PCB电磁兼容设计（PPT101页)

PCB电磁兼容技术—湖南商务职院PCB制板及产品调试项目1：电子钟PCB制板及电路调试电子钟PCB制板及电路调试的典型工作任务分析-学习目标，-学习与工作内容，-学时要求，-教学方法与组织形式说明，-学业评价方式。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院电磁兼容的英文为ElectromagneticCompatibility，简称EMC。电磁兼容技术是一门迅速发展的综合性交叉学科，研究PCB设计中的电场与磁场的兼容性。EMC技术涉及的频率范围0~400GHz，研究PCB设计中的电场与磁场的兼容性。设备和系统的设计、研制、生产、使用和维护都要运用EMC技术。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院10.1电磁兼容的基本知识电磁波作为一种资源，已在0～400GHz宽频范围内广泛地用于信息技术产品中。伴之而来的电磁干扰也从低频段到微波波段，无孔不入地辐射或传导至设备系统以及周围的环境，给设备甚至社会生产活动和人体健康带来了越来越严重的危害。10.1.1电磁兼容及相关概念设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•1、设备或系统产生的电磁干扰，不应对周围造成不能承受的影响；也不应对周围环境造成不能承受的“污染”；•2、设备或系统对来自周围的电磁干扰，应具有足够的防御能力。•研究内容：电磁兼容设计、电磁兼容测试、电磁兼容标准及EMC预测。•EMC的三要素：干扰源、耦合通路和敏感体。切断任何一项都可解决电磁兼容问题。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•电磁环境是由空间、时间和频谱三大要要素组成的。•2.电磁兼容相关概念•电磁干扰（EMI）会引起设备、传输通道或系统性能下降。•电子系统受干扰的路径主要是通过电源、信号线或控制电缆、场渗透，最后经过天线直接进入；PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•另外还有电缆耦合（其它设备的传导干扰），电子系统内部场耦合（其它设备的辐射干扰），电子外部耦合到内部场，宽带发射机天线系统，外部环境场等等。•电磁骚扰（ElectromagneticDisturbance）是指任何可能引起设备、装置或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰有下列三种表现表形式：电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•电磁辐射：是以电磁波形式由波源发射到空间的现象或以电磁波的形式存在于空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引伸，电磁感应现象也包含在内。•电磁噪声（ElectromagneticNoise）是一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可与有用信号叠加或组合，有时也称为电磁环境。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院共模干扰(CM)和差模干扰(DM)：共模干扰存在于电源任何一相线与大地或中线与大地间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是载流导体与大地之间的干扰。差模干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰，这是载流导体之间的干扰。共模干扰表明干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来的。而差模干扰则表明干扰是源于同一条电源电路的。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•高能量、高频率、高密度的发射源增多，会使系统的辐射加重，干扰信号增强。•电磁辐射污染己被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一。据调查，长期接受高频电磁辐射，会对眼睛、神经系统、生殖系统、心血管系统、消化系统及骨组织造成严重的不良影响，甚至危及生命。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院10.1.2电磁兼容的三要素电磁兼容的三要素是干扰源、耦合途径、敏感设备。切断以上任何一项都可解决电磁兼容问题。解决电磁兼容问题要从以下方面入手研究：电磁骚扰源，包括其频域和时域特性、产生的机理以及抑制措施等；电磁骚扰传播特性；敏感设备抗干扰的能力；电磁兼容性问题的测量方法；系统内及系统间的电磁兼容性。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院1．干扰源传导干扰、空间干扰2．耦合途径电磁干扰的传播途径有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰’’(ConductedInterference)，也有通过空间直接传播的“空间干扰”(RadiatedInterference)。前者归属于频率较高的部分(30MHz)，后者则是较低频的部分(30MHz)。传导干扰是指一个电网络信号通过导电介质，耦合(干扰)到另一个电网络。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院比如开空调时，室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用同_电源的荧光灯受到影响。通常采用的解决方法是通过去耦来消除传导性干扰，比如给发生源及被干扰设备的电源线安装滤波器，或者将信号线改为光纤。辐射干扰是指干扰源通过空间，把信号耦合(干扰)到另一个电网络。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的管脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。由于传播途径是空间，解决辐射干扰的方法除前面所讲的滤波之外，还要对设备进行屏蔽方能有效。辐射发射有两种基本类型：差模(DM)和共模(CM)。一般设备的电源线和通信线路，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线作去路，地线作返回路传输。前者就是“差模”，后者是“共模”。•干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路，这种干扰是比较容易消除的。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线作去路，地线作返回路传输。前者就是“差模”，后者是“共模”。•干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路，这种干扰是比较容易消除的。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•但在实际电路中，由于两根导线终端与地线之间的阻抗不平衡，会出现模式的相互转换。即通过导线传递的一种模式在终端反射时，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。•通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会相互转化，所以情况十分复杂。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院总而言之，当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰；当它们的尺寸比波长大时，主要问题是辐射干扰。3．提高设备抗耦合干扰性能(1)电路性耦合针对电路性耦合的电磁兼容设计方法是：①对共电源内阻产生的电磁干扰，可使用不同的电源分别供电。②对共回路导线产生的电磁干扰，可以对导线阻抗加以限制或去耦。共回路导线的阻抗包括电阻和电感。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•a限制电阻的方法：增大共回路导线的截面积，减少共回路导线的长度和降低接触电阻。•b限制电感的方法：减小共回路导线的长度和导线间的距离。•c电路去耦的方法：去掉共回路导线，而将不同的回路仅在一点接地。•③对共地阻抗产生的电磁干扰，可以想办法降低共地阻抗。•④电位隔离。•电位隔离有机械、电磁、光电和浮地4种隔离方式，其实质是人为地造成电位隔离，以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•(2)电容性耦合•任何两个导体之间都存在着电容。•针对电容性耦合的电磁兼容设计方法是：•①尽可能减小干扰源U1的幅值和干扰源的变化速度ω。•②耦合电容设计得尽可能小：加大两个导体间的距离，缩短两个导体的长度，避免两个导体平行走线。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•④屏蔽•屏蔽的目的：切断干扰源和被干扰对象之间的电力线。•屏蔽的方法：采用与干扰源基准电位相连的屏蔽或者与被干扰对象基准电位相连的屏蔽，或者上述两者都用。当导线的长度小于工作信号波长的l／20时，采用单点接地，否则采用多点接地。接地的长度要尽可能短。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•⑤平衡•平衡的目的：当干扰源和被干扰对象的基准电位是相互独立时，可以采用平衡的方法使干扰源和被干扰对象的耦合电容平衡，以免除电容性耦合的电磁干扰。•平衡的方法：干扰源和被干扰对象均采用绞合导线；采用四芯导线使干扰源和被干扰对象的导线交叉对称。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•(3)电感性耦合•任何两个回路之间存在着互感。互感值与介质的磁导率触成正比，并与两个回路的几何尺寸有关。•针对电感性耦合的电磁兼容设计方法是：•①尽可能减小干扰源电流的变化速度。•②尽可能减小两个回路的互感：加大两个回路间的距离；缩短两个回路的长度；避免两个回路平行走线；缩小两个回路的面积，并降低重合度。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•③屏蔽、•屏蔽的目的：切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线。•屏蔽的方法：采用铁磁性导体的静态磁屏蔽，采用良导体感应涡流的动态磁屏蔽。•④平衡•平衡的目的：采用平衡的方法减小或免除电感性耦合的电磁干扰。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•(4)辐射性耦合•辐射性耦合是电磁场通过空间耦合到被干扰对象。•针对辐射性耦合的电磁兼容设计方法是：•①采用空间分离的方法，把容易相互干扰的设备和导线安排得远一些，并调整电磁场矢量方向，使接收设备耦合的干扰电磁场最低。•②采用时间分离方法，把产生辐射的设备和易接收辐射的设备安排在不同的时间工作。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•③采用频率分离方法，使产生辐射的设备和易接收辐射的设备的工作频率不同。•④采用屏蔽措施，用屏蔽材料将被干扰对象封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值。屏蔽的效果用屏蔽系数来衡量。•⑤减小天线的有效高度。•⑥减小环线面积。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院10．1．3印刷电路板中的电磁兼容问题及防治措施电子产品越来越趋向高速、宽带、高灵敏度、高密度和小型化，这种趋势导致了EMC问题更加严重。高速数字电路PCB是一个典型的代表，PCB的电磁兼容问题是目前高速PCB设计中急待解决的技术难题。电磁兼容的防治是一项系统工程,应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都予以充分的考虑和实施。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•电磁兼容对设备的要求有两个方面：一是设备工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响；另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感。前一方面的要求称为干扰发射(EMI)要求，后一个方面的要求称为敏感度(EMS)或抗扰度要求。对设备的电磁兼容要求。可以进一步分为传导发射、辐射发射、传导敏感度(抗扰度)、辐射敏感度(抗扰度)。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院1．电磁兼容问题（1）印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音和电磁耦合印刷电路板中带状线、电线、电缆间的串音是印刷电路板中存在的最难克服的问题之一。这里所说的串音是较广意义上的串音，不管其源信号是有用信号还是噪声，串音用导线的互容和互感来表示。当在EMC预测和解决EMI问题时，首先应确定发射源的耦合途径是传输的、辐射的、还是串音的。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•一般来说，在高频时电容耦合是主要的，但如果源阻抗或接收器之一或两者都采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地，则磁场耦合将是主要的。另外，低频一般有较低的电路阻抗，电感耦合是主要的。•通过串音预测，可以保证PCB上数字和模拟信号适当的间距。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•（2）数字电路PCB使电子产品的电磁辐射加重•计算机等电子设备的电路一般都是用数字电路PCB实现的，在很多情况下，数字电路PCB产生的辐射问题要比模拟电路PCB更严重。•由于数字电路的驱动电流较大，致使辐射的强度也较大；而高速时钟脉冲和数字信号又使得辐射频带加宽。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院•PCB电磁辐射分两种基本类型：差模辐射与共模辐射。差模辐射的特点取决于闭合环路中电流特性；共模辐射由对地的干扰(噪声)电压引起。•电磁辐射主要表现在：对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰；另一方面造成潜在的信息泄漏问题。PCB电磁兼容技术—湖南商务职院影响PCB电磁辐射的因素主要是PCB的结构和激励因素：PCB的结构