电磁兼容相关知识讲座ppt.ppt

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1、电磁兼容相关知识讲座,2010-2-22 潘启珍,一、概述 二、电磁兼容的概念与测试内容 三、电磁兼容设计的基本概念 1、电磁兼容的设计与整改 2、电磁兼容设计与整改中常碰见的一些概念 3、接地 4、电容器的选择 四、关键电路的EMC设计 五、PCB的设计 六、案例分析,一、概述,EMC技术是解决电磁干扰与被干扰的相关问题的一门技术。EMC设计的目的是解决电路之间的相互干扰，防止电子设备产生过强的电磁发射及对外界干扰过度敏感等问题。同时EMC是一门实践性很强的综合而又边缘的学科，实践对于EMC设计显得非常重要。而对EMC设计人员而讲，需要掌握的EMC内容主要有两个方面：一个是关于标准的；另一个

2、当然就是产品的设计技术。当然也只有先搞清楚产品所需要做的标准，才能真正的做好EMC的设计。电磁兼容其实是个古老的问题，早在法拉第发现电磁感应定律就指出变化的磁场在导线中将产生感应电动势。再到后来麦克斯韦便指出变化的电场将激发变化的磁场，并由此预言电磁波的存在。这种电磁场的相互激发并在空间传播，正是电磁骚扰存在的理论基础。 通过此次的培训，希望能让大家更多的了解EMC，同时更多的去注意EMC的问题，把一些EMC的问题在产品的研发阶段进行处理解决，从而更大限度的降低产品的研发与生产成本，同时也更加顺利的取得电磁兼容的市场准入证书。,举例简述电磁兼容的危害 事件1：民兵导弹飞行故障 民兵导弹的遥测实

3、验弹多次发射成功后，1962年开始进行战斗弹状态的飞行实验。前两发弹均遭到失败。这两发弹的故障现象相似，都是在级发动机前炸毁的。一个高度为7.6km，另一个为21.8km。在炸毁前，两发弹的制导计算机均受到脉冲干扰而失灵。经过分析，故障是由于导弹飞行到一定高度时，在相互绝缘的弹头结构与弹体结构之间出现了静电放电，它产生的骚扰脉冲破坏了计算机的正常工作而造成的。,事件2：欧罗巴火箭故障 欧罗巴火箭的第一发（代号F- )于1971年11月5日发射。火箭起飞后105S，高度约27Km，制导计算机发生故障，姿态失控。约1min后，火箭炸毁。 故障分析与模拟实验的结果表明，火箭在主动段飞行中产生了静电荷

4、。这些电荷逐渐积累并贮存于介质材料的表面。由于启动加热，介质材料温度升高，其电阻值相应减小。对静电而言，介质材料便从绝缘体变为导体。这样，部分电荷便转移到相邻的未接地的金属体上。当飞行高度增加，气压下降到一定之时，即发生静电放电而引起计算机故障，从而导致飞行失败。,二、电磁兼容的概念与测试内容,1、电磁兼容的定义 电磁兼容（Electromagnetic compatibility)简称EMC：在复杂的电磁环境中，每台电子、电气产品除了本身能抵抗住外界的干扰外，还要不能对其他的附近的电子产品产生干扰。所以就有电磁干扰和抗干扰之分。换句话说，也就是电子产品在工作地时候保证不被别人而开小差。互相不

5、干扰对方，同时产品本身内部也要互相不干扰。,2、电磁兼容的测试内容(包括两部分干扰与抗干扰） 1）、干扰（也称EMI）：包括以下一些项目 a、功率辐射也称功率骚扰（power clamp) b、空间辐射（Radiated disturbance ） c、传导（Disturbance voltage at mains terminals ） d、谐波电流（Harmonics current ） 等等。 所谓干扰指的是我们的产品对别人的干扰，即我们的产品正常工作时不影响别人的工作。 其中“传导、空间辐射”是经常碰见的一个EMI的问题，几乎所有的电子产品都必须经过此两项的测试，也是常常让设计师头痛的

6、两个测试项目。,2）、抗干扰：包括以下一些项目 a、静电测试 b、雷击测试 c、电快速脉冲群测试 d、20测试 e、射频电磁场辐射抗干扰 f、射频感应传导干扰抗干扰 g、工频磁场抗扰度 h、电压暂跌、短时中断和电压变化抗扰度 i、大电流的注入 等等 所谓抗干扰指产品抵抗来自外界的干扰，包括自然界与别的产品发出的干扰 当然不同的产品抗扰度的测试等级也是不一样的。如医疗产品，汽车电子其抗扰度要比一般的家用产品严格的多。,3、EMC的认证 由于电子产品的日益发展，电子产品的相互干扰引起了各国对EMC的重视，因此各个国家都相继开始定出自己的EMC标准。就目前世界各国的EMC认证要求以及本质区别主要是北

7、美地区与其它地区的区别。就目前来讲主要分以下两类：北美标准FCC人证，国际标准。而我国的3C认证主要来源于国际标准，几乎是国际标准的翻译版本；CE认证其要求几乎与国际标准稳合，也可以说来源于国际标准。FCC标准与3C、CE的区别甚大，其中测试的限值要求，以及方法都有差异。 就目前世界上的EMC认证要求来看，主要分为3C认证、CE认证、FCC以及国际标准。在一些还没有制定自己国家的EMC认证要求的国家，其测试标准大多以国际标准为准则。,三、电磁兼容设计的基本概念,1、电磁兼容的设计与整改 1）、电磁兼容的设计：主要是指产品在研发阶段介入与考虑电磁兼容的问题，这个阶段常常涉及的是原理图的设计，单板

8、的测试、PCB板的布线以及结构的问题，其中PCB的布局布线以及结构对EMC的问题影响也非常之大。其直接经验来自电磁兼容的整改，也就是我们常说的EMC整改。这个阶段的工作主要是从原理图以及PCB板上查找问题，评估其合理性。EMC的设计是关键，后续的整改知识辅助作用，产品的质量是靠设计出来的，而并非测试出来的，若靠测试出来再解决问题，往往会很大程度上提高产品的成本。,2）、电磁兼容的整改：主要指整机组装以后对机器整体的一个评估，其实质是亡羊补牢。若EMC设计的工作做的不够将直接加大整机的生产成本。此阶段的工作主要是从外围来处理产品的EMC问题，常常是在PCB板已经敲定时进行。常用的手段有在导线上加

9、磁环，屏蔽，构成良好的接地,贴导电铝铂等等。产品如果直接跳过EMC设计阶段而在后续整改，这样往往加大了EMC的费用，同时可能将延误产品的生产时间，同时整改阶段经常带来许多的不确定因素。这时往往对对连接线的摆放位置，磁环的位子，导电泡棉的位子都会做出很严格的要求，以至于增加了生产工艺的难度。同时增加了产品的成本，但是不一定能达到预期的效果。,2、电磁兼容设计与整改中常碰见的一些概念 1）辐射源：辐射源指的是干扰信号的主要来源。对一块单独的主板来说，主要辐射源有：主IC，高速数据传输信号线，时钟信号线等等。其干扰主要来自高速转换的的一些信号中。其中时钟信号线将是主要的辐射源。由于时钟信号是周期信号

10、，而这类周期信号是别于正弦波类的数字信号。我们都知道任何信号都可以通过傅里叶变换建立其时域与频域的关系， 式中，X(t)是电信号的时域波形函数；H(f)是该信号的频域函数；=2f, 是角频率；f为频率。,周期信号每个取样段的频谱都是一样的，它的频谱成离散形，但是强度大，通常称为窄带噪声。而非周期信号每个频段取样的频谱不一样，频谱很宽，而且强度弱，通常被称为宽带噪声。在一般的电路系统中，时钟信号为周期信号，而数据线和地址线通常为非周期信号。而造成机器辐射超标的原因通常是时钟信号。周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱是连续的。 下图是时钟噪声与数据噪声的频谱,梯形脉冲函数的频谱图形,上升沿不同

11、的梯形波形频谱比较,从右图可以看出，即使是相同的信号频率，上升时间小的信号在频域覆盖的频带要宽，并且基频后的相同频点上幅度要大，所以信号的上升沿越小，其干扰强度越大。,周期矩形脉冲f(t)的频谱函数,周期矩形脉冲信号及其频谱 (a) f(t)的波形； (b) 复振幅Fn; (c) 频谱函数F(j),注意：逻辑器件选择原则,任何非正弦波信号在频域内都有非常丰富的谐波分量，这些谐波分量便是引起EMC辐射的“罪魁祸首”。 影响其谐波分量的最主要因素是信号的上升沿，所以在逻辑器件的选择以及编程方面有一个原则：“信号的上升沿能够满足功能要求且留一定的裕量即可，不要强求过小的上升时间”。,处理辐射源常用的

12、方法有：屏蔽，衰减，良好的接地，去耦，滤波等方法。 屏蔽 屏蔽:对辐射源进行单独的处理，即用金属外壳对其屏蔽起来。注意屏蔽时屏蔽壳接地点越多越好。 屏蔽又分电场屏蔽和磁场屏蔽电场屏蔽，如有些变压器上包有铜铂，这主要是屏蔽电场；磁场屏蔽，主要是屏蔽外界磁场的干扰而在中我们常碰见的是电磁场的屏蔽 a、材料的选择:用的最多的是铁板与钢板,其次是铜铂与铝铂.当然在一些特殊的领域也用银和金来做屏蔽材料. b、选择的主要因素:主要考虑的是导电性与导磁性.钢板是最常用的一种屏蔽材料. 其导电性与导磁性都令人较满意,更主要的是其价格. 密封层的衰减随着孔隙数量的增加而降低。当孔数n增加时，衰减以20logn降

13、低；2孔时是-6dB，10孔时为-20dB.,屏蔽设计的基本原则,屏蔽体结构简洁，尽可能减少不必要的孔洞，尽可能不要增加额外的缝隙； 避免开细长孔，通风孔尽量采用圆孔并阵列排放。屏蔽和散热有矛盾时尽可能开小孔，多开孔，避免开大孔； 足够重视电缆的处理措施，电缆的处理往往比屏蔽本身还重要； 足够细心，电磁兼容设计必须注意每一个小环节，稍不注意就可能功亏一蒉； 屏蔽体的电连续性是影响结构件屏蔽效能最主要的因素，相对而言，材料本身屏蔽 性能的影响是微不足道的（低频磁场例外）； 有强烈的成本意识，注意高性能是以高成本为代价的。,衰减：是指对辐射源发出的干扰信号在源头上对其进行减弱。利用电阻，磁珠，磁环

14、等对信号的衰减特性来进行处理。如在IC刚出来的时钟信号线上串合适的磁珠、电阻，在从辐射源出来的连接线上加接磁环。此主要是对辐射源刚出来的信号进行出来，以减少其对其他敏感电路、器件等的干扰。,衰减,去耦,去耦：主要是指对辐射源通过线路出来的信号，对其进行去耦。主要的元件运用是选择合适的电容。如在某些时钟信号线上对地接电容，其利用电容对特定频率的选择性。在电源信号、复位电路上都会有此类电容。电源系统这类去耦电容显的特别的重要，电源是整个PCB的“血液”电源如果出来问题，会给许多的地方增加问题。,滤波：主要是对辐射源出来的信号进行滤波处理，把部分干扰信号滤除以减小它对后续电路的干扰。有前滤波与后滤波

15、。滤波器也需要注意其要有良好的接地，以便保证其良好的滤波效果。 以上是对辐射源常用的方法。,滤波,2）、传播路径：干扰信号到被干扰设备或电路的路径。这种路径有空间的也有线路的传播，针对不同的路径也有不同的应对方法。也可以利用屏蔽、衰减，去耦等方法来处理。当然这种方法常用于辐射源处理不够的情况之上，如某时钟信号附近的其它信号，由于受到到了时钟信号的影响，时钟的主频耦合到其上。可在该被影响信号对地加接适当的电容去耦，也可在PCB布板时两边用地护住时钟信号线。也可在该被影响信号线上串入磁珠衰减（注意磁珠的选择）。,3)、被干扰设备（敏感电路）：指被辐射源干扰的设备或电路从而导致的测试项目不合格。这种

16、被干扰设备在EMC中做处理时，也可用屏蔽、去耦、滤波等等方法来抑制。 以上便是电磁兼容里常说的三要素，即干扰源、传播路径、被干扰设备。,4）共模与差模 电压、电流的变化通过导线传输时有两种形态，即共模和差模。设备的电源线、信号线等的通信线、与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为返线路输送电力或者信号。但在两根导线之外通常还有第三导体，这就是地线。 干扰电压和电流分两种: 1、两根导线分别作为往返线路传输。 2、两根导线做去路，地线做返回路传输。 第一种我们称之为“差模”，第二种即是“共模”,如上图即是差模示意图，电源、信号源及其负载通过两根导线连接。流过一边导线

17、的电流与另一边导线的电流幅度相同，方向相反。而实际的电路时差模与共模并存，因此两根导线与地线之间也有电压，从而将导致流过两根导线上的干扰电流幅度不一样。如下图，在加在两线之间的干扰电压的驱动下，两根导线上有幅度相同但方向相反的电流（差模电流）。而如果同时在两根导线与地线之间加上干扰电压，两根导线就会流过幅度和方向都相同的电流，这些电流（共模电流）合在一起由地线向相反方向流。于是就有一根导线上差模干扰电流与共模干扰同向，所以相加；另一根导线则差模与共模反向，因此相减。从而使得流经两根导线的电流大小不一样。,再如上图，对于差模电压，一根导线上是（线间电压）/2，另一导线是-（线间电压）/2，平衡的

18、。对共模电压，两根导线上相同。而实际是两种模式都同时存在，从而导致对地电压不同。而导线的对地电压或电流可通过下式求解： N =（1-2）/ 2 c=（1+2）/ 2 N =（1-2）/ 2 c=（1+2）/ 2,5）差模辐射：差模辐射是由于差模电流流过电路中的导线环路时将引起差模辐射。 差模电路的辐射电场强度计算：,不难看出，在观测点不变的情况下，要想减小差模辐射，可以通过减小差模电流、降低频率来达到目的，即在保证电路功能的前提下，尽量使用低功耗和低速芯片。但这两种方法在实际应用中有一定的局限性，最有效的方法是控制信号环路面积，通过减小环路面积来减小差模辐射。 在PCB设计时，只要遵循上述理论

19、，就可以较主动地控制电磁辐射的产生。但必须注意一点，差模电流的实际路径并不是按照所设计的路径流动，而是选择阻抗最小的。因此，确定了最小阻抗的路径，也就确定了差模电流的路径。在主板上，时钟信号是一个辐射最强的信号，在紧靠它的边上布1条地线，信号电流一定会通过此回路，因此形成了较小的回路面积，减小了差模辐射和对外界的干扰。,对于双层板，利用地线网络，以减小地线的阻抗。当使用地线网络后，信号线的邻近会有1条地线，从而形成较小的回路面积。对于多层板，专门用2层做电源和信号地线，这样，信号线与地线之间的距离只是线路板层间的距离。根据前面的分析，高频电路总是选择环路面积最小的路径流动，因此，实际的电流总是

20、在信号线正下方的地线上流动，这样自然形成了最小的信号环路面积，从而减小了差模辐射。 由上可知减小差模辐射的方法有： （1）、降低电路的工作频率，因电磁波速度=频率x波长，工作频率越小，波长越长，从而使E变小。 （2）、减小信号电流的环路面积。 （3）、减小信号的电流强度。,6）、共模辐射：共模辐射是由于接地电路中存在电压降，即某些部位具有高电位的共模电压，而某些部位具有低电位的共模电压。从而形成了共模辐射。 注意：通常共模辐射是产品的主要EMI问题。 共模辐射主要是从电缆上辐射。 其计算公式： E=12.6x10 -7 (fL)(1/r) 其中表示电流强度，f表示共模电流的频率，L表示电缆线长

21、度，r表示测量天线到电缆的距离,由上可知减小共模辐射的方法有： （1）、减小地电位 （2）、使用去耦电容 （3）、使用铁氧体磁环 （4）、使用共模电源滤波器 等等 共模辐射是EMI中最主要的一种辐射干扰，通俗的说常常是电路板地的“不平整”导致，或者连接线连接的两处地方电位的高低差而导致连接线变成了辐射天线。而电路板则常常是由于地阻抗而引起电位高低不平从而能量由高到底有了辐射出来的条件。所以在电路设计与PCB排版时要特别的注意PCB地阻抗的问题，从而更多的减小其产生的干扰！数字器件信号的快速上升沿会产生谐波，进而发出大量射频能量，具备高驱动能力的输出信号和高速周期信号尤其如此(如时钟、地址、数据

22、传输信号)，共模EMI干扰源的抑制主要针对于此。,抑制干扰源的基本技术有在关键信号输出端串入小阻值的电阻，通常采用22到33欧姆的电阻，稍大一些的也没有问题。这些输出端串联小电阻能减慢上升/下降时间并能平滑过冲及下冲信号，从而减小输出波形的高频谐波的振幅，进而达到有效地抑制EMI的目的。电阻的位置应尽量靠近IC输出引脚。评估上升沿和下降沿时间对整个电路时序的影响是非常重要的，如果由于电路工作时钟频率很高而使得必须计入器件上升/下降沿时间对电路时序的影响，则此解决方案可能不太适合于此类应用。当高速器件应用在工作时钟频率较低的电路时，该方案的效果才最佳。,7）电容性耦合：也称电感应耦合 电容性耦合

23、是指两个电路中的导体靠的比较近且存在电位差，任一个电路中导体的电场就会对另一个电路中的导体电场产生感应。 源电路上的电压可产生电力线，它与敏感电路相互作用后，就出现电容性耦合。感应电压是源电压、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。 假设导线1上的电压U1为骚扰源电压，而导线2为受影响的电路（即敏感电路），则导线2和地之间产生的噪声电压Un可用下式表示 Un=U1jC12 R/1+jR(C12+C2g),1、当R远小于1/j(C12+C2g） 那么Un=jC12 RU1 相当于产生了一个幅度为In=jC12 U1的电流源。所以电容性耦合可以用连接在导线2与地之间的电流源In来模拟。 由上可以噪声

24、电压直接正比于骚扰源的频率、敏感电路到地的电阻R、导线1和导线2之间的电容C12以及电压U1 2、当R远大于1/jC12+C2g）， 可得Un= U1C12/(C12+C2g) 而与前一种情况相比此时的噪声电压要大的多.,8）电感性耦合：也称磁感应耦合 当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）链环，结果出现磁感应（电感性）耦合。感应电流是源电流、频率、导体几何形状和电路阻抗的函数。 当电流在电路1中流动时，在电路2中产生磁通，使电路1和2之间存在互感M12如图,则M12=12/I1，其中12表示电路1的电流I1引起电路2的磁通。 由磁通密度B的磁场在面积为A的闭合回路中所引起的感

25、应电压Un，可由法拉第定律导出，得 式中B和A都是矢量。如果闭合回路是固定的，则整个环面积定，而磁通密度随时间作正弦变化，即 其中B磁通密度，单位特斯拉；A闭合回路的面积m2 因此，BAcos 表示耦合到敏感电路的总磁通，则用两电路的互感M12来表示感应电压，可得,由上式可知，为了减小噪声电压，必须减小B、A或COS 。减小B，可采用电路的物理分隔。减小敏感电路的面积，可以将导线紧贴在地上（如果返回电流通过此附近的地时）或使用两根胶合在一起的导线（如果是一去一回的电路）。减小cos ,可适当调整骚扰源和敏感电路的相对位置。 对于电感性耦合，噪声电压产生于与敏感电路串联的导线中；对于电容性耦合，

26、噪声电流产生于敏感电路与地之间。实际中可用下方法鉴别电容性耦合或电感性耦合；测量跨接电缆一端阻抗上的噪声，并减小该电缆另一端上的阻抗。如果所测的噪声电压减小，则为电容性骚扰；如果所测的噪声增加，则为电感性耦合。,3、接地 当使用“接地”这个词汇时，设计者通常是指许多种不同的事。它可能是指 相对于 50/60Hz 之交流电源之安全接地。它可能是指对高 速布线之信号参考点。它可能是指在 PCB 上之电源回返，或者，它可能是指金属机壳之机壳接地点。它甚至也 可能指的是真正的大地接地点，像是在EMI开放测试场地中的金属地平面一样。 但实际上在所有的这些场合中接地这个字不可能都是同样的电位位准，但这却是

27、最原始接地 的定义。接地是一个零电位的点。实际上，接地 或是零电位只存在于无限值，因之，除非我们使用了非常长的导线，否则真正的零接地电位是不可能存在我们的产品,电子上最先使用地这个名词是在电报时代，在早期之电 报时代，电线是很昂贵的。他们发现若是发送者之一端与接收者之一端都接到大 地的话，则只要一条线而系统还是运作的很好。发送端 与接收端都接地而形成电报回路，如下图。对于信号之脉冲率在每秒 5 个脉冲以下时，这是一个绝佳的方式。不管地面的传导性如何，信号还是可以传达。很明显地，当信号速率提升时这方式完全无法接受，因为当频率提升时地面之阻抗很快速的增加。此时必须考虑到整个的电流路径。不只是直接的

28、传输路径(信号路径)，同时还包括回返电流路径(信号回返电流)。,（1）、信号参考地 “地”的最常之用途是表示信号参考，或是信号回返路径。在简单之低速电路板上，回返电流路径可能是一条布线路径，所以信号电流经信号路径流出接收机并沿着信号回返路径流回到发射端/驱动器。下图显示此种之线路布局。使用此种之设计策略，回返电流路径是经特别设计的，因此可以小心的注意到此些路径不会中断或是干扰到其它之电路，或是由其它电路耦合到噪声。,此种走法对低速信号完全没有问题，然在高速信号时完全没有办法来实现较好的回流路径。而微带法则能很好的解决此问题。信号电流在布在线流动而回返电流在平面上流动。因为信号布线与参考平面之间

29、紧密耦合的原因，回返电流会在参考平面上布线之直接正下方(或上方)流动。 (注：大部分之回返电流会直接在线路布线之下/或之上流动，但是还有部分之回返电流会散开来以寻找最低电感之路径。）下图为列，回返电流(大部分)会在微条之投影下方之参考平面流动。对于图之对称条线法，回返电流平均的使用上下两个平面。只要在参考平面没有不连续性存在，譬如说平面之破裂、贯穿孔、等等，回返电流就会保持与信号电流紧密的耦合，如此就是一个有效的传输线了,（2）、电源参考地 地的另一个一般用法是指电源电流回返。一般说来，对于一个 IC 不会去区分信号电流回返与电源电流回返。IC 需要有电源供应以推动信号电流到信号布线之上，以及

30、供应 IC 内部之运算电路、逻辑闸、等。这些内部之电源电流必须要经由电源参考的连接以回到电源供应端。此种目的之电流路径并不会沿着信号路径，而是以另一个完全不同的路径来走。对于简单的低速电路，电源之接线很清楚，而电源之回返电流路径也很直接了当，如图所示。电源供应到驱动器 IC，一些电流流到信号路径上，其它的直接回到电源供应器以及去耦合电容上。,当信号速度增加到需要做传输线控制时，例如微条或条线方式，此时信号参考平面通常也把它当作电源供应平面以及地或是电源参考平面。此意味着“信号参考平面”可以是“电源平面”或是“电源参考平面” 。,（3）、机壳地 大多数之产品以金属屏蔽之机壳将电路板包裹起来。所有

31、内部之电源参考及所有内部之信号参考应该要连接到最靠近 I/O 连接器端(外部缆线离开板子的地方)之金属机壳上。对系统整体之辐射特性而言金属机壳是很重要的。EMI 辐射最常见之原因是来自于外部缆线及缆线屏蔽上的共模电流。此电流是因为在缆线(或缆线屏蔽层)与机壳间之电位差所致。从外部辐射之观点来看，机壳是终极地，此意味着要控制外部辐射最主要的就是要降低在机壳与缆线间之电位差。,（4）、单点接地 单点接地策略仅仅使用一个接地点在系统中。所有之电路都参考到该点。如下图1所示。对于 DC 及低频电路来讲可以运作的很好。一旦频 率升高到 100kHz 以上，寄生电容与寄生电感变得足够大，以至于会让电流流到

32、 不是规划的路径上。如下图2所示，当回返电流流到非规划之路径时，EMC 问题就会变得很严重。大部分之辐射问题之起因都可以追朔到回返电流流到不是规划的路径。所以当频率增加到 100kHz 以上时，单点接地就必须要改成多点接地了。与其强迫一定要使用单点接地，倒不如考虑将电路区分开来之方法，而对那些电路提供适当之接地参考路径。这样需要对每一个信号分别考虑其回返电流，包括 DC 电源以及低频、中频、及高频电路。,图1单点接地,图2单点接地并考虑寄生耦合,（5）多点接地 当频率高过 100kHz 以上时，要以多点接地来设计。多点接地指的是每一个电路都有它自己的参考接地点。如图,4、电容器的选择 电容器

33、电容一般是应用在电源总线，提供去耦合、旁路、和维持固定的直流电压和电流之功能。真正单纯的电容会维持它的电容值，直到达到自谐振频率。而对于EMC来说，对电容的选择我们更关心的是它的寄生电感、寄生电阻以及电路工作的频率。而电容器又是我们最常用的器件之一，因此在选择的时候就变的非常重要。 电容器的等效电路如下图：,（1）、铝电解电容 铝电解电容的等效串联随着应用频率的增大而增大，同时也随着温度的下降而增大。铝电解电容的体积较大，所以自身电感也较大。因此，铝电解电容属于低频电容，不能应用在25KHz频率以上。 铝电解电容的应用： 铝电解电容常用于低频滤波、旁路和耦合。若将铝电解电容应用于交流或直流脉冲

34、电路，则电路中的纹波电压不能超过电容器的最大额定纹波电压。 （2）、固体钽电解电容 固体钽电解电容等效串联电阻较小，体积-电容比大于铝电解电容。某些底电感的固体钽电解电容可用于比铝电解电容更高的频率范围。 固体钽电解电容的应用： 固体钽电解电容其应用与铝电解电容一样，用于低频滤波、旁路和耦合。只是由于其寄生电感稍低于铝电解电容，其能应用的工作频率范围大一些。,（3）、纸介电容器和聚酯薄膜电容器 纸介电容和聚酯薄膜电容器的等效串联电阻都小于电解电容器，但仍然有较高的电感，它们的体积-电容比小于电解电容，应用的频率范围也比较的适中，可达几MHz。 纸介电容和聚酯薄膜电容器的应用： 纸介电容和聚酯薄

35、膜电容器的典型应用是滤波、旁路、耦合、定时和噪声抑制。 （4）、云母电容器和陶瓷电容器 云母电容器和陶瓷电容器的串联等效电阻以及串联等效电感都非常小，属于高频电容器。只要电容器的引线足够短，可有效用于高达500MHz的频率范围。 云母电容器和陶瓷电容器的应用： 它们一般用于高频滤波、旁路、耦合、定时和鉴频，它们的时间、温度和电压特性非常的稳定。而高K值陶瓷电容器，它的时间、温度和频率特性相对不是很稳定，因此它只适用于中间段的频率范围，所以通常用于旁路、耦合和隔离。而高K值陶瓷电容器的一个缺点是瞬态过电压可能导致电容器损坏，所以它不宜直接连在低阻抗电源上做旁路电容。 同时注意：此类插件的云母电容

36、器和陶瓷电容器，其焊接后留下的管脚应尽量的短，由于其常用于高频的滤波、旁路、耦合、定时和鉴频，容易把其余留的管脚变成天线辐射。,（5）、聚苯乙烯电容器 聚苯乙烯电容器的串联电阻非常小，电容-频率特性也很稳定，接近于所有可用电容器的最理想状态，也适用于高频率范围应用。 聚苯乙烯电容器的应用： 其典型的应用包括滤波、旁路、耦合、定时和噪声抑制。 （6）、三端电容 三端电容也叫EMI滤波器，普通电容的引线电感对于电容的高频滤波作用是有害的，而三端电容却巧妙地利用了引线电感，构成了一个T形低通滤波器 。主要应用于电源、信号线等的滤波。 其结构图、等效图如下：,1、时钟信号沿的设计,在满足产品功能要求的

37、情况下，沿尽可能缓； 如右图所示，使沿变缓的方法是增大电阻R和电容C的值； 所以，单板原理图设计时，在时钟信号的输出端串联一个电阻R，此电阻同时可以用来进行匹配（见后续描述）； 电容C的实现可以采用在PCB设计时预留焊盘或通过信号线的对地分布电容来控制。,四、关键电路的EMC设计,2、时钟输出匹配设计,时钟输出不匹配带来的危害： 信号不匹配会导致信号来回反射，反射信号会在原来信号上叠加，产生振铃或过冲，导致较为严重的辐射，如下图：,2、时钟输出匹配设计,通用的输出匹配方法： 一般器件的输出阻抗为十几个欧姆，而PCB板上的走线阻抗Z0范围为1575欧姆，导致非常严重的失配，一般采用串联一个电阻的

38、方式进行匹配，电阻的选择可以在2251欧姆之间。许多电路里面串联着33 欧姆的电阻，其实主要是为了实现阻抗匹配，而不是限流。,2、时钟输出匹配设计,时钟输出匹配后的改善： 从下图中的左图可以看出，原先的过冲没有了，所以右图中的频域辐射图得到了很大的改善。,3、时钟输出或驱动器件的电源去耦设计,时钟器件的电源去耦方式一般为：磁珠10uF电容高频电容；或者使用0.1uF与100pF电容并联去耦。前者效果比后者好。 高频电容的选择：根据时钟频率选择电容的容值，选择范围为：100pF0.1uF，典型值为1000pF。,3、时钟输出或驱动器件的地设计,时钟器件的金属外壳在原理图设计时需要定义为地网络属性

39、。,4、总线信号沿的设计,对于可编程的总线输出芯片，建议使用软件控制其沿的陡度； 对于不可编程的芯片，采用的方法同时钟源，但给每根总线都并电容的可能性不大，因为每根总线对地都有分布电容，所以增大右图中的R同样可以减缓信号上升沿。,5、总线信号输出匹配设计,匹配电阻的选择：22欧姆51欧姆。 一般不建议采用阻排，因为阻排容易产生串扰，并且阻排之中如果有一个电阻故障，整个阻排都需要更换，成本大。,6、总线驱动器件的电源去耦设计,同时钟源器件的电源去耦设计,7、关键IC的电源去耦设计,无去耦设计的危害,7、关键IC的电源去耦设计,危害的解决方法,7、关键IC的电源去耦设计,如何进行去耦设计 采用磁珠

40、低频电容高频电容的组合方式，其中： 磁珠选择的原则DC阻值越小越好，百兆电阻越大越好； 低频电容的一般取值为10uF； 高频电容的取值一般为100pF0.1uF，典型值为1000pF。 或使用0.1uF电容去耦与100PF电容并联使用。,8、接口电路干扰抑制设计,接口电路因其接有外出电缆，使得其共模辐射很大。,8、接口电路干扰抑制设计,接地设计 减小前页图中的VP和VG,9、面板复位电路抗干扰设计,面板复位按钮是静电非常敏感的电路，可以采用右图两种方法处理。 其中电容的典型值为560pF，双向TVS管可以选择结电容较小的的管子，结电容在1000pF以下。 此外，尽可能增加R进行限流。,10、面

41、板指示灯抗干扰设计,如右下图所示，面板指示灯需要设计防静电电容和限流电阻进行防静电设计，电容的典型值为560pF，电阻取值依赖于LED点灯所需的驱动电流一般为几十至几百欧姆。 电容可以用双向TVS管代替。,五、PCB的设计,EMI设计的首要方法是抑制辐射源，因此在PCB排板时首先要明确的是辐射源。当然在电路设计的时候设计师也必须明确这个问题，在电路设计的时候能确保信号完整的情况下对信号做处理，比如去耦电容、旁路电容的设计，特别是铁氧体磁珠在电路中的应用，它能比较有效的抑制一些高次谐波的辐射！而实际电路中的信号传输无时无刻不伴随着流动着的返回电流，也就是这些电流成为EMI的原因，因为一个信号的传

42、输意味着一个电流环路的存在，所以在许多设备中，主要的发射源是PCB上电路（时钟、视频和数据驱动及其他震荡器）中流动的电流。其可以用小环天线模型来描述。小环是指其尺寸小于感兴趣频率的四分之一波长（如75MHz为1m）。当发射频率到几百兆赫时，多数PCB环路仍为是“小”的。其尺寸接近四分之一波长时，环路上不同点的电流相位是不同的。这个效应在指定点上可降低场强，也可增大场强。在自由空间里，辐射强度随着发射源的距离按正比例下降。当然，PCB中差模辐射也同样存在。,1.跨越电源/地层的信号线：,对信号回流不能认为必须在走线正下方的参考平面。回流的途径是多方面的：参考地平面，相邻的走线，介质，甚至空气。

43、我们知道，交流信号会自动选阻抗最小的路径返回驱动端。但究竟哪个占主，要看它和信号走线的耦合程度，耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。如在多层PCB,参考平面很近，耦合了绝大部分的电磁场，99以上的信号能量将集中在最近的参考平面回流。,信号回流路径：,理想信号回流示意图,信号,地/电源回路,实际情况中的信号回流,信号,地/电源回路,1.跨越电源/地层的信号线：,过层电容：连接电源和地层。位置安装在顶层或底层。,1.跨越电源/地层的信号线:,建议值： 10MHz以上的网络，如通过 Via跨越了电源和地层： (1). 过层电容距离信号Via不得超过 200mil ; (2).对信号进行包地处理时

44、，信号线离地网络不能超过10mil；,2.不连续的回路:,槽大于200mil造成回流路径中断,信号的镜像层出现大于200mil的槽孔,2.不连续的回路:,高速信号线出现了跨岛,2.不连续的回路:,建议值： 10MHz以上的每个网络： (1).如通过 Via跨越了电源和地层，过层电容距离信号Via不得超过 200mil ; (2).包地信号线离地网络不能超过10mil； (3). 避免高速信号线跨岛，无法避免可在信号线附件增加跨岛电容；,信号通过Via换层出现，回流路径改变,线间距应小于10mil,2.不连续的回路的案例1:,跨岛电容实例放大图,3 .信号线包地:,空间受限包地无法再深入,3 .

45、信号线包地:,建议值：在 10MHZ 以上的每条网络，在同一个平面层，回流路径不连续时的要求： (1). 信号线离地网络最大距离为 10mil; (2). 包地线离信号的 Pad距离为 200mil视为有效包地；,200mil,线间距应小于10mil,4.包地线上相邻 2 个地孔的距离：,建议值：所有包地线，相邻过孔距离不超过2800mil ，原则上应多加过孔,5.地平面边缘的地孔：,建议值： 针对所有高速PCB板 (1).接地孔距离地平面边的最大距离为 200mil; (2).地线上的相邻 2个地孔的距离最大为 2800mil； (3).尽量保证高速PCB板有地环包围所有信号线。,6.PCB

46、布线长度：,大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长（）。因此在EMC的规范中，要求导线或走线的长度少于/20，否则它突然地变成一根高效能的天线。 例如：假设有一根10 cm的走线在频率超过150 MHz时，将形成一根有效率的辐射天线。因为在150 MHz时，其波长= 2m，所以/20 = 10cm 等于 走线的长度；若频率大于150 MHz，其波长将变小，其1/4或1/2值将接近于走线的长度10cm，随着频率的提高，逐渐形成一根完美的天线。,=PCB介电常数 4.5 - 4.8,6.PCB布线长度：,这里指的频率包括两方面信号：一、信号频率足够高； 二、信号边沿足够小； 我们知

47、道，高速开关信号的EMI 发射带宽的计算公式： f=1/Tr， f为开关电路产生的最高 EMI频率，单位为 GHz Tr 为信号的上升时间或者下降时间，单位为 ns。 如上升时间为1ns ，它所产生的最高EMI 频率为350MHz，而降为为500ps，那么最高EMI 频率为700MHz。 因此，我们在layout时重点关注频率高和上升或者下降时间快的信号。如CLOCK I2S DDR LVDS 等高速数字信号。,时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近 ，且尽量使SD-CLK的走线短，直，并在两旁用大于2倍SD-CLK的线宽包地 。由于窄的信号线更容易增加高频信号衰减 ，并

48、降低信号线之间的电容性耦合 ，时钟信号使用4mil到8mil(1mil=0.0254mm)的布线宽度 .,7.PCB时钟信号布线：,8.过孔数量：,建议值：原则上随着频率升高，过孔的数量要减少，对于高速信号，尽量不做过孔。在10MHz 以上的每条网络的过孔数量最多不能超过 5 个. 如果必需过孔，建议随着频率的升高，过孔数量尽量的少甚至不过孔。,9.连接到连接器上 的Filter（R L C F ）安装位置：,建议值：在10MHZ 以上的每条网络，距离连接器的 Filter(L C R F), 距离不得大于1400mil 。,10.差分信号：,建议值： (1). 差分组内的长度差建议不能超过

49、40mil (1mm )； (2). 2 组平行线间的缺省的最大/最小值分别为 5/200mil (3). 不平行的长度的最大值为80mil ； (4). 距离电源/地的距离为 10mil. .,11.走线离板边的距离检查：,建议：1.PCB上的信号网络(除GND）其走线离板边的距离40mil。 2.电源层符合 20H原则 (即地平面的边缘比电源平面宽20H) (H 是电源到地平面的距离)。,OK,NG,40mil,电源层,地层,20H,对于 PCB 的走线 ，建议如下一些措施来抑制 EMI： 1. 高频信号尽可能靠近地平面(或其他参考平面)。 2. 电源层和地层设计时满足20H 原则。. 3. 将时钟尽量走在两层参考平面之间的信号层。 4. 保证地平面(电源平面)上不要有人为产生的隔断回流的断槽。 5. 在高频器件周围，多放置些旁路电容。 6. 信号走线时尽量不要换层，即使换层，也要保证其回路的参考平面一样。