邵小桃-电磁兼容和PCB设计-Chp2

第第第第第第第第22222222章章章章章章章章PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容中的电磁兼容电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与电磁兼容与PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB设计设计设计设计设计设计设计设计•PCBPCBPCBPCB设计概念设计概念设计概念设计概念•PCBPCBPCBPCB产生产生产生产生EMIEMIEMIEMI的原因的原因的原因的原因•共模和差模电流共模和差模电流共模和差模电流共模和差模电流•通量消除的概念与方法通量消除的概念与方法通量消除的概念与方法通量消除的概念与方法本章内容本章内容本章内容本章内容2.12.12.12.12.12.12.12.1PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB设计概念设计概念设计概念设计概念设计概念设计概念设计概念设计概念1.定义:印刷电路板(PCB)PrintCircuitBoard•产品中电路元件和器件的支撑件•支持电路元件和器件之间的电气连接（1111）基材和基板（2222）PCBPCBPCBPCB的工作层面（3333）元器件的封装（4444）铜膜导线（5555）焊盘（6666）过孔制造工艺和构成元素2.PCB基本设计构成•电路设计•建立元件库•元件布局•分层•布线•焊接•电路测试3.3.3.3.高速PCBPCBPCBPCB设计中的问题时序问题传输线效应信号沿时间下降信号沿时间接近0.5ns0.5ns0.5ns0.5ns4.4.4.4.高速PCBPCBPCBPCB设计策略与设计方法（1111）优化元器件的选择（2222）传输线的建模（4444）阻抗控制技术（5555）设计空间探测技术（3333）终端匹配技术设计原理原理图仿真PCB设计passSIPIEMCpassPCB性能测试PCB制版ENDENDENDENDNNNNNNNNYYYYYYYY5.国内外PCB设计常用工具•MentorGraphicsMentorGraphicsMentorGraphicsMentorGraphics（egegegeg....BlazeRouterBlazeRouterBlazeRouterBlazeRouterVerVerVerVer5.0.15.0.15.0.15.0.1）•Cadence(Cadence(Cadence(Cadence(egegegeg.ConceptHDL5.2,allegro).ConceptHDL5.2,allegro).ConceptHDL5.2,allegro).ConceptHDL5.2,allegro)（高速PCBPCBPCBPCB设计与仿真工具SPECCTRAQuestSPECCTRAQuestSPECCTRAQuestSPECCTRAQuest）•PowerPCBPowerPCBPowerPCBPowerPCB•UltraCADUltraCADUltraCADUltraCAD•LatticeLatticeLatticeLattice•ProtelProtelProtelProtel////ProtelProtelProtelProtelSESESESE•HyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynx软件介绍HyperLynxHyperLynxHyperLynxHyperLynx软件介绍布线前的信号完整性模拟仿真布线前的信号完整性模拟仿真布线前的电磁兼容性分析布线前的串扰（CrosstalkCrosstalkCrosstalkCrosstalk）分析布线后的串扰（CrosstalkCrosstalkCrosstalkCrosstalk）分析布线后的信号完整性模拟仿真布线后的串扰（CrosstalkCrosstalkCrosstalkCrosstalk）分析2.22.22.22.22.22.22.22.2PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCB产生产生产生产生产生产生产生产生EMIEMIEMIEMIEMIEMIEMIEMI的原因的原因的原因的原因的原因的原因的原因的原因电磁场基本方程组电磁场基本方程组电磁场基本方程组电磁场基本方程组(Maxwell(Maxwell(Maxwell(Maxwell方程方程方程方程))))∫=⋅=⋅∇sqdSSSSDDDDDDDDρ高斯定律高斯定律高斯定律高斯定律0d0s=⋅=⋅∇∫SSSSBBBBBBBB磁通连续性原理磁通连续性原理磁通连续性原理磁通连续性原理SSSSBBBBllllEEEEBBBBEEEEdtdtlS⋅∂∂−=⋅∂∂−=×∇∫∫电磁感应定律电磁感应定律电磁感应定律电磁感应定律SSSSDDDDJJJJllllHHHHDDDDJJJJHHHHd)t(dtls⋅∂∂+=⋅∂∂+=×∇∫∫全电流定律全电流定律全电流定律全电流定律2.2.2.2.麦克斯韦(Maxwell)(Maxwell)(Maxwell)(Maxwell)方程1.PCB1.PCB1.PCB1.PCB和天线3.电流元与磁流元的关系及天线辐射特性时变的电流通常以两种形式存在：•磁场源-闭合回路（小电流环）•电场源-偶极子天线（电偶极子或电流元）EEEEHHHHLoop磁场源-闭合回路（小电流环）:近区场，kr1,磁场占主要成分，低阻抗场。远区场,kr1，E/H=ZjkrerISH−−=θλπθsin2jkrerISZE−=θλπϕsin2其中：其中：其中：其中：I:I:I:I:为小电流环流过的电流，为小电流环流过的电流，为小电流环流过的电流，为小电流环流过的电流，S:S:S:S:为小电流环的面积为小电流环的面积为小电流环的面积为小电流环的面积::::为辐射方向与为辐射方向与为辐射方向与为辐射方向与ZZZZ轴的夹角，轴的夹角，轴的夹角，轴的夹角，r:r:r:r:为小电流环到辐射场的距离为小电流环到辐射场的距离为小电流环到辐射场的距离为小电流环到辐射场的距离::::为电磁波的波长，为电磁波的波长，为电磁波的波长，为电磁波的波长，KKKK为波数，为波数，为波数，为波数，ZZZZ为波阻抗，为波阻抗，为波阻抗，为波阻抗，真空中的介电常数真空中的介电常数真空中的介电常数真空中的介电常数真空中的磁导率真空中的磁导率真空中的磁导率真空中的磁导率λθfc=λπεµ12000==ZmH/10470−×=πµmF/10854.8120−Χ=ελπ2=k•小电流环流过的电流小电流环流过的电流小电流环流过的电流小电流环流过的电流IIII（（（（可控制可控制可控制可控制））））•源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置•回路的尺寸回路的尺寸回路的尺寸回路的尺寸SSSS（（（（可控制可控制可控制可控制））））•小电流环到辐射场的距离小电流环到辐射场的距离小电流环到辐射场的距离小电流环到辐射场的距离rrrr•电磁波的波长电磁波的波长电磁波的波长电磁波的波长，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率ffff，，，，频率越高，频率越高，频率越高，频率越高，辐射越强辐射越强辐射越强辐射越强（（（（可控制可控制可控制可控制））））。。。。•波阻抗波阻抗波阻抗波阻抗ZZZZ，与，与，与，与空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。θλ回路产生的电场和磁场与六个因素有关：回路产生的电场和磁场与六个因素有关：回路产生的电场和磁场与六个因素有关：回路产生的电场和磁场与六个因素有关：jkrerIdljH−=θλϕsin2jkrerIdljZE−=θλθsin2近区场，kr1,电场占主要成分，为高阻抗场。远区场,kr1DipoleEEEEHHHH电场源-电偶极子或电流元其中：IIII：为电偶极子流过的电流，dldldldl：为电偶极子的长度为辐射方向与ZZZZ轴的夹角，rrrr：为电偶极子到辐射场的距离为电磁波的波长，KKKK为波数，ZZZZ为波阻抗，同上。λθfc=λλπ2=k•电偶极子流过的电流电偶极子流过的电流电偶极子流过的电流电偶极子流过的电流IIII•源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置源的辐射方向与测量点位置•电偶极子的长度电偶极子的长度电偶极子的长度电偶极子的长度dldldldl•电偶极子到辐射场的距离电偶极子到辐射场的距离电偶极子到辐射场的距离电偶极子到辐射场的距离rrrr•电磁波的波长电磁波的波长电磁波的波长电磁波的波长，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率，或电磁波的频率ffff，，，，频率越高，频率越高，频率越高，频率越高，辐射越强。辐射越强。辐射越强。辐射越强。•波阻抗波阻抗波阻抗波阻抗ZZZZ，与，与，与，与空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，空间媒质有关，媒质不同，介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。介电常数和磁导率则不同。θλ电流元电流元电流元电流元产生的电场和磁场与六个因素有关：产生的电场和磁场与六个因素有关：产生的电场和磁场与六个因素有关：产生的电场和磁场与六个因素有关：NearFieldFarFieldDistancefromSourceDistancefromSourceDistancefromSourceDistancefromSource(Normalizedto(Normalizedto(Normalizedto(Normalizedto)πλ2/WaveWaveWaveWaveImpedanceImpedanceImpedanceImpedancerZrHrE/1/1,/123∝∝∝rZrErH∝∝∝23/1,/1ΩΩΩΩ377/1,/1=∝∝ZrHrE从上述分析可以看出，小电流环和电偶极子辐射场既有电场也有磁场，这种电场与磁场的组合有称为坡印亭矢量所以要消除和减少电磁辐射，就必须从以下几个方面入手：1.1.1.1.减少射频电流IIII的数量和幅度，2.2.2.2.减少电流回路的面积SSSS以及的电偶极子的长度dl3.减少高频f分量，降低辐射通常时变电流，或射频电流多由时钟以及数字信号通常时变电流，或射频电流多由时钟以及数字信号通常时变电流，或射频电流多由时钟以及数字信号通常时变电流，或射频电流多由时钟以及数字信号的谐波分量产生，在电路设计或的谐波分量产生，在电路设计或的谐波分量产生，在电路设计或的谐波分量产生，在电路设计或PCBPCBPCBPCB设计中可通过设计中可通过设计中可通过设计中可通过终端匹配，接地，屏蔽，旁路及取耦来达到。这些终端匹配，接地，屏蔽，旁路及取耦来达到。这些终端匹配，接地，屏蔽，旁路及取耦来达到。这些终端匹配，接地，屏蔽，旁路及取耦来达到。这些问题将在以后章节中进行讨论。问题将在以后章节中进行讨论。问题将在以后章节中进行讨论。问题将在以后章节中进行讨论。电磁屏蔽分类屏蔽的分类屏蔽机理----典型泄漏结构及控制要素4.PCB4.PCB4.PCB4.PCB中产生EMIEMIEMIEMI的进一步说明RFRFRFRF电流RFRFRFRF电压RFRFRFRF能量辐射EMIEMIEMIEMI电路元件PCBPCBPCBPCB走线•欧姆定律：VVVVrfrfrfrf=I=I=I=IrfrfrfrfxZxZxZxZ•回路的完整性…………........EEEEBBBBEEEEEEEEBBBBBBBBEACorDC电流回路具有接地回路的完整电路ERF电流回路RF回路上中断点不良结构RF电流回路2.32.32.32.32.32.32.32.3共模电流和差模电流共模电流和差模电流共模电流和差模电流共模电流和差模电流共模电流和差模电流