.每一個(gè)去耦電容都要通過走線接地，還要保證走線的電感達(dá)到最小。5.為了達(dá)到第四點(diǎn)中的走線電感最小，可以用兩根地線接去耦電容。4.PCB板的EMC仿真分析4.1 EMC仿真介紹PCB板存在的EMC問題：信號(hào)的串?dāng)_、反射造成信號(hào)的完整性問題電源地電壓的波動(dòng)造成電源的完整性問題電磁場(chǎng)的輻射造成電磁干擾和抗干擾問題4.

20、2 PCBMOD仿真軟件介紹PCBMOD軟件主要適應(yīng)于計(jì)算機(jī)、通信領(lǐng)域的PCB和電纜的EMC模擬。支持高速的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)或者模數(shù)混合信號(hào)以及電源的設(shè)計(jì)，可采用頻域和時(shí)域兩種方法對(duì)2D或3D線性傳輸線模型以及電源/接地問題進(jìn)行分析。PCBMOD可用于PCB板的EMC分析，有二維和三維場(chǎng)求解器及高級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真器，功能強(qiáng)大，提供PCB布線設(shè)計(jì)、器件布局和電源地優(yōu)化設(shè)計(jì)等電磁兼容和信號(hào)完整性仿真分析,不僅可以直接導(dǎo)入多種PCB布線EDA軟件模型（如Protel等軟件）還能精確考慮串?dāng)_、趨膚效應(yīng)等問題。其分析流程如圖2所示： 圖2 PCBMOD軟件EMC仿真流程如圖所示，首先將PCB板的相關(guān)幾何尺寸

21、的參數(shù)輸入到軟件中，接著就是在二維或三維場(chǎng)求解器對(duì)它進(jìn)行時(shí)域和頻域的EMC、EMI問題。在定義完P(guān)CB板的激勵(lì)、負(fù)載和相應(yīng)的內(nèi)外部端口后對(duì)其進(jìn)行電路網(wǎng)絡(luò)的分析，這得益于軟件內(nèi)置的CAD設(shè)計(jì)工具，下一步是電磁輻射的分析，包括電磁干擾和電磁敏感度兩個(gè)方面的分析，最后觀察得到的結(jié)果。PCBMOD可以用在PCB和集成電路設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，它包含了ATHOS，Static2D3D和Stat Mod，對(duì)模擬和數(shù)字電路都可以分析。ATHOS是一個(gè)可視化PCB電路編輯器。Static2D3D是一個(gè)基于BEM（邊界元方法）的二維或三維的模擬器，能分析數(shù)字電路和高頻模擬電路。Stat Mod 是個(gè)3D EMC頻域模

22、擬程序，它利用了PEEC（部分元等效電路法）數(shù)值分析算法。它內(nèi)置了PCB設(shè)計(jì)CAD軟件。適應(yīng)于低頻模擬電路。5.應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)PCB板5.1設(shè)計(jì)流程 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括電路原理圖的設(shè)計(jì)，PCB板的設(shè)計(jì)，制作軟件的編程，以及系統(tǒng)的集成等方面。根據(jù)需要，首先制定出總體方案，總體方案首先制定出硬件電路圖，包括單片機(jī)的選擇，單片機(jī)及擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，外部設(shè)備和接口設(shè)計(jì)等。根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)PCB板也有一個(gè)具體的流程：開始規(guī)劃電路板設(shè)置參數(shù)裝入網(wǎng)格表及元件的封裝布置元件自動(dòng)布線手工調(diào)整存盤及打印輸出結(jié)束。雖然這一過程主要是由Protel99SE完成，但仍需要注意一些問題：（1） 板的布局（2） 高低壓之間的隔離（3） PCB板的走線（4） 印制導(dǎo)線的寬度（5） 印制導(dǎo)線的間距（6） 印制導(dǎo)線的屏蔽與接地根據(jù)單片機(jī)所支持的指令系統(tǒng)和設(shè)計(jì)任務(wù)的基本要求確定軟件的設(shè)計(jì)內(nèi)容。為使軟件設(shè)計(jì)工作思路清晰，一般把系統(tǒng)的全部軟件工作，劃分成幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊就能完成一定的功能，每個(gè)模塊可相互獨(dú)立，又可通過指令相互聯(lián)系和調(diào)用。5.2設(shè)計(jì)注意事項(xiàng). 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到許多問題，要注意的事項(xiàng)很多，這里只簡(jiǎn)要介紹： 單片機(jī)以及電路所用器件的選擇，包括單片機(jī)的選擇和電路器件的選擇兩個(gè)方面問題。 PCB板設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題： （1）盡量控制噪聲源，盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的