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1、电磁兼容技术及其在PCB 设计中的应用摘要 :在印制电路板的电路设计阶段就进行电磁兼容性(EMC) 设计是非常重要的.本文介绍了电磁兼容技术及其在印制电路板中的应用,从印制电路板的选取到元器件的布置以及地线、 电源线和信号线的设计,最后结合 PROTEL 公司的 PROTEL99SE 软件 ,给出了一种在PCB设计中减少电磁干扰的设计方法. 1. 引言电磁兼容 (EMC) 是一门新兴的综合性学科,它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指标,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
2、到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的.而电磁环境电平是受试设备或系统在不加电时,于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及噪声的量值 ,这个电磁环境电平是由自然干扰源及人为干扰源的电磁能量共同形成的. 电子设备和系统的电磁兼容性指标已成为电子设备和系统设计在研制时的一个重要的技术要求 .现在已经有了抑制电子设备和系统的EMI的国际标准 ,统称为电磁兼容(EMC) 标准 ,它们可以作为普通设计者布线和布局时抑制电磁辐射和干扰的准则.对于军用电子产品设计者来说 ,标准会更严格,要求更苛刻 . 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
3、配方式.实践证明 ,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不得影响.所以 ,保证印制电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键.本文主要讨论电磁兼容技术及其在PCP 设计中的应用. 2. 电磁兼容技术国内外大量的经验表明,在产品的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容性,则越可以节约人力与物力。不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源 ;其次有传播干扰能量的途径或通道:第三还必须有被干扰对象(即敏感设备 )的响应 .所以 ,控制干扰源的电磁辐射,切断或抑制电磁干扰的耦合通道,提高敏感设备的抗干扰能力是电子设备和系统电磁兼容
4、性设计的主要内容.具体有以下几个方面的措施,用来实现电磁兼容性 . (1)干扰电路 .电子设备中的单元电路应设计和选用本身电磁能量辐射小、抗干扰能力强的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 线路形式 .小信号放大器应增大线性动态范围,提高电路的过载能力,减小非线性失真;功率放大器工作在甲类状态时,产生的谐波最小;工作在乙类时,应采用推挽形式来抑制二次谐波;丙类状态用于射频放大,为抑制谐波电平应采用锐调谐、高Q 滤波器
5、. (2)器件和电路的合理布局.将容易受到干扰的敏感元器件和单元电路尽可能地与干扰源远离;输出与输入端口妥善隔离;高电平电缆与脉冲引线与低电平电缆分开排布. (3)正确的电磁屏蔽.用屏蔽体包封干扰源,可以防止干扰电磁辐射向外传播;用屏蔽体包封被干扰电路 ,可以防止干扰电磁能量进入.电磁屏蔽虽然能够有效地切断近场感应和远场辐射等电磁干扰的传播通道,但它会造成电子设备散热困难,维修不便 ,成本增加 ,应根据最佳效比进行设计 . (4)良好的接地系统.设计低阻抗的地线,正确设计单元电路和设备的接地系统、电缆屏蔽层的接地、信号电路屏蔽体的接地等,并采用合理的阻隔地环路干扰的措施. (5)滤波技术的运用
6、.滤波器的主要功能是将有用信号以外的信号能量进行抑制.借助于滤波器 ,可以显著减弱干扰源和被干扰电路间的传导干扰电平. 3. 电磁兼容技术在PCB 设计中的应用目前产品的电磁兼容问题常常在检测机构对产品进行电磁兼容测试以后才去解决,甚至当产品使用后出现问题时才去补救.这样做非但费时费力,而且不能从根本上解决问题.因此 ,应该在产品开发的最初阶段就进行电磁兼容设计.由于 PCB 板上的电子器件密度越来越大,走线越来越窄 ,信号的频率越来越高,不可避免地会引入EMC(电磁兼容 )和 EMI( 电磁干扰 )的剖一.所以 ,设计目的是使板上各部分电路之间没有相互干扰,并使印制板对外的传导发射和辐射发射
7、尽可能降低,达到有关标准要求.外部的传导干扰和辐射干扰对板上的电路基本无影响,实际上在设计中采取正确的措施常常能同时直到抗干扰和抑制发射的作用.在设计印制电路板布线时 ,首先要选取印制板类型,然后确定元器件在板上的位置,再依次布置地线、电源线、高速信号线和低速信号线. (1)印制电路板的选取.印制电路板有单面、双面和多层板之分.单面和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路.多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的调整数字电路 . (2)元器件布置 .首先应对板上的元器件分组,目的是对印制板上的空间进行分割,同组的放在一起 ,以便在空间上保证各组的元器件不致于相互干扰.一般先按使用电
8、源电压分组,再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组.不相容的器件要分开布置,例如发热元件远离关键集成电路,磁性元件要屏蔽,敏感器件则应远离CPU 时钟发生器等. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定.所有连接器最好放在印制板的一侧,尽量避免从两侧引出电缆,以便减小共模电流辐射.高速器件 (频率大于10MHz或上升时间小于2ns 的器件 )尽可能远离连接器.I/O
9、驱动器则应紧靠连接器,以免 I/O 信号在板上长距离走线,耦合上干扰信号. (3)地线的布置 .布置地线时首先考虑的问题是“分地”,即根据不同的电源电压,数字电路和模拟电路分别设置地线.在多层印制板中有专门的地线层,在地线层上用“划沟”的方法来分地.但是 ,分地并不是把各种地完全隔离,而是在适当的位置仍需把不同的地短接起来,以保证整个地线的电连续性,短接通道有时也形象地称之为“桥”.桥应该有足够的宽度. 布置地线时要注意以下几点:多层板信号层上的高速信号轨线不能横跨地线层上的沟.A/D 变换器芯片如只有一个地线引脚,则该芯片应安放在连接模拟地和数字地的桥上,避免数字信号回流饶沟而行.连接器不要
10、跨装在地线沟上,因为沟两边的地电位可能差别较大,从而通过外接电缆产生共模辐射骚扰.双面板的地线通常采用井字形网状结构,即一面安排成梳形结构地线,另一面安排几条与之垂直的地线,交叉处用过孔连接.网状结构能减小信号电流的环路面积 .地线应尽可能地粗,以减小地线上的分布电感. (4)电源线的布置 .印制板上的电源供电线由于给板上的数字逻辑器件供电,线路中存在着瞬态变化的供电电流,因此将向空间辐射电磁骚扰.供电线路电感又将引起共阻抗耦合干扰,同时会影响集成片的响应速度和引起供电电压的振荡.一般采用滤波去耦电容和减小供电线路特性阻抗的方法来抑制电源线中存在的骚扰. 双面板上采用轨线对供电.轨线应尽可能粗
11、,并相互靠近 .供电环路面积应减小到最低程度,不同电源的供电环路不要相互重叠.如印刷板上布线密度较高不易达到上述要求,则可采用小型电源母线条插在板上供电.多层板的供电有专用的电源层和地线层,面积大 ,间距小 ,特性阻抗可小于1. 印制电路板上的供电线路应加滤波器和去耦电容.在板的电源引入端使用大容量的电解电容(10F100F)作低频滤波 ,再并联一只0.01F0.1F 的陶瓷电容作高频滤波.板上集成片的电源引脚和地线引脚之间应加0.01F 的陶瓷电容进行去耦,至少每3 块集成片应有一个去耦电容 .去耦电容应贴近集成片安装,连接线应尽量短,最大不超过4cm.去耦回路的面积也应可能减小 .多层板的
12、电源层和地线层之间的电容也参与去耦,主要是对频率较高的频段而言的 .如果层电容量不足,板上可再另加去耦电容.采用表面安装 (STM) 的去耦电容可以进一步减小去耦回路的面积,达到良好的滤波效果. (5)信号线的布置 .不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 低电压等 )应相互远离 ,不要平等走线.分布在不同层上的信号线走向应相互垂直.这样可以减少线间的电场和
13、磁场耦合干扰. 信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排.一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域 . 高速信号线要尽可能地短,以免干扰其他信号线.在双面板上 ,必要时可在高速信号线两边加隔离地线 .多层板上所有高速时钟线都应根据时钟线的长短,采用相应的屏蔽措施. 应考虑信号线阻抗匹配问题.所谓阻抗匹配就是信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等.特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板村的介电常数等物理因素有关,是信号线的固有特性 .阻抗不匹配将引起传输信号的反向,使数字波形产生振荡,造成逻辑混乱.通常信号线的负载是芯片,基本稳定 .造成不匹配的原因主要是信号线走线过程中本身的特性阻抗的变
14、化 ,例如走线的宽窄不一,走线拐弯 ,经过过孔等 .所以 ,布线时应采取以下措施,使得信号线全程走线的特性阻抗保持不变:高速信号线布置在同一层上,不经过过孔 .一般数字信号线应避免穿过二个以上的过孔.信号线拐90o直角会产生特性阻抗变化,所以拐角处应设计成弧形或轨线的外侧用两个45o角连接 .信号线不要离印制板边缘太近,留有的宽度应至少大于轨线层和地线层的距离(约为0.15mn),否则会引起特性阻抗变化,而且容易产生边缘场,增加向外的辐射 .时钟发生器如有多个负载,则不能用树型结构走线,而应用蜘蛛网型结构走线,即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接. 在印制板上不允许有任何电气上没有连接
15、并悬空的金属存在,例如集成片上空闲的引脚、散热片、金属屏蔽罩、支架和板上没有利用的金属面等都应该就近接地线层. 4. 结束语线路板设计阶段如果缺乏有效的手段分析电磁干扰,则产品可能通不过EMC 标准而不能进入生产 .传统的尝试性方法仍是国内设计人员普遍采用的方法,但各种各样的借助于计算机辅助设计的方法正应运而生.PROTEL99SE 设计软件内部的自动布线软件包与SPICE 仿真器相结合实现了具有EMC 设计的 PCB 计算机辅助设计. 从上面布线规则可知,高速信号线要短,这可以通过配置长度约束规则来实现.对于承载高速信号的走线网络可以采用菊花链拓扑,规定允许最长走线.并行导线容易引起相互串扰
16、,可以通过配置并行走线的最大长度来把串扰限制在允许的范围之内.由于导线的特性阻抗会引起公共阻抗干扰,所以采用PROTEL99SE 布线时 ,可以在信号完整性功能项设计中配置阻抗约束条件来保证网络最大允许导线阻抗.同时 ,还可以通过设定信号完整性功能项中的上冲、下冲、延迟时间约束来保证信号的完整.PROTEL99SE 的强大设计功能为PCB 电磁兼容的设名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 计提供了一种手段.当然 ,设计过程中需要根据电磁干扰指标分析计算相应的布线参数,这也是该软件在电磁兼容设计中的不足之处. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -