七、印制电路板基础-1.ppt

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EMCtheoryandapplication无源器件隐含的射频特性无源器件隐含的射频特性EMC是是“巫术巫术”？

为什么一支电容器不仅仅是电容？

为什么一支电容器不仅仅是电容？

为什么电感器不是电感？

为什么电感器不是电感？

第第7章章印刷电路板基础印刷电路板基础EMCtheoryandapplicationPCB怎样产生射频能量怎样产生射频能量麦克斯韦方程描述了产生麦克斯韦方程描述了产生EMI的根本原因是时变电流，的根本原因是时变电流，对麦克斯韦方程的高度概括可以认为其方程可以联合对麦克斯韦方程的高度概括可以认为其方程可以联合成欧姆定律成欧姆定律（时域）（时域）（频域）（频域）式中，式中，V是电压，是电压，I是电流，是电流，R是电阻；是电阻；Z是阻抗，下标是阻抗，下标rf表示表示“关于射频能量的分量关于射频能量的分量”当频率低于数千赫兹时，最小阻抗路径就是最小电阻路当频率低于数千赫兹时，最小阻抗路径就是最小电阻路径；当频率高于数千赫兹时，电抗的值通常就超过了电径；当频率高于数千赫兹时，电抗的值通常就超过了电阻值阻值R，最小电抗路径成为主导因素，最小电抗路径成为主导因素EMCtheoryandapplicationE低频电路低频电路信号和回流电流都具有直接路径信号和回流电流都具有直接路径的情况的情况E高频电路高频电路回流路径与源路径的物理长度不回流路径与源路径的物理长度不同，会由于路径较长而附加了额同，会由于路径较长而附加了额外的阻抗。

自由空间的波阻抗为外的阻抗。

自由空间的波阻抗为377，但在，但在100kHz和和1MHz的的频频率范率范围围只要具有很小的只要具有很小的电电抗就抗就会有超会有超过过377的阻抗的阻抗。

因为。

因为电流电流必须回到源头去并满足安培定律，必须回到源头去并满足安培定律，RF能量就会经过可能的最低阻抗能量就会经过可能的最低阻抗路径回流路径回流，当回流路径的阻抗大，当回流路径的阻抗大于于377时时，自由空，自由空间间就就变变成了回成了回流路径，于是就流路径，于是就发发生了生了EMI辐辐射射EMCtheoryandapplication磁通和磁通对消磁通和磁通对消如果如果RF回流路径平行靠近其相应的流出线条，则回流路回流路径平行靠近其相应的流出线条，则回流路径上的磁通（顺时针场）与源路径上的磁通（逆时针场）径上的磁通（顺时针场）与源路径上的磁通（逆时针场）是方向相反的，于是顺时针磁场和逆时针磁场迭加时，是方向相反的，于是顺时针磁场和逆时针磁场迭加时，就得到了对消的效果就得到了对消的效果，常用的通量对消技术有：

，常用的通量对消技术有：

l在多层印制电路板的情形，可以采用恰当的叠层安排在多层印制电路板的情形，可以采用恰当的叠层安排和阻抗控制以便产生一个和阻抗控制以便产生一个RF回流像电流或回流的地回路回流像电流或回流的地回路l将时钟线条布放在靠近将时钟线条布放在靠近RF回流路径、接地平板（多层回流路径、接地平板（多层PCB时）、地网格或接地时）、地网格或接地/保护线条处保护线条处l将元件塑料封装内产生的磁通引导到零伏参考系统将元件塑料封装内产生的磁通引导到零伏参考系统l通过降低时钟或频率振荡电路产生的通过降低时钟或频率振荡电路产生的RF驱动电压来减驱动电压来减弱线条中的弱线条中的RF电流电流EMCtheoryandapplication线条拓扑结构线条拓扑结构两种基本拓扑：

微带线和带状线两种基本拓扑：

微带线和带状线图图PCB叠层结构举例叠层结构举例EMCtheoryandapplicationp微带线微带线位于位于PCB的的顶层、底层或其他外层顶层、底层或其他外层上的印制线条上的印制线条微带线对微带线对PCB上产生的上产生的RF能量的抑制能力能量的抑制能力最小最小快速时钟和逻辑信号的传播采用微带线结构快速时钟和逻辑信号的传播采用微带线结构快速信号要求小电容耦合和低的源到负载的传输延快速信号要求小电容耦合和低的源到负载的传输延迟时间迟时间电容对时钟的作用是减缓数字信号的边沿过渡过程电容对时钟的作用是减缓数字信号的边沿过渡过程当两个实体金属平面间的耦合电容较小时，信号就当两个实体金属平面间的耦合电容较小时，信号就传播地快些传播地快些当使用微带线时，线条位于当使用微带线时，线条位于PCB外层，由于没有顶外层，由于没有顶和底电路层的防护作用，将会向环境辐射和底电路层的防护作用，将会向环境辐射RF能量能量EMCtheoryandapplicationp带状线带状线位于位于两个实体平面层中间的信号线层两个实体平面层中间的信号线层上，这两个上，这两个实体层可以是实体层可以是地电位地电位，也可以是具有一定电位的，也可以是具有一定电位的电电源平面源平面带状线加强了抗带状线加强了抗RF辐射发射噪声的特性，但相应辐射发射噪声的特性，但相应地减缓了传播速度地减缓了传播速度仍然会由于在外层安装的元件而产生辐射仍然会由于在外层安装的元件而产生辐射使使PCB顶层上元件引线电感最小顶层上元件引线电感最小会减小辐射发射会减小辐射发射作用作用当使用当使用双双带状线时，两个布线层上的线条是带状线时，两个布线层上的线条是垂直垂直布置的布置的EMCtheoryandapplication叠层安排叠层安排在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面路要求的功能需要多少个布线层和电源平面最好在最好在PCB上就把上就把RF能量抑制下去，而不是靠金属能量抑制下去，而不是靠金属机箱或封闭的导电塑料盒将机箱或封闭的导电塑料盒将RF能量封闭住能量封闭住每一个布线层都与一个参考的平面（电源或地）相每一个布线层都与一个参考的平面（电源或地）相邻，而只有最外层的微带线或单层板的情况例外，邻，而只有最外层的微带线或单层板的情况例外，最外层的微带线只应该是低速线条最外层的微带线只应该是低速线条对于多层参考平面的情形，与零伏参考平面邻近的对于多层参考平面的情形，与零伏参考平面邻近的布线层比邻近电源平面的布线层更具有高速信号线布线层比邻近电源平面的布线层更具有高速信号线条的特性条的特性EMCtheoryandapplicationp单面板设计：

通常只用于那些不包含周期信号（时钟）单面板设计：

通常只用于那些不包含周期信号（时钟）的产品或者用于模拟信号的仪器和控制系统中的产品或者用于模拟信号的仪器和控制系统中单面板单面板PCB一般只用在几百千赫兹工作的情形一般只用在几百千赫兹工作的情形最便捷的设计单面最便捷的设计单面PCB的方法是由设计电源和接地线开的方法是由设计电源和接地线开始，然后设计高风险信号（时钟），该信号的线条必须紧始，然后设计高风险信号（时钟），该信号的线条必须紧靠近接地线条，最后再进行其余线条的设计靠近接地线条，最后再进行其余线条的设计EMCtheoryandapplication

（1）确定沿着最关键电路的信号网络中的电源）确定沿着最关键电路的信号网络中的电源和接地点和接地点

（2）划分为功能子段布线，考虑敏感元件及其）划分为功能子段布线，考虑敏感元件及其相关的相关的I/O端口和连接器的要求端口和连接器的要求（3）将最关键信号网络的所有元件邻近放置）将最关键信号网络的所有元件邻近放置（4）如果需要有多个接地点，确定这些接地点）如果需要有多个接地点，确定这些接地点是否需要连在一起是否需要连在一起（5）布防其余线条，但要记住承载）布防其余线条，但要记住承载RF频段能频段能量多的线条需要采取通量对消措施，同时要注量多的线条需要采取通量对消措施，同时要注意能确保意能确保RF回流路径始终是可用的回流路径始终是可用的EMCtheoryandapplication图中是较差的布线设计，在电源和地网络中存在着许多多图中是较差的布线设计，在电源和地网络中存在着许多多余的回路面积。

此外，没有给关键线条的余的回路面积。

此外，没有给关键线条的RF回流电流准回流电流准备回流路程。

备回流路程。

EMCtheoryandapplication非对称地放置不同封装尺寸的元件，采用同一电源要求的非对称地放置不同封装尺寸的元件，采用同一电源要求的元件，这已经成为单面板设计的标准做法，上图中的电源元件，这已经成为单面板设计的标准做法，上图中的电源和接地线条采用了径向路由的方法和接地线条采用了径向路由的方法EMCtheoryandapplication这种布线方法的唯一存在的问题是需要决定如何选择各这种布线方法的唯一存在的问题是需要决定如何选择各种径向路由结构中的恰当的到电源连接器的连接方式种径向路由结构中的恰当的到电源连接器的连接方式

（1）所有的电源和接地线条都要采用径向路由方式由电）所有的电源和接地线条都要采用径向路由方式由电源配送，使线条的全长最短源配送，使线条的全长最短

（2）使接地和电源线条相互紧邻（平行）布线。

这样就）使接地和电源线条相互紧邻（平行）布线。

这样就可以使那些高频开关噪声回路电流对其他电路和控制信号可以使那些高频开关噪声回路电流对其他电路和控制信号的影响最小，理想情况下，这些线条间隔最好保持大于一的影响最小，理想情况下，这些线条间隔最好保持大于一个线条的宽度，只有在连接退耦电容器时，线条间隔要求个线条的宽度，只有在连接退耦电容器时，线条间隔要求必须大于一个线条的宽度。

噪声信号流动应该平行于这些必须大于一个线条的宽度。

噪声信号流动应该平行于这些回流路径回流路径（3）不要将树枝形的路由的不同分支相连，以避免产生）不要将树枝形的路由的不同分支相连，以避免产生回路电流回路电流EMCtheoryandapplicationp双层板设计双层板设计l将电源和地布成网络状，使组成的全部回路面积不超过将电源和地布成网络状，使组成的全部回路面积不超过3.8cm2；l使电源线与电路线条相互成九十度角，电源线条与接地线条各置使电源线与电路线条相互成九十度角，电源线条与接地线条各置于不同层上；于不同层上；l将接地线条垂直方向布于一层，而电源线条水平方向布于另一层，将接地线条垂直方向布于一层，而电源线条水平方向布于另一层，反之亦然反之亦然l在每一个网格节点和每一个在每一个网格节点和每一个IC芯片处都布置一个退耦电容芯片处都布置一个退耦电容EMCtheoryandapplication必须在尽量靠近强干扰信号线条的附近布放一条回流线条以便必须在尽量靠近强干扰信号线条的附近布放一条回流线条以便RF能能量能经这个回流路径回到源头去。

电源及其回流线必须相互平行布量能经这个回流路径回到源头去。

电源及其回流线必须相互平行布置，每一个向电源系统中注入开关电能的器件都要加退耦电容置，每一个向电源系统中注入开关电能的器件都要加退耦电容振荡器振荡器图图加强型双面板布线中对加强型双面板布线中对RF回流的安排回流的安排EMCtheoryandapplication第第2种实际应用中典型的布线设计方式种实际应用中典型的布线设计方式:

与前图几与前图几乎相同，唯一不同的是将乎相同，唯一不同的是将电源和地线线条布在电源和地线线条布在顶层和底层两层上顶层和底层两层上。

由于有两层可以利用，所。

由于有两层可以利用，所以布线比较容易而且能使回路面积尽可能的小。

以布线比较容易而且能使回路面积尽可能的小。

双层双层PBC,虽然有顶层板（装有元件的一层）和底虽然有顶层板（装有元件的一层）和底层（有一个接地平面或零伏参考面）但总认为层（有一个接地平面或零伏参考面）但总认为RF电流的回流路径仍然处在顶层内。

如图。

电流的回流路径仍然处在顶层内。

如图。

所以，进行双层板设计时，最好的方法是把它看所以，进行双层板设计时，最好的方法是把它看成两个单层板来设计，顶层和底层板都采用单成两个单层板来设计，顶层和底层板都采用单层板的设计规则和设计技术。

任何时候都要保层板的设计规则和设计技术。

任何时候都要保证接地环路控制，要证接地环路控制，要为为RF回流电流提供实际存回流电流提供实际存在的线条在的线条。