高速PCB设计培训提纲

OTSystems1高速PCBPCBPCBPCB设计培训----------------------------------------------------EMCEMCEMCEMC技术培训培训形式：内部培训（研发部）培训目的：通过此次培训增强我司研发人员的电磁兼容意识，掌握有效的EMC设计方法，在产品的设计阶段就导入正确EMC设计策略，从产品设计源头解决EMC问题，将可以减少许多不必要的人力及研发成本，缩短产品上市周期。重要性：随着中国加入WTO，为了使我司的产品在国际及国内市场中满足电磁兼容（EMC）要求，从而快速低成本的取得相关认证，这已是我们公司现在面临比较棘手的问题！但目前我司研发人员还没有很好掌握EMC的设计方法，相对缺乏电磁兼容意识，同时公司研发系统没有建立一套完善的EMC流程，导致多数产品在后期不能顺利的通过测试与认证，影响了产品的上市进度。如果能从设计流程的早期阶段就导入正确EMC设计策略,同时研发工程师掌握正确的EMC设计方法，从产品设计源头解决EMC问题，将可以减少许多不必要的人力及研发成本，缩短产品上市周期。第一部分基本概念1.1.1.1.EMCEMCEMCEMC：ElectromagneticElectromagneticElectromagneticElectromagneticCompatibilityCompatibilityCompatibilityCompatibility2.2.2.2.EMCEMCEMCEMC定义：在同一电磁环境中，设备能够不因为其他设备的干扰影响其正常工作，同时也不对其他设备产生影响工作的干扰。3.3.3.3.EMCEMCEMCEMC三要素：干扰源、耦合路径及敏感设备。4.4.4.4.EMC=EMC=EMC=EMC=EMI+EMI+EMI+EMI+EMSEMSEMSEMS5.5.5.5.EMIEMIEMIEMI：ElectromagneticElectromagneticElectromagneticElectromagneticInterferenceInterferenceInterferenceInterference6.6.6.6.EMSEMSEMSEMS：ElectromagneticElectromagneticElectromagneticElectromagneticSusceptibilitySusceptibilitySusceptibilitySusceptibility7.7.7.7.国际标准：FCCFCCFCCFCC、CECECECE、3C3C3C3C、VCCIVCCIVCCIVCCI等。8.8.8.8.PCBPCBPCBPCB：PrintedPrintedPrintedPrintedCircuitCircuitCircuitCircuitBoardBoardBoardBoard第二部分EMI和EMC纵览在现代电子设计中EMI是一个主要的问题。为抗干扰，设计者要么除掉干扰源，要么保护受影响的电路，最终的目的都是为了达到电磁兼容的目的。仅仅达到电磁兼容也许还不够。虽然电路工作在板级，但它有可能对系统的其他部件辐射噪音、干扰，从而引起系统级的问题。此外，系统级或者设备级的EMC不得不满足某些辐射标准，以便不影响其他设备。许多发达国家在电子产品上有非常严格的EMC标准。为了达到这些要求，设计者必须考虑从板极开始的EMI抑制。一个简单的EMI模型包含三个元素，EMI源、耦合路径及敏感设备，如下图所示：OTSystems21.EMI源：EMI源包括微处理器，微控制器，静电放电，传播器，瞬态电源器件，如机电继电器，电源开关，闪电等。在一个微控制的系统里面，时钟电路通常是宽带噪音的最大产生者，这种噪音分布在整个频段范围内。随着快速半导体使用的增加，这种电路可以产生高达300MHZ的谐波干扰。2.耦合路径：噪音能耦合进电路的一个最简单的途径是通过导体传导。如果一条线经过一个吵杂的环境，那么它会引入噪音并把噪音传播到余下的电路中。举例来说，噪音可以通过电源线传播到其他电路中。耦合也可以发生在哪些共有公共阻抗的电路。举例来说，两个电路共享运送电源供给的导体和到地回路的导体，那么当其中一个电路突然产生一个电流要求时，因为这两个电路共享电源线和源阻之间的公共阻抗，另外一个电路的供给电压就会降低。这种耦合影响可以通过降低共享阻抗来减少。不幸的是，源阻抗耦合是电源固有的，而且不能减少，同样的影响也发生在到地的导体上面。在一个电路中的数字回流在另外一个电路的回路上产生一个反弹，一个不稳定的地将严重影响某些低电平模拟电路的性能，例如运放，ADC转换和传感器。对所有的电路来说，耦合也发生在有电磁辐射的区域。无论什么时候电流发生变化时，电磁干扰波也就产生了，这些电磁波可以耦合到附近的电路和干扰电路中的其他信号。3.敏感设备：所有的电子电路都能接收电磁干扰传播。尽管有一些EMI通过RF辐射被接收，但大多数EMI都通过传导被接收。在数字电路中，许多临界信号容易收到EMI的干扰，比如说RESET,中断和控制信号，运放，控制电路，电源调整芯片也容易收到噪音的干扰。为了达到EMC的标准，设计者应当减小产品中的射频辐射，增加产品的抗干扰性。辐射和感应的免疫性都可以归类到辐射耦合和传导耦合，辐射耦合对高频影响更多，而传导耦合对低频影响更多一些。4.EMC花费产品生命周期中EMCEMCEMCEMC介入时间与成本的关系当设计者选择器件，设计电路和做PCBlayout时，把EMC放在首要位置来考虑好像不大可能，但是本文档有什么建议要你牢记的话，那就是尽可能减少贫瘠的元件选择，拙劣的电路设计和拙劣的PCB的layout。产品生命周期（时间）可行措施/成本成本措施方法OTSystems35.EMCEMCEMCEMC设计的一般原则EMC设计应是任何电子器件和系统综合设计的一部分。它远比试图使产品达到EMC的其他方法更节约成本。EMC的主要设计技术包括：电磁屏蔽方法、电路的滤波技术以及包括应特别注意的接地元件搭接的接地设计。下图给出了器件和系统EMC最佳设计的推荐方法。这是一个金字塔式图形。首先，优秀的EMC设计的基础是良好的电气和机械设计原则的应用。这其中包括可靠性考虑，比如在可接受的容限内设计规范的满足，好的组装方法以及各种正在开发的测试技术。一般来说，驱动当今电子设备的装置要安装在PCB上。这些装置由具有潜在干扰源以及对电磁能量敏感的元件和电路构成。因此，PCBEMC设计是EMC设计中的下一个最重要的问题。有源元件的位置、印制线的走线、阻抗的匹配、接地的设计以及电路的滤波均应在EMC设计时加以考虑。一些PCB元件还需要进行屏蔽。再次，内部电缆一般用来连接PCB或其他内部子组件。因此，包括走线方法和屏蔽的内部电缆EMC设计对于任何给定器件的整体EMC来说是十分重要的。在PCB的EMC设计和内部电缆设计完成以后，应特别注意机壳的屏蔽设计和所有缝隙、穿孔和电缆通孔的处理方法。最后，还应着重考虑输入和输出电源和其他电缆滤波问题。一般来讲，EMI防护是一个系统工程，从产品设计开发阶段即需要将EMI贯穿始终。但是，由于各个方面的原因，高频线路很难达到在PCB设计阶段即解决EMI问题，大多都需要通过对机壳进行屏蔽处理来达到防EMI效果。第三部分几种简便有效的电磁防护措施1接地电流返回其源的低阻抗通道将电子设备通过适当的方法和途径与大地连接，这不仅是出于提高电子信息系统、设备工作稳定性的考虑，更是由于电子设备与大地相连后有了一个公共的零电位基准面，从而能够有效地抑制外界电磁场的影响。另外，良好的接地措施可以及时泄放因静电感应积累在机壳上的电荷，避免因电荷积累过多而在电磁脉冲武器攻击时形成高压，导致设备内部放电而损坏。在现代的接地概念中，对于线路工程师来说，其含义是“线路电压的参考点”；对于系统工程师来说，它常常是指机柜或机架；而对于电气工程师来说，它却是绿色安全接地或接到大地的意思。1.1.接地的种类OTSystems41.2.单点接地适用于：低频（f小于1MHz）适用于：低频（f小于1MHz）同类电路不同类电路1.3.多点接地适用于高频电路（f大于10MHz）1.4.混合接地OTSystems52222屏蔽屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能传输的一种重要的防护手段。屏蔽既可以限制内部辐射的电磁能量泄漏出来，又可以防止外来辐射进入某一区域。屏蔽有三大类，一是静电屏蔽；其屏蔽体用良导体制作，并有良好的接地。这样就把电场终止于导体表面，并通过地线中和导体表面的感应电荷，防止由静电耦合产生的互扰。二是磁屏蔽；屏蔽体用高导磁率构成低磁阻通路，把磁力线封闭在屏蔽体内，达到阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入的目的。三是电磁屏蔽；利用电磁波在导体表面上的反射和在导体中传播的急剧衰减来隔离时变电磁场的互耦，从而防止高频电磁场的干扰。电磁屏蔽的关键点有两个，一个是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。另一点是不能有穿过机箱的导体。对于一个实际的机箱，这两点实现起来都非常困难。屏蔽设计的主要内容就是如何妥善处理这些孔缝，同时不会影响机箱的其他性能（美观、可维性、可靠性）。一般情况下，屏蔽机箱上不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触上，这构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成屏蔽机箱屏蔽效能降级的主要原因之一。减小缝隙泄漏的方法有：●增加导电接触点、减小缝隙的宽度，例如使用机械加工的手段（如用铣床加工接触表面）来增加接触面的平整度，增加紧固件（螺钉、铆钉）的密度；●加大两块金属板之间的重叠面积；●使用电磁密封衬垫，电磁密封衬垫是一种弹性的导电材料。如果在缝隙处安装上连续的电磁密封衬垫，那么，对于电磁波而言，就如同在液体容器的盖子上使用了橡胶密封衬垫后不会发生液体泄漏一样，不会发生电磁波的泄漏。3333滤波滤波是为了防止不希望的电磁振荡沿与设备相连的任何外部连线传播到设备，一般由滤波器来完成，滤波器可以由无源元件或有源器件组成选择性网络，有选择地阻止有用频带以外的其余成分通过，完成滤波作用；也可以由铁氧体材料等有损耗材料组成，把不希望的频率成分吸收掉，从而达到滤波的目的。第四部分印刷电路板Layout技术好的印刷电路板的Layout技术也是EMC性能的重要影响因素之一。因为PCBOTSystems6是系统中固有的一部分，所以通过PCBlayout技术来改进EMC性能对最终产品不会增加任何额外的费用。应当注意，对于PCBLayout来讲没有什么绝对和严格的规则。没有任何一个规则可以包含整个PCBLayout。大多数的PCBLayout受板子的尺寸和板子的层数限制。某些Layout技术可能用在某种电路中，而在其它Layout中不用。许多时候这取决于PCBLayout工程师的经验。不过这里也有一些一般的规则，将在下面的章节中讨论。这些规则应当被当作一般的指导。应当记住拙劣的PCBLayout可以产生更多的EMC问题，所以优良的PCBLayout比拙劣的PCBLayout出现问题而去改善它要好很多，而且，在很多情况下，增加滤波器和元器件并不能解决由拙劣的PCBLayout所带来的EMC问题，到最后，可能需要重新做板子的Layout。因此，一开始就做好PCBLayout是节省花费的最好办法。1.高速电路的概念有人认为，如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ～50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3），就称为高速电路；也有人认为高速电路和频率并没有什么大的联系,是否高速电路只取决于它们的上升时间；还有人认为高速电路就是我们早些年没有接触过,或者说能产生并且考虑到趋肤效应的电路；更多的人则对高速进行了量化的定义，即当电路中的数字信号在传输线上的延迟大于1/2上升时间时，就叫做高速电路。此外，还有一个容易产生混淆的是“高频电路”的概念,“高频”和“高速”有什么区别呢？对于高频，很多人的理解就是较高的信号频率，虽然不能说这种看法有误，但对于高速电子设计