电磁兼容与PCB设计
第 5 章
EMC抑制的基本概念
本章内容
?镜像面概念
?元件间环路面积的控制?三种主要的接地方法?分区法和隔离法
5.1
镜像面概念
1. 镜像面(The Image Plane)
?The image plane provides an optimal return path back to source for RF currents (flux return), reducing crosstalk and emissions.?It can be :
- Ground plane
- Power plane
- Isolated layers
- Chassis
?No signal trace must be present on the image plane
?To many through hole components can destroy an image plane
RF 电流必须通过路径返回到它的源-通过镜像面
-可使RF 电流通过紧密耦和返回到它的源- 减小接地噪声电压(紧密耦合—实心板)E
RF 电流回路
RF 回路上中断点
不良结构RF 电流回路
镜像面上信号线
信号线
接地层
信号回路是接地层上信号线的镜像
双层板，四层板、多层板 (Multi-layer PCBs)
Muiti Muiti Muiti-layers board can significantly help reduce EMC problems if
-layers board can significantly help reduce EMC problems if used correctly. They can ?reduce signal trace inductance -reduce total loop areas -simplify routing
Signal 1 (best for high threat)Ground
Power Signal 2
Typical 4-layers PCB Typical 4-layers PCB stackup stackup stackup:
:
2.镜像面的工作原理
镜像层的工作与PCB板中的电感有关，PCB板中存在3
种不同的电感：
?局部电感：在线路或PCB走线中的电感
?局部自感：导体由于磁通量的存在而产生的内部电感。?局部互感：一段走线与另一段走线之间的电感，或两个导体之间存在的局部互感。
L P2
L P1
M P S I 1
V 1+
V 1-I 2
V 2+
V 2-dt
dI M dt dI L V dt dI M dt dI L V p
p p
p 1
2222
111+=+=dt
dI M L V dt dI M L V p p p p 1
221
11)
()
(??=?=线路1为信号线
线路2为RF 返回线路
要减小通过导体的电压降，必须提高两个并联导体之间的互感，而增大互感的方法就是使互感，而增大互感的方法就是使RF RF RF回路与信号线尽量靠回路与信号线尽量靠近，使它们彼此之间的距离达到可以制造出的最小值。
555.0nH
242.2nH
12.7nH
1/16in （0.16cm ）
484.8nH 207.3nH 9.32nH 1/8in （0.32cm ）414.7nH 172.4nH 6.12nH 1/4in （0.63cm ）344.9nH 137.9nH 3.23nH 1/2in （1.25cm ）20in 10in 1in 一般长度
导体之间距离互感与两条并行导线之间的距离以及长度有关，两条并行导线之间的距离越小，互感越大；两条并行导线的长度越
长，互感越大长，互感越大
。
3. 网格接地系统
减小走线电感的有效方法，并提供射频电流返回。?仅用于单面和双面PCB
?多层结构采用镜像层更加有效
?PCB上包括水平和垂直接地路径
?网格大小通常为0.5 in，最大可接受的网格尺寸为波长的1/20，（基于网格可承受的最高频率）?双面板：ｘ轴在顶层布线，ｙ轴在底层布线
接地网格
信号线
射频回路电流
网格状接地结构
双面板的地线网格
5.2
元件间环路面积的控制
R
L f I E s /)(×××=)
/1()(10
2632
16
R I A f E s ×××××=?1. 元件间环路面积的控制
差模辐射共模辐射r
I Af E 3802
=
高频辐射与引线电感、环路面积、频率、电流等因素有关
Vcc
GND
Vcc
GND
典型
最佳
2. 高频和低频回流路径
2
0)
/(11
)(H D H I D i +?=π最大信号回流密度：
对低频信号：
回流电流沿最小电阻最小的路径，或几何上最短的路径； 对高频信号：
高频电流流经电感最小的路径。
引线电感、环路面积主要与一下因素有关：
?元件的封装
?元件的放置
?布线
?PCB连接方式（多层板可减小射频电流）
IC
IC
小环路 面积
电源
地
r
I Af E 3802
=
大环路面积易产生ESD-感应场
电源层接地层
IC IC
电源层接地层可减小电源分配系统电感，从而减小板上电压降，减小潜在ESD 破坏
小环路面积产生小的ESD-感应场
IC IC
大环路面积
电源
地?元件的放置及PCB连接方式
多层板可减小射频电流
?布线:
环路面积的减小 ?信号环路重叠
3. 接地回路的控制
?回路是RF能量传播的主要贡献者
?RF电流试图通过任何路径或媒质返回到它的源，包括：器件、机壳、地层、相邻的走线或其他路径
?RF能量总是在源和负载之间存在返回路径—有电位差
?线路电感导致源和被影响的电路之间产生RF电流的磁耦合?接地和信号返回环路的控制是抑制PCB电磁干扰的重要内容?高速逻辑器件和振荡器应放在距离接地点尽可能近的位置，以减小涡流和接地底板之间形成回路
信号线不能跨越地层上的隔缝
5.3
三种主要的接地方法
PCB电磁兼容性设计报告 学科专业: 测控技术与仪器 本科生: 张亚新 学号: 1002445 班号: 232121 指导教师: 宋恒力
中国地质大学( 武汉) 自动化学院 10月24号
PCB电磁兼容性设计 摘要: 随着信息化社会的发展, 电子设备已被广泛应用于各个领域。各种电了产品趋向于小型化、智能化, 电子元器件也趋向于体积更小、速度更高、集成度更大, 这也导致了她们在其周围空间产生的电磁场点评的不断增加。由此带来的电磁兼容问题也日益严重。因此, 电磁兼容问题也就成为一个电工系统能否正常工作的关键。同样, 随着电子技术的飞速发展, 印刷电路板( PCB) 的密度越来越高, 其设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。因此, 对PCB进行电磁兼容性(EMC)设计是非常重要的, 保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键。本文就EMC的历史发展及其在未来电子信息时代中的应用进行分析, 介绍电磁干扰的产生机理和 原因, 并提出了相应抗干扰设计的措施。 关键词: 信息化; 电磁兼容( EMC) ; 电磁兼容性; PCB;
一: 引言 .......................................................................... 错误!未定义书签。二: 电磁干扰与电磁兼容概述. (4) 1、早期历史概述 (5) 2、EMC 技术是随着干扰问题的日趋严重而发展的 (6) 3、电磁干扰对电子计算机等系统设施的危害 (6) 4、EMC在军事领域的发展状况 (7) 三: 电磁兼容学科的发展历史 (5) 四: 中国EMC技术的发展状况 (8) 五: 抗干扰措施与电磁兼容性研究 (8) 1、电路板设计的一般规则 (9) 2、电路板及电路抗干扰措施 (9) 六: 电磁兼容学科发展趋势 (10) 七: 小结 (12) 参考文献 (13) 一、引言 电磁干扰是现代电路工业面正确一个主要问题, 为了克服干扰, 电路设计者不得不赶走干扰源, 或者是设法保护电路不受到干扰源的干扰, 其目的都是为了让电路按照预期的目标开工作——
线路板（PCB ）级的电磁兼容设计 1．引言 印制线路板（PCB ）是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接，它是各种电子设备最基本的组成部分，它的性能直接关系到电子设备质量的好坏。随着信息化社会的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们之间的干扰越来越严重，所以，电磁兼容问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着电于技术的发展，PCB 的密度越来越高，PCB 设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。要使电子电路获得最佳性能，除了元器件的选择和电路设计之外，良好的PCB 布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素。 既然PCB 是系统的固有成分，在PCB 布线中增强电磁兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。但是，在印制线路板设计中，产品设计师往往只注重提高密度，减小占用空间，制作简单，或追求美观，布局均匀，忽视了线路布局对电磁兼容性的影响，使大量的信号辐射到空间形成骚扰。一个拙劣的PCB 布线能导致更多的电磁兼容问题，而不是消除这些问题。在很多例子中，就算加上滤波器和元器件也不能解决这些问题。到最后，不得不对整个板子重新布线。因此，在开始时养成良好的PCB 布线习惯是最省钱的办法。 有一点需要注意，PCB 布线没有严格的规定，也没有能覆盖所有PCB 布线的专门的规则。大多数PCB 布线受限于线路板的大小和覆铜板的层数。一些布线技术可以应用于一种电路，却不能用于另外一种，这便主要依赖于布线工程师的经验。然而还是有一些普遍的规则存在，下面将对其进行探讨。 为了设计质量好、造价低的PCB ，应遵循以下一般原则： 2．PCB 上元器件布局 首先，要考虑PCB 尺寸 大小。PCB 尺寸过大时，印 制线条长，阻抗增加，抗噪 声能力下降，成本也增加； 过小，则散热不好，且邻近 线条易受干扰。在确定PCB 尺寸后．再确定特殊元件的 位置。最后，根据电路的功 能单元，对电路的全部元器 件进行布局。 电子设备中数字电路、模拟电路以及电源电路的元件布局和布线其特点各不相同，它们产生的干扰以及抑制干扰的方法不相同。此外高频、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应该将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外，布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题。 在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图1－①的方式排列元器件。 在元器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。如图1－②所示。 时钟发生器、晶振和CPU 的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。如有可能，应另做电路板，这一点十分重要。 2.1 在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则： (1) 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 (2) 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 (3) 重量超过15g 的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 (4) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。 图1：印制板元器件布置图
PCB的EMC设计 PCB是构成电子设备的基础，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键， 合理正确的PCB的布线和设计应该使得: (l)板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作; (2)PcB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求; (3)外部传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响。 1.1 PCB设计理论基础 1.电磁兼容设计的带宽 在数字电路系统中，电磁兼容设计的带宽与数字电路的工作频率是两个不同的概念，数字系统的工作频率是由信号的重复周期决定的，而电磁兼容性设计的带宽是由信号的上升沿、下降沿决定。器件对电磁辐射的贡献不是取决于系统的工作频率，而是取决于边沿速率。理论研究表明,在进行电磁兼容设计时，主要考虑信号上升沿的十倍频，如公式4一1所示。 式中fmax为谐波频率，fr为需要考虑的电磁兼容性的带宽。 快速的信号切换时间(边沿速率)将导致回流、串扰、阻尼振荡(振铃)及反射等问题的增加。信号的边沿速率与信号的工作频率是两个不同的概念，高的边沿速率不一定是高的频率。例如在实际的应用中，可能系统的工作频率并不高。但如果信号的上升速率过快的话，将会产生较大振铃现象，同样会带来信号完整性的问题。当振铃信号达到器件所能容忍的极限值时会使器件内部的半导体 特性发生变化(电子迁移)、器件发热及功耗加大等现象，造成系统的可靠性降低，并且较快的边沿速率其功耗也越大。 信号的边沿速率与器件的输出强度(输出驱动电流)有直接的关系，过强的输出驱动电流除了能够提高信号的边沿速率之外，还会对周围的器件及传输线造成干扰(Crosstalk)。因此对电磁兼容性(EMI)非常敏感的系统，信号边沿速率是重点需要考虑的，而系统的时钟频率反而放在第二位考虑。 2.器件的分布参数 系统工作在低频情况下，电阻、电感、电容主要表现为集总参数，但当系统的工作频率较高时，元器件特性就较为复杂，这时候的元件就有很大的分布参数存在，比如分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容等。在高频情况下电阻、电感、电容的等效电路如表4一1所示:
PCB电磁兼容性设计报告 学科专业：测控技术与仪器 本科生：张亚新 学号：445 班号：232121 指导教师：宋恒力 中国地质大学（武汉）自动化学院 2014年10月24号
综述： PCB电磁兼容性设计 摘要：随着信息化社会的发展，电子设备已被广泛应用于各个领域。各种电了产品趋向于小型化、智能化，电子元器件也趋向于体积更小、速度更高、集成度更大，这也导致了他们在其周围空间产生的电磁场点评的不断增加。由此带来的电磁兼容问题也日益严重。所以，电磁兼容问题也就成为一个电工系统能否正常工作的关键。同样，随着电子技术的飞速发展，印刷电路板（PCB）的密度越来越高，其设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。因此，对PCB进行电磁兼容性(EMC)设计是非常重要的，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键。本文就EMC的历史发展及其在未来电子信息时代中的应用进行分析，介绍电磁干扰的产生机理和原因，并提出了相应抗干扰设计的措施。 关键词：信息化；电磁兼容（EMC）；电磁兼容性；PCB； 目录 一：引言.................................................... 错误!未定义书签。二：电磁干扰与电磁兼容概述 . (4) 1、早期历史概述 (5) 2、EMC 技术是随着干扰问题的日趋严重而发展的 (6) 3、电磁干扰对电子计算机等系统设施的危害 (6) 4、EMC在军事领域的发展状况 (7) 三：电磁兼容学科的发展历史 (5) 四：我国EMC技术的发展状况 (8) 五：抗干扰措施与电磁兼容性研究 (8) 1、电路板设计的一般规则 (9) 2、电路板及电路抗干扰措施 (9) 六：电磁兼容学科发展趋势 (10) 七：小结 (12) 参考文献 (13)