電磁兼容之線路板設計

1、楊繼深 2002年4月PCB的電磁兼容設計 楊繼深 2002年4月脈沖信號的頻譜T1/d1/trdtr 諧波幅度（電壓或電流）頻率（對數(shù)）-20dB/dec-40dB/decAV( or I) = 2A(d+tr)/TV( or I) = 0.64A/TfV( or I) = 0.2A/Ttrf2楊繼深 2002年4月上升沿越陡高頻越豐富楊繼深 2002年4月地線和電源線上的噪聲Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驅動電路被驅動電路ICCI驅動驅動I充電充電I放電放電IgVg楊繼深 2002年4月電源線、地線噪聲電壓波形輸出ICCVCCIgVg楊繼深 2002年4月地線干擾對電路的影響13

2、24寄生電容楊繼深 2002年4月線路板走線的電感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII楊繼深 2002年4月地線網(wǎng)格楊繼深 2002年4月電源線噪聲的消除電源線電感電源線電感儲能電容儲能電容這個環(huán)路盡量小這個環(huán)路盡量小楊繼深 2002年4月電源解耦電容的正確布置盡量使電源線與地線靠近盡量使電源線與地線靠近楊繼深 2002年4月 解耦電容的選擇C = dI dt dVZf1/2 LC各參數(shù)含義：各參數(shù)含義：在時間在時間dt

3、內，電源線上出內，電源線上出現(xiàn)了瞬間電流現(xiàn)了瞬間電流dI，dI導致導致了電源線上出現(xiàn)電壓跌落了電源線上出現(xiàn)電壓跌落dV。 楊繼深 2002年4月增強解耦效果的方法增強解耦效果的方法電源電源地地鐵氧體鐵氧體注意鐵氧體安裝的位置注意鐵氧體安裝的位置接地線面接地線面細線細線粗線粗線用鐵氧體增加用鐵氧體增加電源端阻抗電源端阻抗用細線增加電用細線增加電源端阻抗源端阻抗楊繼深 2002年4月多個電容并聯(lián)加強解耦效果楊繼深 2002年4月線路板的兩種輻射機理差模輻射差模輻射共模輻射共模輻射電流環(huán)電流環(huán)桿天線桿天線楊繼深 2002年4月電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射近場區(qū)內近場區(qū)內: H = IA / (4 D3) A/

4、m E = Z0IA / (2 D2) V/m ZW = Z0（2 D/ ） 遠場區(qū)內遠場區(qū)內: H = IA / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m ZW = Z0 = 377 AI隨頻率、距離增加而增加 Z0 f、D楊繼深 2002年4月導線的輻射近場區(qū)內近場區(qū)內: H = I L / (4 D2) A/m E = Z0I L / (8 2 D3) V/m ZW = Z0（ /2 D） 遠場區(qū)內遠場區(qū)內: H = I L / (2 D) A/m E = Z0 I L / (2 D) V/mI L隨頻率、距離增加而減小 Z0 f、D楊繼深 2002年4月實際電路的

5、輻射ZGZLVZC = ZG + ZL近場：近場：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）遠場：遠場： E = 1.3 I A f 2 /D （ V/m）環(huán)路面積環(huán)路面積 = AI楊繼深 2002年4月常用的差模輻射預測公式考慮地面反射時：考慮地面反射時： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m）楊繼深 2002年4月脈沖信號差模輻射的頻譜頻譜包絡線頻譜包絡線差模輻射頻率特性線差模輻射頻率特性線脈沖的差模輻射包絡線脈沖的差模輻射包絡線 1

6、/ 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楊繼深 2002年4月不同邏輯電路為了滿足EMI指標要求所允許的環(huán)路面積邏輯 系列 上升時間 電流 不同時鐘頻率允許的面積（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.

7、2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 僅代表了一個環(huán)路的輻射情況，若有N個環(huán)路輻射，乘以 N 。因此，可能時，分散時鐘頻率。楊繼深 2002年4月如何減小差模輻射？E = 2.6 I A f 2 / D低通濾波器低通濾波器布線楊繼深 2002年4月電路中的強輻射信號 1 10 100 1000 1 10 100 1000dB V/mdB V/m所有電路加電工作所有電路加電工作只有時鐘電路加電工作只有時鐘電路加電工作楊繼深 2002年4月電流回路的阻抗LRIZ = R + j LL = / I A楊繼深 2002年4月單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積楊繼深 2

8、002年4月不良布線舉例68HC1174HC00AB連接連接A、BE時鐘楊繼深 2002年4月隨便設置的地線沒有用楊繼深 2002年4月多層板能減小輻射信號信號1電源層電源層地線層地線層信號信號2低頻高頻DC0.5 1 10 100 1G110地線面的阻抗，地線面的阻抗，m / 平方平方地線面具有很小的地線阻抗地線面具有很小的地線阻抗楊繼深 2002年4月地線面上的縫隙的影響模擬地模擬地數(shù)字地數(shù)字地A/D變換器L75mm25mmL : 0 10cm VAB : 15 75mVAB楊繼深 2002年4月過孔的阻抗1.5mm PGA128-pinC/4 PGA1010010.1nH/cm 25 5

9、0 75 100與過孔之間的距離與過孔之間的距離 mm楊繼深 2002年4月線路板邊緣的一些問題關鍵線（時鐘、射頻等）產(chǎn)生較強輻射無地線電源層地線層20H楊繼深 2002年4月扁平電纜的使用地線一部分信號回流經(jīng)過一部分信號回流經(jīng)過ABCDABCD最好最好較好較好差差較好，但端接困難較好，但端接困難扁平電纜這兩處都有地線這兩處都有地線楊繼深 2002年4月注意隱蔽的輻射環(huán)路電源/地線信號線電源/地線信號線電源電源信號線+電源+地線電源/地線電源電源楊繼深 2002年4月環(huán)路對消概念減小輻射楊繼深 2002年4月時鐘線避免換層？楊繼深 2002年4月外拖電纜的共模輻射LI2HCPI3I1CPVCM

10、機箱內的機箱內的所有信號所有信號都會通過都會通過電纜輻射！電纜輻射！楊繼深 2002年4月兩端設備都接地的情況LCPICMRWRWL ZCM = RW + j L+RL+1/ j C楊繼深 2002年4月懸浮電纜ICM近場區(qū)內近場區(qū)內: E = 1430I L / (f D3) V/m遠場區(qū)內遠場區(qū)內: E = 0.63 I L f / D V/m考慮地面反射：考慮地面反射： E = 1.26 I L f / D V/mL /2或或 /4時：時： E = 120I / D V/m電纜長度：電纜長度：L楊繼深 2002年4月共模電流的測量共模電流的測量電流卡鉗電流卡鉗頻譜分析儀頻譜分析儀VdB

11、VICM被測電流被測電流 IV傳輸阻抗：傳輸阻抗：ZT = V / I 楊繼深 2002年4月怎樣減小共模輻射 E = 1.26 I L f / D 共模濾波共模濾波共模扼流圈共模扼流圈減小共模電壓減小共模電壓使用盡量使用盡量短的電纜短的電纜共模濾波共模濾波電纜屏蔽電纜屏蔽楊繼深 2002年4月平衡接口電路+Vcc-Vcc+V-VZ0/2Z0/2楊繼深 2002年4月增加共模回路的阻抗PCBPCB共模回路共?；芈犯纳屏扛纳屏?= 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2) =20 lg ( ZCM

12、2 / ZCM1) =20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 ) dB楊繼深 2002年4月鐵氧體磁環(huán)使用方面的一些問題1 10 100 100012545001250600300個30個0.1 1 10 100 1000匝1匝無偏置有偏置楊繼深 2002年4月I/O接口布線的一些要點干凈區(qū)域濾波電容電源線連接地線連接信號濾波器信號濾波器隔離變壓器/光耦隔離器橋壕溝壕溝時鐘電路、高速電路楊繼深 2002年4月濾波器電容量的選擇R負載R源電容合適電容過大 低速接口10 100kB/s 高速接口 2MB/s低速CMOS TTL上升時間 tr 0.51s 50ns 100ns 10ns帶寬 BW

13、320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz總阻抗 R 120 100 300 100150最大電容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF楊繼深 2002年4月用屏蔽電纜抑制共模輻射CMCMDMCMCM楊繼深 2002年4月屏蔽電纜的評估CMCMDMV輻射環(huán)路輻射環(huán)路VIZT = V / I楊繼深 2002年4月不同屏蔽層的傳輸阻抗102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000傳輸阻抗（傳輸阻抗（m /m）Hz鋁箔鋁箔單層編織單層編織最佳單層編織最佳單層編織雙層編織雙層編織雙層編織雙層編織 + 一層一層 金屬金屬雙層編織 + 雙層金屬實心銅實心銅楊繼深 2002年4月屏蔽層的錯誤接法CM楊繼深 2002年4月電纜屏蔽