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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用.精品文档.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用姓 名: 学 号： 任课老师： 院 系: 方 向: 指导老师: 摘要电磁兼容(EMC)是一门综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下，不因电磁干扰而降低性能，同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到设备与设备，系统与系统之间互不干扰，共同可靠地工作的要求。而电磁环境电平是受试设备或系统在不加电时，在规定的试验场地和时间内，存在于周围空间的辐射和电网内传导信号
2、及噪声量值。这个电磁环境电平是由自然干扰源及人为干扰源电磁能量共同形成的。目前，电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，如果印制电路板设计不当，即使电路原理图设计正确，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。并且，随着信息化社会的发展各种电子产品趋向于小型化、智能化，电子元器件也趋向于体积更小、速度更高、集成度更大，由此带来的电磁兼容问题也日益严重。随着电子技术的飞速发展，印刷电路板(PCB)的密度越来越高，PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。对PCB进行电磁兼容性(EMC)设计是非常重要的，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键。所以，保证PCB
3、的电磁兼容性是整个系统设计的关键。本文利用高速电路PCB设计与EMC技术分析1和PCB的EMC设计2中的理论知识，从PCB板的电磁兼容性(EMC)分析入手,分别就PCB板的拓扑布局、地线设计、电源线布置等方面较详细地讨论了印制电路板设计中抑制干扰及实现电磁兼容的方法。关键词：印制电路板(PCB) 抗干扰 电磁兼容(EMC)1 引言目前各类电子设备和系统中的器件仍以印制线路板PCB为主要装配方式，随着表贴元器件(SMD)制造水平的不断提高及表面贴装技术(SMT)的广泛应用，PCB的设计也向着高密度、细导线、小间距、多层次方向发展，PCB的设计必须充分考虑电磁兼容性。对于PCB的EMC设计内容主要
4、有PCB的总体设计、电源和地线布置、去藕设计和布线设计等。2 EMC问题的3个要素电磁兼容性(EMC)；是指电子、电气设备或系统在其电磁环境中，按设计要求正常丁作的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要的技术性能。所有电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生：电磁干扰源、敏感设备、及耦合通道。3相应的抑制所有电磁干扰的方法也要由这三要素着手解决。(1)电磁干扰源。任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，都称为电磁干扰源。如图1所示，电磁十扰源可分为外部干扰和内部干扰扰两大类，其中以电子设备内部PCB及其
5、上各元器件的固有噪声为主。对于外部干扰用屏蔽等方法有效加以抑制。图1 电磁干扰来源(2)耦合途径即传输电磁干扰的通路或媒介。各种干扰源和敏感设备之间的耦合途径有传导、感应、辐射以及它们之间的组合。耦合主要发生在导线间、器间及导线与器件间。如图2所示。图2 电磁干扰传播途径(3)敏感设备。敏感设备是指当受到电磁干扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到影响导致性能降级或失效的器件、设备或系统，主要为电子设备内部各器件。3 PCB中常见的电磁干扰43.1 传导干扰：传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。例如噪音通过电源电路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到影响。3.2 串音干扰
6、：串音干扰是一个信号线路干扰另一邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导体上，用电路和导体的互容和互感来表征。例如，PCB上某一带状线上载有低电平信号，当平行布线长度超过10cm时，就会产生串音干扰。由于串音可以由电场通过互容、磁场通过互感引起，所以考虑PCB带状线上的串音问题时，最主要的问题是确定电场、磁场耦合哪个是主要的因素。3.3 辐射干扰：辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。PCB中的辐射干扰主要是电缆和内部走线间的共模电流辐射干扰。当电磁波辐射到传输线上时，将出现场到线的耦合问题。沿线引起的分布小电压源可分解为共模和差模分量。共模电流指两导线上振幅相差很小而相位相同的电流，
7、差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的电流。4 PCB中的电磁兼容设计4.1 PCB的方案设计和器件选择任何PCB设计都是在电路原理设计完成后进行的。PCB制作参见印制板通用规范国家标准5。方案设计要考虑到器件选择，信号完整性，信号反射，阻抗匹配与端接技术等。对于器件选择，高频时钟要选择具有更快速度的开关驱动元器件。信号完整性问题包括反射、过冲与下冲、震荡、串扰、地电平面反弹等。反射是信号在传输线上传播时产生的回波，出现反射时只有信号功率的一部分传输到导线上并到达负载处。信号源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，如果负载阻抗大
8、于源阻抗，反射电压为正。采用噪声容限值高的元器件，有利于提高整个设备的抗干扰性。较TTL而言，虽然CMOS电路响应速度较慢，但具有最高的噪声容限值。6在满足功能的基础上，较慢的逻辑器件系列对于EMI来说应该优先考虑。无论是集成电路，PCB板还是整个系统，时钟电路是影响EMC性能的主要因素。集成电路的大部分噪声都与时钟频率及其多次谐波有关。对于使用TTL和CMOS器件的混合逻辑电路，由于其不同的开关/保持时间，会产生时钟、有用信号和电源的谐波。所以最好使用同系列的逻辑器件。由于CM0S门限宽，大多选用CMOS器件。未使用的CMOS引脚应该接地线或电源。7设计原理图的时候，要定义元器件的封装形式。
9、元件分成有引脚和无引脚的元件，引线参见电子元器件引线国家标准。8与有引脚的元件相比，无引脚表面贴装的元件寄生效果要小得多，典型值为0.5nHmm的寄生电感和03pFmm的寄生电容。而有引脚线的元件有寄生效果，尤其在高频时，该引脚等效成了一个小电感，大约是1nHmm。引脚也同时具有小电容效应，大约有4pFmm。选用表面贴封装元件引起的电磁干扰要小得多。4.2 PCB的合理分层首先，根据电源/地的种类、信号线的密集程度、特殊布线要求的信号数量以及成本价格等方面的综合因素，来确定最终采用单层板、双面板还是多层板。使用多层印制电路板可从结构上获得理想的屏蔽效果。以中间层作电源线或地线，将电源线密封在板
10、内，两面做绝缘处理，町使流经上下面的开关电流彼此不影响。印制板内层做成大面积的导电区，各导线面之问有很大的静电电容，形成阻抗极低的供电线路，可有效预防电路板辐射和接收噪声。实验表明9，4层板比双面板噪声低20dB，6层板比4层板噪声低10dB。如果成本允许。采用多层板来解决EMC问题。不失为一种行之有效的途径。但是，在使用时需要注意多层板各层的设置。表1给出了优选的层设置。由表l可见，分层时应该尽可能将电源面靠近地平面，并安排在接地平面之下，以充分利用平行金属板间电容对电源的平滑作用和地平面对电源的屏蔽作用；尽可能将信号层与整块金属面相邻，以减小电流环路面积。表1 多层板布局方案4.3 分割与
11、布局在PCB的设计中，合理的分割与布局是一个重要环节，其结果的好坏将直接影响最终走线的效果。分割是指用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。图3给出了用分割技术将4个不同类型的电路分割开的例子10。在地线面，非金属沟槽用来隔离4个地线面。为减少不同电路电源丽间的耦合，高速数字电路由于其更高的瞬时功率需求而要求放在靠近电源入口处。接口电路可能会需要抗静电放电(ESD)和暂态抑制的器件或电路来提高其电磁抗扰性，应独立分割区域。图3 电路板的模块分割4.4 PCB布线布线时，要对所有信号线进行分类。先布时钟，敏感信号线，再布高速信号线，在确保此类信号的过孔足够少，分布
12、参数特性好以后，再布一般的不重要的信号线。应该遵循的原则11有：1输入输出端的导线尽量避免相邻长距离的平行，为减少长平行走线的串扰，可增大线条间距，或走线间插入地线；2线路板上的宽度不要突变，导线不要突然拐角，尽可能保持线路阻抗的连续，印制传输线拐弯处一般走圆弧或135度角。3特别注意高频电路的电源和地线分配问题；4减小电流流通过程的导线环路面积，这是因为载流回路对外的辐射与通过电流、环路面积和信号频率成正比；5线路板插头上多安排彼此分散的地线输入脚，有助于减少线路板插脚配线的环路面积及地线阻抗：6减少导线的长度，增加导线的宽度，有利于减少导线的阻抗；7双面板的数字地通常采用梳状结构和网状结构
13、。梳状结构，其信号环路面积相当大，如图4中A。而网状结构是在梳状的基础上，在板正面加上几条垂直地线，交叉点打上金属化过孔连通。地线网格提供了大量的平行地线，能够有效地减小地线环路面积，减小了地线噪声，如图4中B。图4 A梳状结构，B网状结构4.5 地线/电源线/信号线宽度设计瞬变电流在印制导线上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因此短而宽的导线对抑制干扰是有利的。一般情况下，地线应比电源线宽，它们之间的关系是：地线电源线信号线；通常信号线宽为0.2 mm0.3 mm，最小宽度可达0.07 mm，电源
14、线为0.2 mm2.5 mm，接地线的宽度应大于3 mm，使它能通过三倍于印制电路板的最大允许电流；元件引脚上的接地线宽度应该在1.5 mm 左右。4.6 PCB抗干扰电路对数字系统，各逻辑器件有相应阀电平和噪声容限，外来噪声只要不超过逻辑器件的容限值，系统就能正常工作。然而一旦侵入系统的噪声或干扰超过某种容限，此干扰信号就会被逻辑器件放大、成形，成为产生误动作的重要原因。单片机系统最敏感的是时钟信号，复位信号和中断信号。满足功能的同时应选择频率尽可能低的晶振。这三种信号线在布PCB时要特别注意。看门狗电路是抗干扰措施之一，当强电磁干扰，电网尖峰脉冲干扰使单片机系统出现死锁，看门狗电路可以自动
15、检测并使程序恢复运行。当系统遭到较强干扰而失去正常工作状态时，往往会使RAM中的数据遭到破坏，因此除了要对电源系统作精心的设计外，还必须设计出可靠的RAM保护电路12。对电路的数据总线，地址总线和控制总线进行信息交换，若提高总线的负载能力，总线传输较长时改善信号波形，此时需要配置三态缓冲门电路作为总线驱动器。另外要注意保证总线的负载平衡。当不会有大的强电磁干扰，并且电路板尺寸不大时，以上EMC保护手段从成本角度来看也许可以不用考虑。12总线上安装上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性，不仅可以提高信号电平，还可以提高总线的抗电磁干扰能力、抑制静电干扰、削弱反射波干扰。芯片具有内置上拉电阻时，不用
16、在外电路安装上拉电阻。对于电路上的芯片引脚，将不使用的输入端固定在高电平，可增强外部电磁干扰的抑制。5 结论印制电路板中的电磁兼容问题很复杂，难以面面俱到要针对具体问题采取相应的措施，它要求设计人员要根据布局、布线等原则，善于随具体情况灵活运用，设计中善于采用新的设计手段吸取先进的设计经验，利用成熟的安装工艺，并根据电磁兼容性原理，采取有效的技术施减小电磁干扰，使电磁干扰控制到一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性，设计出高性能、高可靠性的印制电路板。要消除一些特殊的、小概率的干扰以获得更高的电磁兼容性，就要采用特殊的、更复杂的硬件抗干扰电路。所以应根据设计条件和目标要求，合理采用一些硬件抗干
17、扰措施，提高系统的抗于扰能力。参考文献1 田广锟等 著.高速电路PCB设计与EMC技术分析(第2版).电子工业出版社,2011.2 郑军奇等 著. EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第2版).电子工业出版社,2011. 3 Ma yongjian. “EMC Design Engineering Practice”M. Beijing: National Defense Industry Press. 2008,pp.14-35 (In Chinese) 4 朱洪涛.印制电路板的电磁兼容性设计J.电子质量,2007,(1):81-86.5 宋艳芳. 印制电路板的电磁兼容性设计J. 电脑开发与应
18、用,2007,(12):29-31.6 樊光荣.印制电路板的可靠性设计J.电子质量,2008, (2):36-38.7 Jie Liu, Lanfang Qi, “The EMC analyzing and optimizing with highfrequency interference in PCB Design”J, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2006, pp.187 - 190.8 电子元器件引线端插座总规范 GJB 2445-95 (国标大小：333 KB). 9 杨克俊.电磁兼容原
19、理与设计技术.人民邮电出版社,2004.10 吴良斌,高玉良,李延辉.现代电子系统的电磁兼容性设计.国防工业出版社,2004.11 Wu Jianhui, “Electricmagnetic compatibility design of printed circuit board”M, Beijing: Defense industry press, February,2005.pp:105-129(In Chinese)12 涂勇,王化深.PCB的EMC设计中去耦电容的仿真与选用.舰船电子工程,2004.13 Bai Tongyun, Lu Xiaode, “Electricmagnetic compatibility design”M. Beijing: Posts & Telecom Press. March,2001.pp:251-274,234-243 (In Chinese)