EMI和分层设计.

电磁兼容分层与综合设计法(2)(2012年5月版本)为回报社会并答谢全国广大新老朋友的厚爱现以最新版本ppt为您免费讲课请联系:Email:[e-mail]@[e-mail]白同云教材:电磁兼容设计(第二版),白同云编著北京邮电大学出版社,2011年6月出版•3.1/tr600MHz•当频率高于600MHz时，去耦电容器中存在的引线电感与电容器产生的自谐振，开始限制这一技术的频率范围，使去耦电容器失效。•1987年YablonovitchE和JohnS提出了周期光子带隙结构（PhotonicBand-GapPBG），即光子晶体的概念.所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。它在接地板上腐蚀出由一定几何图形的单元组成的周期性阵列结构,用以改变衬底的有效介电常数分布,从而改变了传输线的分布参数模型，在一定频段内传播模式也随之改变，从而具有带隙特性。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波波段。微波波段的带隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-GapEBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全倚靠自身结构就可实现带阻滤波，抑制SSN噪声,且结构简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。•由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函数，因此光子晶体按照空间维度可以区分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。•现代高速数字电路的同步开关噪声频带通常为100MHz到10GHz，为了有效消除如此宽频的噪声，人们已经采用许多种手段来拓展EBG结构的阻带，而大多数同步开噪声主要存在于低频段。因此如何降低阻带的下限截止频率，同时保持较宽的阻带带宽是设计的初衷。•33矩形单位晶格阵列印刷电路板中的电源分配系统但是，由于PBG结构模型较复杂，参数也较繁杂，所以在实践应用上受到了一定限制。韩国学者J.I.Park等人在研究光子带隙结构基础上于1999年提出了缺陷接地结构“DefectedGroundStructure(DGS)”。和光子带隙结构类似,缺陷接地结构也能使得微带线具有带隙(bandgap)特性和慢波(slow-wave)特性，。从而可以被应用于:抑制SSN噪声、提高天线增益和带宽、改善效率、提高Q值、制作低通滤波器、功分器等方面。和EBG结构比较,DGS结构简单,易于电磁场理论分析和等效电路建模分析，更适于微波毫米波集成电路实际应用。这是因为，DGS结构仅由1个缺陷单元构成，它的带隙中心频率仅由该缺陷单元结构决定。而EBG结构是由若干个单元组成的阵列构成，它的带隙中心频率由阵列间距、排列方式和几何结构等诸多因素决定。•现用扇形取代正方形，构造出形如蝴蝶结形的DGS结构的缺陷单元，如图所示，并应用于:抑制SSN噪声。虚线部分为蝴蝶结形DGS结构。用普通光刻工艺刻蚀在接地板（或电源平面）上。该DGS结构的缺陷单元具有3个调整要素，即扇形半径L、扇形夹角和连接2个扇形的缝隙宽度g。由于缺陷的存在，改变了电路板介质材料介电常数的分布，从而改变了微带线的有效电感和有效电容，使得由DGS构成的微带线表现出阻带特性。•取其扇形半径L为1.5mm、扇形夹角为60，缝隙宽度g为0.4mm，考虑抑制深度为-24.5dB时，由仿真曲线结果可知S21为18.36-33.50GHz，有效阻带带宽为15.14GHz。蝴蝶结形DGS结构各要素对阻带特性的影响如下：•1)缝隙宽度g的影响•取其扇形半径L为1.5mm、扇形夹角为60，改变缝隙宽度g为0.2mm，0.4mm和0.6mm，对阻带特性的影响如图所示。对应的带隙中心频率分别为25.48GHz，33.50GHz和40.71GHz。随着缝隙宽度g的增加，带隙中心频率相应提高。这是因为，缝隙宽度g的增加，等效于有效电容减小。2）扇形半径L的影响取其缝隙宽度g为0.4mm、扇形夹角为60，改变扇形半径L为1mm、1.5mm和3mm，阻带特性的影响如图。对应的带隙中心频率分别为44.51GHz，33.50GHz和24.46GHz。随着扇形半径L的增加，带隙中心频率相应降低。这是因为，扇形半径L的增加，缺陷面积增大，等效于有效电感增大，导致带隙中心频率降低。3）扇形夹角的影响取其扇形半径L为1.5mm、缝隙宽度g为0.4mm、改变扇形夹角分别取30，60和90，阻带特性的影响如图所示。对应的带隙中心频率分别为47.82GHz，33.50GHz和12.30GHz。随着扇形夹角的增加，带隙中心频率相应降低。这是因为，扇形夹角的增加，缺陷面积增大，等效于有效电感增大，导致带隙中心频率降低。图缝隙宽度g对阻带特性的影响图扇形半径L对阻带特性的影响•综上所述，可以通过改变L、g和，•实现不同要求的带隙中心频率，不同•尺寸的DGS带阻特性总结于表所列：•••表不同尺寸的DGS微带线带阻特性总结（r=2.22，h=0.254mm）图扇形夹角对阻带特性的影响2.5高速电路板设计与信号完整性目前，国内外有关信号完整性(signalintegrity，SI)的研究尚未成熟，其分析方法和实践都没有很好地完善。在基于信号完整性的PCB设计方法中，核心部分就是PCB板级信号完整性模型的建立，这是与传统设计方法的主要区别。SI模型的准确性将决定设计的正确性，而SI模型的可建立性则决定了设计方法的可行性。•PCB是实现信号传输的通道，把信号从一个芯片传输到另一个芯片。PCB设计的好坏直接影响信号传输的性能。在高速系统中，能否处理好系统的信号互连，解决信号完整性的问题，是系统设计成功的关键，也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干扰(EMC/EMI)问题的基础和前提。同时，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得，所以，PCB应实现稳定的电源分配．此外，PCB还应能抑制EMI增强抗扰度.总之，PCB的SI/PI/EMC/EMI性能面临越来越多的挑战．•在PCB设计中,SI/PI/EMI是密切•连系,相互影响的.高速信号前•后沿所携带的高频分量,以及电•源和地噪声引起的共模辐射,会•引发EMI辐射;高速信号由于过•孔换层或跨越电源面分割,造成•的阻抗不连续,引起信号回流路径不理想,造成PI问题.PCB电源或地平面固有的谐振模式被激发也会引起S参数的变化,引起SI问题.EMI的传导和辐射骚扰也会造成电源波动或信号恶化,产生SI/PI问题.所以,同时针对这三个方面进行考察和控制,是高性能PCB系统仿真和设计的必然趋势.1.高速电路设计的特点高速电路设计强调无源元件—互连线,PCB,IC封装等对信号传播的影响(振荡和反射),对信号间相互作用的影响(串扰),及对外界的作用(电磁骚扰)等。随着传输信号频率的提高,必须用电磁波的观点看待电路中传输的信号.高速电路系统工作于较高的时钟频率,信号传输的频率由信号的上升或下降沿决定,而不是由系统的时钟频率来决定.因此,导线就不能被看作是集总参数系统条件下的理想导线,而应被看作是具有分布参数系统条件下的传输线.必须考虑信号反射的影响.反射信号与入射信号的迭加使得信号波形发生畸变.上升或下降沿越小,信号传输时的频率就越高,这种不良作用就会越大.如果系统尺寸为S由tpd=S×tpdo当tr≥6tpd或tpd≤tr/6则称为集总参数系统.反之,如果tr6tpd或tpdtr/6则称为分布参数系统.(参考书:HowardJohnson,MartinGraham:高速数字设计)2传输线传输线是由信号路径和返回路径两条有一定长度的导线组成,而不再使用〝地〞这个词。信号可以被定义成电压或电流.信号总是指信号路径和返回路径之间相邻两点的电压差.如信号在走线上的传输延时tpdtpdtr/6或tr6tpd则该走线判定为分布参数系统,即传输线。必须用电磁波的观点看待电路中传输的信号.传输线不是理想的导体，它们都有有限的电阻，电阻的大小由传输线的长度和横截面积决定。同样的在传输线之间的介质也不可能是理想的绝缘体，漏电流总是存在的，可以用单位长度传输线的漏电导来衡量。此外,还存在电感和电容.1)传输线类型:传输线包括信号路径和返回路径.在中间层的印制线条形成带状线,在表面层形成微带线,两者传输特性不同。(a)微带线:PCB外层的走线,只有一根带状导线和一个参考面.类型:埋式或非埋式.如果线的厚度,宽度,介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的.(b)带状线:介于两个参考面之间的内层走线.类型:埋式或非埋式.如果线的厚度,宽度,介质的介电常数以及与参考面之间的距离是可控的,则它的特性阻抗也是可控的.带状线的场吸收能力强,抗骚扰能力强.适宜布设易被骚扰的模拟电路走线.(c)同轴电缆(Zc=75Ω时传输损耗最小，30Ω时承受功率最大，两者综合，选择50Ω)(d)双绞线(Zc=100-130Ω)线路阻抗用:时域反射计(TDR),阻抗分析仪(VIA),网络分析仪(VNA)测试.≤002)传输线参数数字电路之间用来传输信号的路径称为互连线.tr越小,相应频率越高.互连线不再是简单的导线或信号线,而是由R,L,C,G组成,呈现高频效应的传输线.(a)传输线微分段等效电路模型(长度为dz的RLCG模型):Rdz—导体有限电阻引起的损耗;Gdz—分隔导体和地层的介质的有限电导引起的损耗;Ldz—磁场;Cdz—导体和地层之间的电场.(b)特性阻抗Zc:线上任意点电压波和电流波的比值,即V/I=Zc.因此,Zc=(Z/Y)=[(R+jL)/(G+jC)]=(L/C)•(c)传输速度v=1/(oo)(m/s),传输延迟tpd=s/v(ns),•自由空间传播速度v0=1/(oo)=3108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v0=3.33(ns/m)=3.33(ps/cm).•填充特氟纶r=2.1的同轴电缆,v=v0/r=2.07108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=4.8(ns/m)=48.3(ps/cm).•FR-4PCB,r=4.7,带状线,v=v0/r=1.38108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=7.2(ns/m)=72.3(ps/cm).•微带线由于部分位于空气中,部分位于电介质中,介电常数平均值r'=(1+4.7)/2=2.85,传播速度v=v0/r'=1.777108(m/s),单位长度传输延迟tpd0=1/v=5.6(ns/m)=56.3(ps/cm).•也可按有效介电常数r'=•[(r+1）/2]〕+[(r-1）/2]/•1+10h/w计算。3)传输线效应传输线效应指的是:传输过程中的任何不均匀(如阻抗变化、直角拐角)都会引起信号的反射，反射的结果对模拟信号（正弦波）是形成驻波，对数字信号则表现为上升沿、下降沿的振铃和过冲。这种过冲一方面形成强烈的电磁干扰和对信号完整性的影响.例如:信号在不匹配的传输线两端来回反射形成振铃,上冲和下冲.因此,需要优化拓扑结构,调整互连线阻抗和端接阻抗,PCB尺寸及板层参数,以满足信号完整性要求.单调性噪声容限振铃和多次跨越逻辑电平阈值4)传输延迟和阻抗匹配信号从驱动端到达接收端,再由接收端回到驱动端的传输延时tpd,大于1/6上升或下降时间tr,即tpdtr/6或tr6tpd为高速信号.反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端,如果反射信号很强,叠加后的波形就可能改变逻辑状态.该走线为分布参数系统条件下的传输线。反之,如果传输延时tpd小于1/6上升或下降时间tr,即tpd≤tr/6或tr≥6tpd则为低速信号.来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端,叠加的波形不会改变逻辑状态;这种信号线可不作为传输线处理.而是集总参数系统条件下的理想导线.为了实现信号完整性,必须缩短S,并进行阻抗匹配.例如,必须缩短时钟线.而且,尽量不换层,以保持匹