电磁兼容设计在印制电路板中的应用.docx
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电磁兼容设计在印制电路板中的应用
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.8No120 2. 02
电磁兼容设计在印制电路板中的应用
Apiaino plcto fEMC sg nPCB Deini 北方交通大学电磁兼容实验室 (京100)北000 柴 瑜 沙 斐
【摘
要】讲述了印制电路板的电磁兼容设计。
从元器件的布置到地线、电源线以爰信
号线的设计,最后又介绍了多层板设计时的一些问题。
关键词:
电磁兼窖,电磁骚扰,共模辐射,差模干扰
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10言 l
电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之
一
2单、双层印制电路板的电磁兼容设计
印制板上的电路虽然各式各样,就布线和设 但计而言总是有些共同的原则应该遵循。
在印制板布
线时通常先确定元器件在板上的位置,后布置地 然线、源线,安排高速信号线,后考虑低速信号 电再最线,在分别加以讨论。
现
,
电磁兼容设计是宴现设备或系统规定的功能、使
系统教能得以充分发挥的重要保证。
必须在设备或 系统功能设计的同时,行电磁兼容设计。
磁兼容 进电设计的要求是使电子设备或系统满足电磁兼容标准 的规定、有两方面的能力:
1能在预期的电磁环 具()
境中正常工作,性能降低或故障;2不会对其他 无()系统或设备的正常工作产生影响.为其电磁环境 成
中的电磁污染源。
电磁兼容设计可分为系统内和系统间两部分, 主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分 析、测、制和评估,现电磁兼容和最佳效费比 预控实
系统间电磁骚扰控制技术包括:
有用信号的控制、对 对人为骚扰的控制、自然骚扰源的控制。
统内电 对系
磁兼容设计包括:
制电路板的设计、源器件的选 印有
用、及电路板的布线、地、蔽及滤波。
文主要 以接屏本
讨论印制电路板的电磁兼容设计。
印制电路板是构 成数字电子设备的基础,证印制电路板的电磁兼 保容性是整个系统设计的关键,确地完成印制电路 正板的布线和设计应该使得;1板上的各部分电路相 ()互间无干扰,能正常工作;2印制板对外的传导 都()发射和辐射发射尽可能降低,到有关标准要求;达 ()部传导干扰和辐射干扰对印制板上的电路基 3外本无影响。
主要讲述两大问题:
是单、层电路板 一双
的电磁兼容设计.是多层电路板的电磁兼容设计。
二
21元器件布置 .()器件布置的首要问题是对元器件的分组。
1元 元器件可以按照所用的电源电压不同来分组,按 可照数字电路和模拟电路分组,也可按照高速低速、大 电流小电流等来分组。
这里建议首先以不同的直流 电源电压来分组。
如果使用同种电压的元器件中仍 有数字和模拟元件之分,可以再进行分组。
电源 则按电压、字及模拟电路分组后可进一步按速度快慢、数 电流大小进行分组。
分组的目的是为了按组对印制 板的空间进行分割,同组的元器件放在一起,便 将以在空间上保证各组元件不至产生组间的相互干扰。
()有连接器最好都放在印制电路板的一翻,2所 尽量避免从两侧引出电缆。
这样的做法是为了减少 产生共模辐射干扰的可能性 因为在板上有高速数 字信号时,如果印制板产生共摸辐射,则电缆是很好 的共模辐射天线,子天线会比单板天线产生更大 振的共模辐射干扰。
()高速数字集成芯片与连接器之间投有直 3当接的信号交换时,高速数字集成芯片应安捧在远离 连接器处。
图1a中,/驱动器被安捧得离连接 ()Io器过远,高速数据集成芯片被安排得离连接器太 而
近,因此高速数字信号有可能通过电场耦合或磁场
收藕日期:
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5?
4
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染 瑜,电黛摹容设计在印制电蓐板中的应用等:
耦合对输入输出环路产生差模干扰.通过电缆向并 外辐射。
如果高速数字集成芯片放在两个连接器之 间,图1b所示.高速数字信号耦合到电缆上 如()则去的可能性更大。
()入输出(/)动器应该紧靠连接器,/4输I0驱I
o信号从连接器引入后应马上进入I0驱动器,/不
要在印镧板上传输过长的距离,以免耦台上千扰信 号。
图1c是图1a的改进,中I0驱动器被移 ()()图/到连接器处,速数字集成芯片移至远离连接器处。
高
(】a高速器件靠近连接器
一
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中,遗【低c
\
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(高速器件在两个连接器件之间}))
困
f]c高速器件靠近连接器 c
线较粗.电感量也不能忽略,高频电流通过时仍有可 观的电压降,以一般都采用分地的方法。
些双面 所有印制板和多层印制板用一个面作为地线层,轨线 与电感相比面电感很小,这种情况下是否需要分地 在要根据情况决定,则是不相容电路的电流回路不 原要有公共部分。
该指出的是.地并不是把各种地 应分完全隔离、有任何电气连接,地詹各种地还应该 没分在适当位置连接起来,持整个地层的电连续性。
保 ()源线的布置 2电电源线布置应与地线结合起来考虑,便构成 以特性阻抗尽可能小的供电线路。
单面板和双面板的 供电线路是由印制板的轨线组成的.减小供电用 为轨线对的特性阻抗,源轨线和地轨线应该尽可能 电粗.且相互靠近,电环路面积应该减小到最低程 并供度,同电源的供电环路不要互相重叠。
如图2所 不示,面板的电源供电线采用上下重叠的布置方法,双 各个集成芯片的电源脚和地线脚连接到同一个电源 轨线对中,集成芯片旁边加了高频去耦电容,而 且从使供电环路减小,且各集成芯片的高频电流环路 并不会因相互重叠而产生磁场耦台。
但这种布置仍然 存在问题,果使用不同电源供电轨线对的集成芯 如片之间有信号传输,则数字信号的回流将绕较大的 圈子.趴而增大信号环路的面积。
决的方法是采用 解并字形网状结构的供电布置,3加了4条垂直放 图置的小型电源母线条,成了井字形网状结构。
外 构此图中各电源轨线对分别引到连接器端子上,不是 而在板上先汇合成一对然后再连到莲接器上,样处 这理使共阻抗耦合进一步减少
图1高速器件与lO驱动器的安排 /()元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信 5在号线的长度,如时钟线、据线、址线等 果高 例数地如速器件的信号线必须与连接器相连接,应考虑把 则高速器件放在连接器处,量缩短走线.后在稍远 尽然处安排中速器件,远处安排低速器件。
则如果高 最否速元件远离连接器,高速信号将穿过整块印制板 则才能到达连接器.将可能对沿途的中、速电路产 这低生干扰。
这条原则似乎与第()愿则相矛盾,实 3条但际上目的只有一个,避免高速电路对低速电路的 即影响,是情况不同,取的方法不同而已。
只采 图2集成片与供电轨践对连接方法
22地线和电源线的布置 .
()置地线时首先考虑“地”1布分 分地即根据不同的电源电压、字和模拟、速 数高和低速、电流和小电流(们都是不相容的)分 大它来别设置地线.目的是为了防止共地线阻抗耦台干 其
圈3井字形同状供电结构
23信号线的布置 .()1不相容的信号线应相互隔离 这样做的目的是避免相互之间产生耦台干扰。
高额与低频、电流与小电流、大数字与模拟信号线是 不相容的,件布置中我们已经考虑了把不相容元 元
‘善 5‘
扰。
单面印制板和有些两面板用轨线做地线.即使轨
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件放在印制板上不同的位置,信号线的布置上仍 在应该注意把它们隔离,般可采取下面的措施:
一 不相容信号线应相互远离,要平行,布在不 不分同层上的信号线走向应互相垂直,样可以减少线 这间的电场和磁场耦合干扰;速信号线特别是时钟 高线要尽可能的短,要时可在高速信号线两边加隔 必离地线,离地线两端应与地层相连接;号线的布 隔信置最好根据信号的流向安排,个电路的输出信号 一线不要再折回输人信号线区域,为输人线与输出因 线通常是不相容的。
()量减小信号环路的面积 2尽减小信号环路的面积,为了减小环路的差模 是电流辐射。
路辐射与电流强度和环路面积成正比,环 在电流强度确定的情况下,了减小环路辐射,有 为只设法减小环路面积。
号环路不应重叠,对于高速 信这度、电流的信号环路尤为重要,际上减小面积比 大实
.8No120 2. 02
C=A?
nX+,- C7)A2半 C( )?
r s 下t/sn/it)irTno『n=Trc
()1
式中,是数字脉冲宽度,是数字脉冲的上升时 t
间,T是数字信号的重复周期。
根据这个结果,以可 把方波数字信号的印制板设计带宽定为l ,通常 /,
要考虑这个带宽的十倍频。
缩短信号线长度更有效。
在单层和双层板上信号线 及其回流线应紧贴在一起布置,好是每条信号线 最都有自己的回流线,则容易产生信号环路的重叠。
否 前面已经讲过,单面板和双面板中布置地线时采 在用井字形网状结构,多层板中信号线不要跨越地 在层上的隔缝,目的都是为了减小信号环路面积。
其
()虑阻抗匹配问题 3考
当高速数字信号的传输延迟时间tt4时, d >/f,为信号的脉冲上升时间,考虑阻抗匹配问题 于 应对f一ls的数字信号,线长5m就满足上述条件 n轨e了。
在单面板和双面板上的轨线对的特性阻抗实际
上很难控制,因为两条轨线要始终保持平行,宽度不 变,能保证特性阻抗不变。
果双面板有一面作地 才如层,或采用多层板,轨线与地层的特性阻抗对同一 则层上宽度和厚度相同的任何走向轨线都是相同的。
般为4 1O这样就便于与集成芯片的输人或 02n.输出阻抗相匹配。
()人输出轨线在连接器端口处应加高频去 4输耦电容 通常IO信号的频率要低于时钟频率,以高 /所频去耦电容的选择应能保证io信号正常传输,/而 滤除高频时钟频率及其谐波。
该高频去耦电容是为 了抑制差模干扰,括沿Io线进人印制板和从印 包/制板出去的干扰,以该电容应接在IO线的信号 所/
一
线与地线之间。
3多层印崩电路板的电磁兼容设计
在进行多层印制板设计时,先要考虑的是带 首宽。
数字电路电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲 的上升沿和下降沿所决定的带宽而不是数字电路脉
多层电路板的电磁兼容分析可以基于克希霍夫 定律和法拉第电磁感应定律。
根据克希霍夫定律,任 何时域信号由源到负载的传输都必须有一个最低阻 抗的路径。
个原则完全适合高频辐射电流的情况,这 如果高频辐射电流不是经由设计中的回路到达目的 的负载,就一定是通过某个客观存在的回路到达的, 这一非正常回路中的一些器件就会遭受电磁骚扰。
在数字电路设计中,们最容易忽略的是存在于器 人件、导线 印制板和插头上的寄生电感、电容和导纳。
多层板设计要决定选用的多层板的层数。
多层板的 层间安排随着电路而变,有以下几条共同原则:
但 电源平面应紧靠接地平面,且安排在接地 并平面之下。
这样可以利用两金属平板间的电容做电 源的平滑电容,时接地平面还对电源平面上分布 同的辐射电流起到屏蔽作用。
布线层应安排与整块金属平面相邻。
这样的 安排是为了产生通量对消作用。
把数字电路和模拟电路分开,条件时将数 有字电路和模拟电路安排在不同层内,果一定要安 如排在同一层,采用开沟、接地线条、可加分割等方法 补救。
拟的和数字的地、源都要分开,能混用。
模电不 数字信号有很宽的频谱,产生骚扰的主要来源。
是 在中间层的印制线条形成平面波导,表面 在层形成微带线,者传输特性不同。
两 时钟电路和高频电路是主要的骚扰和辐射 源,定要单独安排 离敏感电路。
一远 不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不 同,线时,能同等对待。
布不 多层印制板设计中有两个基本原则用来确定印 制线条间距和边距:
?
2一原则 具体表述如下:
有的具有一定 0H所电压的印制板都会向空间辐射电磁能量,减小这 为个效应,印制板的物理尺寸都应该比最靠近的接地 板的物理尺寸小2H,中H是两层印制板的间 0其距。
在一定频率下,个金属板的边缘场会产生辐 两射。
减小一块金属板的边界尺寸使其比另一个接地 板小,射将减小。
当尺寸小至1H时,射强度开 辐O辐始下降,尺寸小至2H时,射强度下降7 。
当0辐0根
?
?
?
?
冲的重复频率 矩形周期数字脉冲的傅立叶展开有 下面的形式
据2一原则,照一般典型印制板尺寸.0一般 0H按2H为3m。
ar ?
2W原则当两条印制线间距比较小时,线 -两
之间会发生电磁申扰,申扰会使有关电路功艟失常。
56?
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桀 暗,:
等电叠兼容设计在印制电蓐板中的应用
为避免发生这种骚扰,保持任何线条间距不小于 应
两倍的印制线条宽度。
印制线条的宽度取决于线条 阻抗的要求,宽会减小布线的密度,加成本;太增太 窄会影响传输到终端的信号的波形和强度。
31地线的布置 .首先,建立分布参数的概念,于一
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- 关 键 词:
- 电磁 兼容 设计 印制 电路板 中的 应用