电磁兼容PCBEMC设计.docx

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1、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯精品料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯PCB的EMC设计PCB是构成电子设备的基础，保证PCB的电磁兼容性是整个系统设计的关键，合理正确的PCB的布线和设计应该使得:(l)板上的各部分电路相互间无干扰，都能正常工作;(2)PcB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求;(3)外部传导干扰和辐射干扰对PCB上的电路基本无影响。1.1PCB设计理论基础1.电磁兼容设计的带宽在数字电路系统中，电磁兼容设计的带宽与数字电路的工作频率是两个不同的概念，数字系统的工作频率是由信号的重复周期决定的，而电磁兼容性设计的带宽是由信号

2、的上升沿、下降沿决定。器件对电磁辐射的贡献不是取决于系统的工作频率，而是取决于边沿速率。理论研究表明,在进行电磁兼容设计时，主要考虑信号上升沿的十倍频，如公式4一1所示。式中fmax为谐波频率，fr为需要考虑的电磁兼容性的带宽。快速的信号切换时间(边沿速率)将导致回流、串扰、阻尼振荡(振铃)及反射等问题的增加。信号的边沿速率与信号的工作频率是两个不同的概念，高的边沿速率不一定是高的频率。例如在实际的应用中，可能系统的工作频率并不高。但如果信号的上升速率过快的话，将会产生较大振铃现象，同样会带来信号完整性的问题。当振铃信号达到器件所能容忍的极限值时会使器件内部的半导体特性发生变化(电

3、子迁移)、器件发热及功耗加大等现象，造成系统的可靠性降低，并且较快的边沿速率其功耗也越大。信号的边沿速率与器件的输出强度(输出驱动电流)有直接的关系，过强的输出驱动电流除了能够提高信号的边沿速率之外，还会对周围的器件及传输线造成干扰(Crosstalk)。因此对电磁兼容性(EMI)非常敏感的系统，信号边沿速率是重点需要考虑的，而系统的时钟频率反而放在第二位考虑。2.器件的分布参数系统工作在低频情况下，电阻、电感、电容主要表现为集总参数，但当系统的工作频率较高时，元器件特性就较为复杂，这时候的元件就有很大的分布参数存在，比如分布电感、分布电容、分布互感、分布互电容等。在高频情况下电阻

4、、电感、电容的等效电路如表4一1所示:1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯精品料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯所以在高频PCB设计时，必须考虑导线等的分布参数，只有这样设计的PCB，才可以达到EMC设计的目的。3.PCB的辐射原理信号通路和它的回路通道之间的位移电流以及负载电流，形成了回路阻抗上的电压，这个电压产生了成为主要辐射源的共模电流。由于位移电流是在线电容充放电期间形成的，因此它的分布是不均匀的:在线的源端，它有最大值;而在负载端则为零。正是由于共模电流的存在，导致了PCB辐射的存在。PCB上每一根走线和每一个元器件都存在天线辐射效应，辐射效应与芯片

5、的尺寸成反比，而与工作电流环路尺寸和工作电流以及工作频率成正比。降低系统的工作频率，减小环路的面积，以及减小工作电流的突变是解决天线辐射效应的有效途径。4.PCB布线的理论依据在进行多层PCB布线时，首先要进行PCB的电磁兼容性分析。分析的基本原理是基尔霍夫定律和法拉第电磁感应定律。(l)基尔霍夫定律基尔霍夫定律表明，任何时域信号的传输都必须有一个完整的电路，而信号从源到负载的传输都必定沿着一个最低阻抗的路径。这个原理完全适合于射频电流的情况，如果射频电流不是经由设计中的电路到达负载的，那么就一定是通过某个客观存在的电路到达的，这个客观存在的电路多数是由一些分布的藕合元件连接的，构

6、成这一非正常电路中的一些器件就会遭受电磁干扰。(2)法拉第电磁感应定律根据法拉第电磁感应定律，任何磁通变化都会在闭合电路中产生感生电动势，任何交变电流都会在空间产生电磁场。在数字电路设计中，人们最容易忽略的是存在于器件、导线、PCB走线和插头上的寄生电感、电容和导纳。图4一2采取20一H规则后，RF能量辐射2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯精品料推荐⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)20一H规则由于电源层与地层之间的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁干扰，称为边缘效应，如图4一1所示。可以将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导。为了减小边缘效应，要

7、求所有的电源平面在物理尺寸上都比其临近的地平面小20H(H为电源平面和地平面之间的距离)，这就是20一H规则。若在布局布线时，遵循20一H规则，可以将电源对附近电路的藕合能量降低70%，当这个距离达到100H时，可以把辐射能量降低98%以上。当使用20一H规则后，板的边缘效应明显降低，如图4一2所示。在数字电路子系统和模拟电路子系统的地分离的情况下，每个子系统内也要采用20一H规则，如图4一3所示，模拟地和数字地加“沟”进行隔离。图4一3子系统的20一H规则(4)3一