印刷电路板EMI设计

印刷电路板印刷电路板EMIEMI设计设计目录目录ƒƒ第一章第一章PCBPCB的的EMI/EMCEMI/EMC设计简介设计简介ƒƒ第二章第二章EMCEMC基本观念基本观念ƒƒ第三章第三章电感是什么？电感是什么？ƒƒ第四章第四章接地的谜思接地的谜思ƒƒ第五章第五章回返电流设计回返电流设计ƒƒ第六章第六章控制控制EMIEMI源头源头----意图信号意图信号目录目录ƒƒ第七章第七章源头的控制源头的控制----非意图信号非意图信号ƒƒ第八章第八章对电源对电源//接地平面的去耦合接地平面的去耦合ƒƒ第九章第九章滤波器的设计滤波器的设计ƒƒ第十章第十章用信号完整性方法分析用信号完整性方法分析EMCEMCƒƒ第十一章第十一章印刷电路板的布局印刷电路板的布局ƒƒ第十二章第十二章有孔缝的屏蔽机壳有孔缝的屏蔽机壳第一章第一章PCBPCB的的EMI/EMCEMI/EMC设计简介设计简介EMI/EMCEMI/EMC问题都是因为器材内的导体上有问题都是因为器材内的导体上有快速交变的电流（快速交变的电流（di/dtdi/dt电流的变化率）。电流的变化率）。使得设备内的走线或连接缆线以及连到外使得设备内的走线或连接缆线以及连到外部的线缆都有可能成为天线。天线可能接部的线缆都有可能成为天线。天线可能接受或发射电磁能量，使设备被干扰或去干受或发射电磁能量，使设备被干扰或去干扰别的设备。扰别的设备。基本要点基本要点ƒƒEMIEMI的干扰源的干扰源ƒƒ接地接地ƒƒ屏蔽屏蔽ƒƒ滤波滤波EMIEMI的干扰源的干扰源ƒƒEMIEMI源头是来自源头是来自ICIC中的高速切换电流。中的高速切换电流。ƒƒ几乎所有的几乎所有的EMIEMI都来自于产品某处存在的共都来自于产品某处存在的共模电流，而这些共模电流都来自于某些功模电流，而这些共模电流都来自于某些功能的电流能的电流((这些有用信号能量转化成无用的这些有用信号能量转化成无用的干扰能量干扰能量))，是由于我们没能控制好这些工，是由于我们没能控制好这些工作电流的返回路径而引起的。作电流的返回路径而引起的。ƒƒ我们要对每根有潜在威胁的线的返回路径我们要对每根有潜在威胁的线的返回路径进行仔细分析，减少共模电流的产生。进行仔细分析，减少共模电流的产生。接地接地ƒƒ接地是看似简单，其实是很有艺术性的，接地是看似简单，其实是很有艺术性的，不同的接地其测试结果相差很多！不同的接地其测试结果相差很多！ƒƒ地的定义和种类很多，有防雷接地，保护地的定义和种类很多，有防雷接地，保护接地，机壳接地，信号参考接地。接地，机壳接地，信号参考接地。ƒƒ地并不是我们想象中的没有电压波动（为地并不是我们想象中的没有电压波动（为0V0V），其实它像我们的大海，粗看很平），其实它像我们的大海，粗看很平（用示波器看）坦，当细看时它也是惊涛（用示波器看）坦，当细看时它也是惊涛骇浪，风起云涌并不平静（用频谱仪看）。骇浪，风起云涌并不平静（用频谱仪看）。屏蔽屏蔽ƒƒ屏蔽是将电磁波能量束缚在某些位置，减少向其屏蔽是将电磁波能量束缚在某些位置，减少向其他地方传输的能量他地方传输的能量,,可以隔离内外的电磁干扰。可以隔离内外的电磁干扰。ƒƒ电磁波在空气中传播阻抗很高电磁波在空气中传播阻抗很高377377欧，而屏蔽体欧，而屏蔽体却很低，所以电磁波在到达屏蔽体后会被反弹回却很低，所以电磁波在到达屏蔽体后会被反弹回去，穿透的部分去，穿透的部分,,也会被部分吸收也会被部分吸收,,因而可以隔离电因而可以隔离电磁杂讯。磁杂讯。ƒƒ由于屏蔽壳与内部电路的距离很近，低频电磁波由于屏蔽壳与内部电路的距离很近，低频电磁波在从内部到达屏蔽体时并非平面电磁波，电路与在从内部到达屏蔽体时并非平面电磁波，电路与屏蔽体耦合现象与它们的距离关系很大。屏蔽体耦合现象与它们的距离关系很大。小结小结ƒƒEMCEMC设计步骤不能看成简单的设计流程。设计步骤不能看成简单的设计流程。ƒƒ在一些地方不能实施时，不能简单的舍在一些地方不能实施时，不能简单的舍弃，而至少能折中处理。简单的舍弃会导弃，而至少能折中处理。简单的舍弃会导致致EMCEMC设计失败。设计失败。第二章第二章EMCEMC基本观念基本观念ƒƒ耦合发生机制。耦合发生机制。ƒƒ信号频谱。信号频谱。ƒƒ谐振效应。谐振效应。ƒƒ潜在干扰源。潜在干扰源。ƒƒ信号必要的内涵。信号必要的内涵。耦合发生机制耦合发生机制ƒƒ电场耦合电场耦合------------是因为是因为位移电流的电容效应位移电流的电容效应而产生。起耦合作用而产生。起耦合作用的分布电容不是实体的分布电容不是实体电容电容,,它不可见的它不可见的..耦合发生机制耦合发生机制ƒƒ磁场耦合磁场耦合--------------是因传是因传导电流的电感效应而导电流的电感效应而产生。起耦合作用的产生。起耦合作用的分布电感也不是实体分布电感也不是实体电感电感,,它也不可见的它也不可见的..耦合发生机制耦合发生机制ƒƒ电磁场耦合电磁场耦合--------------是因是因传导电流的电感效应传导电流的电感效应和电容效应同时存在和电容效应同时存在而产生。在大多场合而产生。在大多场合下电场耦合和磁场耦下电场耦合和磁场耦合都同时存在合都同时存在,,只是成只是成分多少而已分多少而已!!信号频谱信号频谱ƒƒ时域和频域的关系时域和频域的关系ƒƒ方波信号频谱方波信号频谱ƒƒ梯形波信号频谱梯形波信号频谱ƒƒ随机信号频谱随机信号频谱时域和频域的关系时域和频域的关系ƒƒ同一信号表现在时域和频域的信息是一样同一信号表现在时域和频域的信息是一样的，可以用傅立叶转换。它们只是从不同的，可以用傅立叶转换。它们只是从不同角度观察信息内容的。角度观察信息内容的。时域和频域的关系时域和频域的关系时域和频域的关系时域和频域的关系周期信号频谱周期信号频谱----方波方波ƒƒ周期信号的能量只在周期信号的能量只在基波的倍频上出现。基波的倍频上出现。ƒƒ方波的高频随频率的方波的高频随频率的变化很缓慢变化很缓慢((相对于梯相对于梯形波形波))，因而容易造成，因而容易造成EMIEMI问题，有条件尽量问题，有条件尽量减缓波形的跳变沿。减缓波形的跳变沿。ƒƒ右图中实线为方波的右图中实线为方波的波形和频谱，虚线为波形和频谱，虚线为体形波的。体形波的。梯形波信号频谱特征梯形波信号频谱特征ƒƒ脉冲的宽度决定了梯脉冲的宽度决定了梯形波的第一个转折点。形波的第一个转折点。ƒƒ脉冲的上升沿宽度决脉冲的上升沿宽度决定了梯形波的第二个定了梯形波的第二个转折点。转折点。随机信号频谱随机信号频谱ƒƒ随机信号的能量被分随机信号的能量被分散到以基波为中心的散到以基波为中心的更宽的区域。下图是更宽的区域。下图是用用MAXMAX--HOLDHOLD的功能的功能记录频谱的变化。因记录频谱的变化。因而降低了谐波峰值处而降低了谐波峰值处的能量，使产品更容的能量，使产品更容易通过测试。易通过测试。谐振效应谐振效应ƒƒ由于实体的物理尺寸与其上传输的信号的由于实体的物理尺寸与其上传输的信号的频率及谐波出现电磁共振，称为谐振。频率及谐波出现电磁共振，称为谐振。ƒƒ由于谐振的产生，使得传输线、线缆和散由于谐振的产生，使得传输线、线缆和散热器成为某些频率信号有效的发射器，增热器成为某些频率信号有效的发射器，增加了辐射的强度。加了辐射的强度。ƒƒPCBPCB、、PCBPCB走线、外部线缆、金属机壳、走线、外部线缆、金属机壳、屏蔽室等都可能产生谐振。屏蔽室等都可能产生谐振。潜在干扰源潜在干扰源ƒƒPCBPCB上的上的ICIC、走线以及外部电缆都可能是、走线以及外部电缆都可能是干扰源。只要有电荷的流动干扰源。只要有电荷的流动((辐射或耦合辐射或耦合))或或累计累计((可能发生可能发生ESD)ESD)都有可能成为潜在干扰都有可能成为潜在干扰源。源。屏蔽产品屏蔽产品ƒƒ有了金属外壳的屏蔽保护，电磁波不会直接有了金属外壳的屏蔽保护，电磁波不会直接ICIC或或内部走线辐射出来，但内部走线辐射出来，但ƒƒ1,1,它可能从机壳的孔缝泄露出去。它可能从机壳的孔缝泄露出去。ƒƒ2,2,它也可能从设备外接电缆泄露出去它也可能从设备外接电缆泄露出去..ƒƒ所以屏蔽体上的开口和引出线将破坏其屏蔽效能。所以屏蔽体上的开口和引出线将破坏其屏蔽效能。ƒƒ屏蔽体上的开口既会泄漏干扰，也可能产生空间屏蔽体上的开口既会泄漏干扰，也可能产生空间谐振放大干扰谐振放大干扰((形成缝隙天线形成缝隙天线))。。ƒƒ外接的外接的I/OI/O电缆一般较长电缆一般较长,,是电磁辐射的有效天线是电磁辐射的有效天线,,设计时需特别注意设计时需特别注意!!非屏蔽产品非屏蔽产品ƒƒ没有了金属外壳的屏蔽保护，没有了金属外壳的屏蔽保护，PCBPCB上的上的ICIC、、散热器、散热器、CLOCKCLOCK走线等都会有很重的辐射。走线等都会有很重的辐射。外出走线也需考虑被内部杂讯耦合的可外出走线也需考虑被内部杂讯耦合的可能，需要处理好每个细节能，需要处理好每个细节,,也可以在也可以在PCBPCB上上装区域的屏蔽装区域的屏蔽,,以保护重要的电路或减少重以保护重要的电路或减少重杂讯的电路向外辐射。杂讯的电路向外辐射。必要信号的内涵必要信号的内涵ƒƒ弱电的弱电的PCBPCB上是电流导致辐射，而非电压。要密上是电流导致辐射，而非电压。要密切关注重要信号电流的变化！切关注重要信号电流的变化！ƒƒ有些有些ICIC之间的电压波形相差不大，但电流波形相之间的电压波形相差不大，但电流波形相差却很大。这样使得在高频的辐射相差很大。如差却很大。这样使得在高频的辐射相差很大。如钳位二极管在钳位时，两端的电压变化很小钳位二极管在钳位时，两端的电压变化很小((因为因为电压被钳位电压被钳位))，电流变化却很大（可根据二极管的，电流变化却很大（可根据二极管的伏安特性可知伏安特性可知,,特别在高频段的电流），这时会发特别在高频段的电流），这时会发现干扰有明显的变化。现干扰有明显的变化。ƒƒ由于高频比低频有更高的辐射效率，故要对高频由于高频比低频有更高的辐射效率，故要对高频的电流更加关注。的电流更加关注。第三章第三章电感是什么？电感是什么？ƒƒ电感常被大家误解，在现实的电感常被大家误解，在现实的EMCEMC设计却设计却很重要，因为在高频时是主要的限制因素。很重要，因为在高频时是主要的限制因素。ƒƒ电感的存在是因为有电流流在一个环路上。电感的存在是因为有电流流在一个环路上。没有环路（包括看得见的和看不见的环路）没有环路（包括看得见的和看不见的环路）就没有电感。环路的大小决定了电感的大就没有电感。环路的大小决定了电感的大小。小。ƒƒ只要使用金属且有电流流动，就会有电感。只要使用金属且有电流流动，就会有电感。可以说高频时电感可以说高频时电感((寄生或分布寄生或分布))无处不在，无处不在，更无法忽略，需更加重视。更无法忽略，需更加重视。电磁感应电磁感应ƒƒ当电流在一个环路中随时间而变，伴随着当电流在一个环路中随时间而变，伴随着电流的磁场也同时变化，而这变化着的磁电流的磁场也同时变化，而这变化着的磁场切过一个导体场切过一个导体((包括原本电流流过的导体包括原本电流流过的导体))会在导体上感应出一个大小正比于导体的会在导体上感应出一个大小正比于导体的磁通量对时间的变化率的电压磁通量对时间的变化率的电压..自感自感ƒƒ自感自感------电流的磁场变化时，变化着的磁场电流的磁场变化时，变化着的磁场切过原本电流流过的导体产生的电感磁应切过原本电流流过的导体产生的电感磁应..ƒƒ一个导体中的电流既会在导体外部产生磁一个导体中的电流既会在导体外部产生磁场感应场感应((外自感外自感))也会在导体内部产生磁场感也会在导体内部产生磁场感应应((内自感内自感).).ƒƒ局部自感，当我们只关注电路某一小段的局部自感，当我们只关注电路某一小段的电感（单位长度的自感）时引入用以，利电感（单位长度的自感）时引入用以，利于评估它在整个电路中贡献。于评估它在整个电路中贡献。ƒƒ自感是所有局部自感的总和。自感是所有局部自感的总和。内自感内自感ƒ当导体