PCB设计和电磁兼容

电磁兼容简介接地设计技术PCB电磁兼容设计滤波设计技术屏蔽设计技术静电防护设计技术电磁兼容技术讲座2电磁兼容标准简介电磁兼容技术讲座3电磁兼容（性）—EMCEMC—ElectroMagneticCompatibility设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。基本概念4EMC的构成要素电磁兼容性EMC电磁干扰EMI电磁敏感性EMS5电磁骚扰源常见的骚扰源雷电脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器6电磁兼容测量电磁发射测试抗扰性测试电磁兼容标准7电磁发射测试电磁兼容测量传导发射辐射发射接地设计技术电磁兼容技术讲座主要内容接地设计技术地的分类地干扰问题地的拓扑结构实用接地技术什么是地接地设计技术电子工程师：地是电路的基准电压结构工程师：地是设备的金属外壳电工：地是大地，即地球安全地接地设计技术220V0V大地——电子设备的金属外壳与大地相连接，其目的是防止当事故状态时金属外壳上出现过高的对地电压而危及操作人员的安全信号地接地设计技术信号电流流回信号源的低阻抗路径电位基准点接地设计技术电路2电路1电路3设备内各电路的电压参考点地的分类接地设计技术安全地——大地（地球）系统地——信号回路的电位基准点,也称工作地模拟地——连接模拟元器件接地引出端形成的地线数字地——连接数字元器件接地引出端形成的地线保护地——连接保护元器件接地引出端形成的地线二个概念接地设计技术F实际的地（线或平面）一般并不是等电位的电路中的回流总是走最小阻抗的路径导线的阻抗接地设计技术Z=RAC+jL=1/(f)1/2RAC=0.076rf1/2RDC深度r电流0.37II趋肤效应ACACSlRl导线越短、截面积越大，其阻抗越小)()75.043.2ln(2.0HdllL接地引线电感HdbcH)()75.04ln303.2(002.0HdHHL)()2235.05.02ln303.2(002.0HHcbcbHHL各线度量的单位均为cm接地设计技术导线的阻抗接地设计技术频率Hzd=0.65cm10cm1md=0.27cm10cm1md=0.06cm10cm1md=0.04cm10cm1m10Hz51.45173273.28m5.29m52.9m13.3m133m1k4297.14m6328.91m5.34m53.9m14m144m100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.071M426m7.12540m8.28714m10783m10.65M2.1335.52.741.33.57503.865310M4.2671.25.482.87.141007.710650M21.33562741435.750038.5530100M42.65471.477150M63.981107115接地问题－地环路接地设计技术地环路接地问题－地环路接地设计技术VGI接地问题－地环路接地设计技术电路回路⊙HdssHE)(回路面积越大，电路工作时对外产生的电磁骚扰越大回路面积越大，电路工作时抗电磁干扰的能力越小尽可能使回路面积小，特别是对于高频电路接地问题－地环路接地设计技术abcdefI1I2I3地环路P1P2减小地环路影响的对策接地设计技术源负载电路单点接地示意图源负载混合接地示意图C改变接地方式减小地环路影响的对策接地设计技术CPVGVSVNRLC2VG12C1屏蔽金属屏蔽层必须接2点采用隔离变压器减小地环路影响的对策接地设计技术发送接收RLVGVS光耦器件Cp采用光耦器件减小地环路影响的对策接地设计技术采用共模扼流圈发送接收RLVGVS接地问题－共阻抗耦合接地设计技术电路1电路2地电流I1ZgVNVN=I1Zg接地问题－共阻抗耦合接地设计技术I1I2Z2Z1ZgV2V1地的拓扑结构接地设计技术浮地单点接地多点接地混合接地浮地接地设计技术电路2电路1电路3优点：电路与外部的地系统有良好的隔离，不易受外部地系统上干扰的影响缺点：电路上易积累静电从而产生静电干扰，有可能产生危险电压单点接地（串联）接地设计技术电路2电路1电路3单点接地（串联）接地设计技术电路2电路1电路3I1I2I3优点：简单缺点：存在共阻抗耦合单点接地（并联）接地设计技术电路2电路1电路3单点接地（并联）接地设计技术电路2电路1电路3I1I2I3优点：没有共阻抗耦合缺点：接地线过多单点接地接地设计技术电路高频下接地导线的特性高频情况下接地导线与地系统须考虑传输线效应36终端短路时传输线上的阻抗分布长度接近四分之一波长时，其阻抗非常大00.050.10.150.20.25012345678910x1/λabS[Z(x)/Zc]一般要求，接地线长度小于二十分之一波长xU(x)、I(x)cZ,)()()(xIxUxZ接地设计技术多点接地接地设计技术电路2电路1电路3优点：尽可能少的高频干扰问题缺点：有地环路问题混合接地接地设计技术电路3电路1电路4电路2f1MHzf10MHz实用接地技术接地设计技术电路的分类模拟电路•窄带•有增益•低电平（uV,mV）数字电路•宽带•无增益•中电平（V）噪声电路（电源或控制电路）•宽带•高电平（kV）实用接地技术接地设计技术应根据电路的分类及特性来设计设备的地系统电源电路SPG数字电路MPG模拟电路SPG实用接地技术接地设计技术显示电路控制电路数字电路模拟电路供电电路实用接地技术接地设计技术显示电路控制电路数字电路模拟电路供电电路实用接地技术接地设计技术模拟工作地数字工作地电源地保护地保护地汇流条电源地汇流条工作地汇流条机架接地点汇接点实用接地技术接地设计技术220VACLN内部地悬浮实用接地技术接地设计技术220VACLNPE内部地悬浮实用接地技术接地设计技术内部地单点接保护地220VACLNPE实用接地技术接地设计技术对于无法接大地的设备，如果其机身为金属壳体，则将工作地、保护地直接接到其金属壳体上PCB接地设计接地设计技术噪声模拟数字PCB电磁兼容设计电磁兼容技术讲座50基本内容信号的频谱分析干扰源分析布线设计技术叠层设计技术地线设计技术电源完整性（PI）分析PCB电磁兼容设计51信号的频谱分析Tτdtrtrτ=d+tr10.5V(t)t1)2(cos)(nnntTnCTtVTtnTtnTnTnTCrrn)sin()sin(2Ttnrn)(PCB电磁兼容设计52信号的频谱分析A1=2τ/TA2=0.64/TfA3=0.2/Ttrf2谐波幅度1/τ1/tr频率（对数）-20dB/dec-40dB/decA1A2A3PCB电磁兼容设计上升（或下降）时间越短，信号所含高频分量越丰富。53常见逻辑器件的上升时间PCB电磁兼容设计逻辑族CMOSHCMOSTTLLSTTLSTTL开关时间50nS9nS10nS5nS3nS举例：如tr=10nS，则频谱带宽为BW=1/πtr=32MHz逻辑器件是一种骚扰发射较强的、最常见的宽带骚扰源，器件的翻转时间越短，对应的逻辑脉冲所占的频谱越宽。54ΔI噪声干扰PCB电磁兼容设计1324寄生电容共模干扰与差模干扰PCB电磁兼容设计共模干扰PCB电磁兼容设计E=KfLIE--幅射电场强度(远场)f--电流频率L–线的长度I–共模电流大小差模干扰PCB电磁兼容设计E--幅射电场强度(远场)f--电流频率A--回路面积I--回路中电流大小E=Kf2AI58电路的差模抗扰性PCB电磁兼容设计ZGZLV~Hε=KfAHε–电路上的干扰电压f–干扰电磁场频率A--回路面积H–干扰磁场59串扰PCB电磁兼容设计当一根信号线上有高频电流流过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。HHDtrace1trace22)(1),(HDLtKr串扰一个重要的设计原则PCB电磁兼容设计布局、布线时应使所有信号回路面积（特别是高频信号和敏感信号回路面积）尽可能小。信号回流PCB电磁兼容设计低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】信号回流PCB电磁兼容设计信号频率较高时的回流分布63布线设计原则PCB电磁兼容设计3W原则对于时钟线、差分线对、复位线及其它高速强辐射或敏感线路，当线宽为W时，其与相邻线径的中心线距应大于3W。64布线设计原则PCB电磁兼容设计差分线对的3W原则≥2WW≥W≥2W≥W差分线对此间距可根据差分线对的阻抗要求进行调整65布线设计原则PCB电磁兼容设计单面板双面板66不良布线举例PCB电磁兼容设计67布线设计原则PCB电磁兼容设计高速信号线不要在分割区上跨越，不要在无关的参考平面上方穿行。68布线设计原则PCB电磁兼容设计在模拟电路和射频电路设计中，以及没有电源地平面的双面板中，常常用保护线来对关键信号进行保护，使其免受其它信号的串扰。一般保护线连接地网络，并在线的两端与地相接。频率很高时，保护线上用多个过孔接地。对于有完整地平面的数字电路，一般不用保护线。69布线设计原则PCB电磁兼容设计高速信号的走线不允许出现锐角和直角。1GHz以上的信号应该尽量使用圆弧走线。为了减少高频信号的辐射和干扰，高频信号尽量安排在内层。差分对应平行等距等时延走线，保持对称，使电路对共模干扰有良好的抑制。70布线设计原则PCB电磁兼容设计？时钟线应避免换层71布线设计原则PCB电磁兼容设计任意相邻的信号层应尽可能采取垂直正交的布线方向。GroundGroundS1S2S3S472布线设计原则PCB电磁兼容设计不要在单板上布设无意义的线；测试线应尽可能短；不要在信号层上敷地时形成长条导线。信号层上信号线之间的地应通过足够多的过孔接到地平面。73布线设计原则（例）PCB电磁兼容设计74布线设计原则（例）PCB电磁兼容设计75布线设计原则（例）PCB电磁兼容设计76扁平电缆的使用PCB电磁兼容设计最好较好差较好但端接困难77共模干扰的抑制PCB电磁兼容设计PCBPCB共模回路高频磁环叠层设计PCB电磁兼容设计TopGroundPowerBottomTopGroundPowerBottom四层板叠层设计PCB电磁兼容设计六层板（性能一般）TopGroundPowerBottomS1S2TopGroundPowerBottomS1S2叠层设计PCB电磁兼容设计六层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundS1叠层设计PCB电磁兼容设计八层板TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S2TopGroundPowerBottomGroundS1S2S3性能一般性能好叠层设计PCB电磁兼容设计十层板TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2S4TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S4S2S3叠层设计PCB电磁兼容设计十层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2Ground地层设计PCB电磁兼容设计20H原则20H→3mm10H→20H→70%100H→98%地层设计PCB电磁兼容设计对于多层板，应保证地平面的完整性，地平面内不应有大的开口。提供较稳定的参考电平提供小的信号回路面积使信号线具有确定的和较均匀的特性阻抗可以控制信号间的串扰优点：：86举例地层设计PCB电磁兼容设计87举例地层设计PCB电磁兼容设计信号层地层88地层设计(例)PCB电磁兼容设计89地层设计(例)PCB电磁兼容设计90地层设计(例)PCB电磁兼容设计91举例（bad）地层设计PCB电磁兼容设计92地层设计PCB电磁兼容设计确保PCB上没有孤立铜皮；各铺铜区域、设备内部的金属（如散热器、加固条、金属外壳等），都要良好的接地。93地层设计PCB电磁兼容设计当PCB中有多个地平面层时，应该