電磁兼容報(bào)告

1、PCB中的電磁兼容技術(shù)PCB中的電磁兼容技術(shù)隨著信息化社會(huì)的開(kāi)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升,使得印制電路板(PCB)承載的電子器件和線路的密度飛速提升,隨之而來(lái)的電磁兼容性(EMCElectroMagneticCompatibility)問(wèn)題也變得越來(lái)越突出.PC瞅計(jì)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(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇適宜的印制板板層設(shè)置,進(jìn)行合理的元器件布局和信號(hào)走線,并采取一些根本的舉措以降低電磁干擾,增強(qiáng)電路的抗干擾水平,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(ElectroMagne

2、ticCompartibilityEMC直譯為“電磁兼容性)一股指電氣及電子設(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(shí)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(wú)法正常工作的科學(xué).它主要包括兩個(gè)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(guò)限制電磁干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)的,電磁干擾產(chǎn)生的問(wèn)題包含過(guò)量的電磁輻射及對(duì)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(yùn)行時(shí),會(huì)對(duì)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是產(chǎn)生EMI的源頭,所以PCB設(shè)計(jì)直

3、接關(guān)系到電子產(chǎn)品的電磁兼容性(EMC如果在高速PC破計(jì)中對(duì)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(shí)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：鬲乘特性導(dǎo)線圖1元器件在上下頻時(shí)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(zhǎng),并且頻率很高,導(dǎo)線就會(huì)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(duì)EMI的產(chǎn)生也是有奉獻(xiàn)的.寄生電容存在于電阻的兩端之間,它對(duì)極高頻設(shè)計(jì)有很大的破壞.電容：當(dāng)電路頻率超過(guò)電容自諧振頻時(shí),電

4、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(shí)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(duì)電磁干擾的抑制.對(duì)于電感來(lái)說(shuō),其電感阻抗隨著頻率的增加而增加,當(dāng)頻率很高時(shí),高頻信號(hào)的傳遞就會(huì)受到影響.2.2.2 常見(jiàn)的電磁干擾PCB設(shè)計(jì)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(guò)導(dǎo)線耦合及共模阻抗耦合來(lái)影響其它電路.例如噪音通過(guò)電源電路進(jìn)入某一系統(tǒng),所有使用該電源的電路就會(huì)受到它的影響.?用音干擾用音干擾是由電容性干擾和電磁性干擾所引起的,是一個(gè)信號(hào)線路干擾另外一鄰近的信號(hào)路徑.它通常發(fā)生在鄰近的電路和導(dǎo)體上,用電路和導(dǎo)體的互容和互感來(lái)表征.?輻

5、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(shí),將出現(xiàn)耦合問(wèn)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(jì)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(wú)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EMCJ觀點(diǎn)來(lái)看,首選應(yīng)當(dāng)是表貼元器件.3.1.2 電阻的選擇由于低的寄生效應(yīng),外表貼電阻是首選.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(duì)交流旁

6、路,濾掉從敏感區(qū)域進(jìn)入的干擾.旁路電容主要擔(dān)當(dāng)高頻的旁路器件,來(lái)減少在電源局部的瞬態(tài)電路的要求.通常,鋁和包電容是旁路電容的最正確選擇,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,假設(shè)PCB上有許多集成電路,開(kāi)關(guān)電路和PCB上帶有長(zhǎng)導(dǎo)線的程序存儲(chǔ)單元,可能需要更大的電容.去耦電容在有源器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)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(guò)板子傳播的開(kāi)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一起,來(lái)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,

7、去耦電容應(yīng)當(dāng)盡可能的靠近IC,由于導(dǎo)線電阻會(huì)降低去耦電容的作用.儲(chǔ)能電容儲(chǔ)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(chǔ)能電容一般放在以下位置：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(yuǎn)位置；遠(yuǎn)于直流電壓輸入連接器的高密元件位置；時(shí)鐘產(chǎn)生電路和脈動(dòng)敏感器件附近.3.2 PCB板層布局與EMCpc皈設(shè)計(jì)的開(kāi)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(wèn)題,所以合理的層布局對(duì)電磁兼容性而言是十分重要的.PC皈層由電源層、地線層和信號(hào)層組成.層的選擇、層的相

8、對(duì)位置以及電源、地平面的分割、PCBS的布線、信號(hào)質(zhì)量、接口電路的處理等都對(duì)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(tái)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(hào)線的密集程度、信號(hào)頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、周邊要素、本錢價(jià)格等方面的綜合因素來(lái)確定PCB板的層數(shù).要滿足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造本錢,適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一.對(duì)電源層而言,一般通過(guò)內(nèi)電層分割能滿足多種電源的需要,但假設(shè)需要多種電源供電,且互相交錯(cuò),那么必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面.對(duì)信號(hào)層而言,除了考慮信號(hào)線的走線密集度外,從EMC的角度,還需要考

9、慮關(guān)鍵信號(hào)如時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)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(jiǎn)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(chǎng)合.尤其是高速數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐返腜CB由于沒(méi)有好的參考平面,環(huán)路面積增大而使輻射增強(qiáng),平行走線也不可防止.就EMC要求而言,如果本錢允許,在PCBS計(jì)時(shí)盡量不選擇單面板或雙面板.3.2.2 PCB的層排列PCB的層排列也是有原那么的,合理排列各層對(duì)PCB勺抗干擾水平十分有益.PCB設(shè)計(jì)中層排列的一些根本原那么如下.(1)關(guān)鍵電源平面與其對(duì)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

10、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(shí)獲得較寬的濾波效果.(2)相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不能跨分割區(qū),從而防止形成較大的信號(hào)環(huán)路,降低產(chǎn)生較強(qiáng)輻射和敏感度等問(wèn)題.(3)高頻、高速、時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)有一相鄰地平面,這樣設(shè)計(jì)的信號(hào)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(dòng),形成最小的信號(hào)環(huán)路面積,從而減少輻射.也就是說(shuō),與地線層相鄰的信號(hào)層作為優(yōu)選層進(jìn)行信號(hào)走線.參考面的選擇也應(yīng)優(yōu)選地平面,雖然電源平面、地平面皆可用作參考平面,且有一定的屏蔽作用.但相對(duì)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

11、均作接地處理,并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn),其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面.(4)防止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(jìn)20-H(即20-H原那么,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(gè)干擾源和敏感器,尤其是集成電路等有源器件,具固有的敏感特性和電磁特性(比方頻率特性、輸入/輸出阻抗特性、輸入端的平衡/非平衡特性、翻轉(zhuǎn)時(shí)間等)對(duì)電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生重要影響.因此,元器件的合理布局,不僅更容易實(shí)現(xiàn)原理線路的連通,而且可以保證信號(hào)的完整性,滿足電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn).元器件布局首先

12、應(yīng)滿足系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)殼上.但從電磁兼容性考慮,元?dú)饧牟季猪氉裱恍┕餐脑敲?.3.1 PCB板的空間分割又tPCB板進(jìn)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(shí)施方法就是對(duì)元器件進(jìn)行分組,可以根據(jù)電源電壓上下、數(shù)字器件或模擬器件、高速器件或低速器件以及電流大小等特點(diǎn),對(duì)電路板上的不同電氣單元進(jìn)行功能分組,每個(gè)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(zhǎng)度和最正確的功能特

13、性.高壓、大功率器件時(shí),與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定間距,盡量分開(kāi)布線.建議首先以不同的直流電源電壓來(lái)分組,由于上下電源電壓器件緊挨在一起由于電位差而產(chǎn)生電場(chǎng)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,那么可以再進(jìn)行分組.按電源電壓、數(shù)字及模擬電路分組后可進(jìn)一步按速度快慢、電流大小進(jìn)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(duì)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蝕刻出馬蹄形絕緣溝槽,如下圖.圖2馬蹄形絕緣溝槽示意圖該器件使用的所有信號(hào)進(jìn)出都通過(guò)狹窄的馬蹄形根部的開(kāi)口.噪音電流必然在開(kāi)口周圍經(jīng)過(guò)而不會(huì)接近敏感局部.使用這

14、種方法時(shí),保證所有其他信號(hào)都遠(yuǎn)離被隔離的局部.這種設(shè)計(jì)方法可以防止能夠引起干擾的噪音信號(hào)的產(chǎn)生,保證所有其他信號(hào)都遠(yuǎn)離被隔離的局部.3.3.3 元器件布局時(shí)的其他根本原那么?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),盡量防止從兩側(cè)引出電纜,以便減小共模電流輻射.由于PC阪上有高速數(shù)字信號(hào)時(shí),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(huì)比單極天線產(chǎn)生更大的共模干擾輻射.?I/O驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊靠連接器,防止I/O信號(hào)在板上長(zhǎng)距離走線,耦合不必要的干擾信號(hào).當(dāng)高速數(shù)字集成芯片與連接器之間沒(méi)有直接的信號(hào)交換時(shí),高速數(shù)字集成芯片應(yīng)安排在遠(yuǎn)離連接器處.否那么,高速數(shù)字

15、信號(hào)有可能通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合對(duì)輸入/輸出環(huán)路產(chǎn)生差模干擾,并通過(guò)接口電纜向外輻射.如果高速器件必須與連接器相連,那么應(yīng)把高速器件放在連接器處,盡量縮短走線,然后在稍遠(yuǎn)處安放中速器件,最遠(yuǎn)處安放低速器件.否那么,高速信號(hào)將穿過(guò)整個(gè)印制板才能到達(dá)連接器,可能對(duì)沿途的的中低速電路產(chǎn)生干擾.?高速器件頻率大于10MH或上升時(shí)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遠(yuǎn)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(shí),不要并行靠在一起,由于這樣會(huì)形成空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號(hào),因此他們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個(gè)器件的高度,或

16、者成直角排列以將其互感減到最小.?許多電磁干擾都來(lái)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(jì)拙劣的PCB走線對(duì)信號(hào)的傳輸會(huì)產(chǎn)生極大的影響,導(dǎo)致更多的電磁兼容問(wèn)題,因此布線時(shí)應(yīng)遵循一些普遍準(zhǔn)那么：輸入輸出端的導(dǎo)線盡量防止相鄰長(zhǎng)距離平行,可增大線條間距或走線間插入地線來(lái)減少平行申擾.走線寬度不要突變,不要忽然拐角,拐彎處一般走圓弧或135度角.減小電流流通過(guò)程的導(dǎo)線環(huán)路面積,是由于載流回路對(duì)外的輻射與通過(guò)電流、環(huán)路面積和信號(hào)頻率成正比.減少導(dǎo)線長(zhǎng)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)相鄰線路間的申擾和噪聲耦合

17、最小,應(yīng)予線間隔離以實(shí)現(xiàn)布線別離.設(shè)置分流和保護(hù)線路,對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行隔離和保護(hù).電源線、地線及信號(hào)線走線時(shí),除了要遵循走線的普遍準(zhǔn)那么外,還應(yīng)依據(jù)自身的功能與特點(diǎn)進(jìn)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(duì)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(zhǎng).盡可能使電源單獨(dú)為各功能單元供電,使用公共電源的所有電路盡可能彼此靠近,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升屏蔽效果

18、.數(shù)字地與模擬地分開(kāi),模擬地中低頻地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián),實(shí)際布線有困難時(shí)可局部串聯(lián)后再并聯(lián),高頻地宜采用多點(diǎn)串聯(lián).對(duì)于雙面板,地線布置特別講究,通過(guò)采用單點(diǎn)接地法,電源和地是從電源的兩端接到印制線路板上來(lái)的,電源一個(gè)接點(diǎn),地一個(gè)接點(diǎn).印制線路板上,要有多個(gè)返回地線,并都會(huì)聚到回電源的那個(gè)接點(diǎn)上,就是所謂單點(diǎn)接地.所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開(kāi)分,是指布線分開(kāi),而最后都聚集到這個(gè)接地點(diǎn)上來(lái).與印刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí),通常采用屏蔽電纜.對(duì)于高頻和數(shù)字信號(hào),屏蔽電纜兩端都接地.低頻模擬信號(hào)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(lái)使用,可解決大局部干擾問(wèn)題.電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地屏蔽地、數(shù)字地邏輯地