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簡(jiǎn)述電磁兼容設(shè)計(jì)的常用方法2

jf_78858299 ? 來(lái)源:EMC家園 ? 作者:EMC家園 ? 2023-03-16 15:25 ? 次閱讀

二.印刷電路板設(shè)計(jì)

隨著信息寬帶化和高速化的發(fā)展,要求信號(hào)的傳輸和處理的速度越來(lái)越快。已經(jīng)成為PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問(wèn)題之一。PCB已不僅僅是支撐電子元器件的平臺(tái),簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單在基材上布上金屬導(dǎo)線,由于存在引線電感,并不能能實(shí)現(xiàn)互連。PCB已成為功能元件,成為高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從而使得PCB設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素。

印制電路板EMC設(shè)計(jì)是產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。整機(jī)輻射發(fā)射超標(biāo),輻射敏感度不達(dá)標(biāo),大多是由于PCB引起的。

在PCB設(shè)計(jì)階段處理好EMC問(wèn)題,是使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)電磁兼容最有效,成本最低的手段。

  1. 電磁騷擾發(fā)射的抑制方法之一:PCB布線及布局基本原則

電流必須在一個(gè)回路中流動(dòng)。每個(gè)信號(hào)都有一個(gè)回流來(lái)構(gòu)成回路。直流和低頻時(shí),回路電流總是從電阻最小的路徑上通過(guò);而高頻時(shí),回流總是從阻抗最小的路徑上通過(guò)。

兩根導(dǎo)線分別流過(guò)大小相等方向相反的信號(hào)電流和它的回流電流,它們的磁場(chǎng)也是大小相等方向相反,如果兩根導(dǎo)線距離非常近,磁場(chǎng)即差模EMI輻射將完全抵消。所以基本原則是:如果要把差模EMI輻射減小到最小,信號(hào)線應(yīng)盡量靠近與它構(gòu)成回路的回流線,即必須把回路面積減少到最小。

精心的走線設(shè)計(jì)可以在很大程度上減少走線阻抗造成的騷擾,而抑制電磁騷擾發(fā)射。當(dāng)頻率超過(guò)數(shù)kHz時(shí),導(dǎo)線的阻抗主要由導(dǎo)線的電感決定,細(xì)而長(zhǎng)的回路導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感(典型lOnH/cm),其阻抗隨頻率增加而增加。如果設(shè)計(jì)處理不當(dāng),將引起共阻抗耦合。

兩根電流方向相反的平行導(dǎo)線,由于互感作用,能夠有效地減少電感,總自感可表示為:

L = L1 +L2 - 2M

式中, L1、L2分別為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的自感,M為互感

M=L1/[1+(a/h)2]

式中,a—間距, h—離地面距離。當(dāng):L1 = L2,則:

L =2 (L1- M)

當(dāng):a = 0

M = L1

,則 L = 0。

由此可以得到布線基本原則,即環(huán)路面積為零。例如,多層板層間距離很小,4層板為0.15mm,而28層板為0.05mm能真正做到環(huán)路面積為零,總自感為零,如圖3所示。

圖片

圖3 布線基本原則:環(huán)路面積為零

在印制板布局時(shí),應(yīng)先進(jìn)行物理分區(qū)和電氣分區(qū),確定元器件在板上的位置,然后布置地線、電源線,再安排高速信號(hào)線,最后考慮低速信號(hào)線。

布局時(shí),首先作好不兼容分割,元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組,以免相互騷擾。根據(jù)元器件的位置可以確定印制板連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在印制板的一側(cè),盡量避免從兩側(cè)引出電纜,減少共模輻射。其次,在安裝,受力,受熱和美觀等方面應(yīng)滿足要求。

(1)電源線

在考慮安全條件下,電源線應(yīng)盡可能靠近地線, 以減小差模輻射的環(huán)面積,也有助于減小電路的交擾。對(duì)于單一電源供電的PCB,一個(gè)電源平面足夠了;對(duì)于多種電源,若互不交錯(cuò),可考慮采取電源層分割,用作參考面時(shí),需加縫補(bǔ)電容;對(duì)于電源互相交錯(cuò)(尤其多種電源供電,且互相交錯(cuò)的IC)的單板,則必須考慮采用2個(gè)或以上的電源平面。

(2)時(shí)鐘線、信號(hào)線和地線的位置

時(shí)鐘線、信號(hào)線與地平面相鄰或與地線距離較近,形成的環(huán)路面積盡量小。必要時(shí),兩側(cè)加地線護(hù)送。

(3)按邏輯速度分割

當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí),高速的器件(快邏輯、時(shí)鐘振蕩器等)應(yīng)安放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi),而低速邏輯和存儲(chǔ)器,應(yīng)安放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對(duì)共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

(4)避免印制電路板導(dǎo)線特性阻抗的不連續(xù)性,保證特性阻抗連續(xù),必須做到跡線寬度不要突變、導(dǎo)線不要突然拐角,同層的佈線的寬度必須連續(xù),不同層的走線阻抗也必須連續(xù)。

(5)檢查信號(hào)線的長(zhǎng)度和信號(hào)的頻率是否構(gòu)成諧振,即當(dāng)佈線長(zhǎng)度為信號(hào)波長(zhǎng)1/4的時(shí)候的整數(shù)倍時(shí),此佈線將產(chǎn)生諧振,而諧振就會(huì)輻射電磁波,產(chǎn)生騷擾。

  1. 高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)中,需要各種長(zhǎng)度的走線。在這些走線上,信號(hào)從線的始端傳輸?shù)浇K端,需要一定時(shí)間。也就是說(shuō),信號(hào)存在延時(shí)。這種延時(shí),在低速系統(tǒng)中可以忽略;但在高速系統(tǒng)中,則不能被忽略。高速PCB設(shè)計(jì)還需考慮當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線上傳輸時(shí),如果傳輸線與始端阻抗或終端阻抗不匹配,將會(huì)出現(xiàn)電磁波反射現(xiàn)象,使信號(hào)失真,產(chǎn)生干擾脈沖,影響系統(tǒng)運(yùn)行。

所謂高速PCB,是從數(shù)字電路的角度說(shuō)的,而對(duì)于模擬電路的PCB,則是高頻問(wèn)題。高速指的是信號(hào)的邊緣速率高,而不一定是時(shí)鐘頻率高,可以這么說(shuō):時(shí)鐘頻率低的PCB,不一定不是高速PCB,而時(shí)鐘頻率高的PCB,則一定也是高速PCB。一旦把所設(shè)計(jì)的PCB當(dāng)作高速PCB來(lái)設(shè)計(jì)后,就需要考慮高速信號(hào)的傳輸、端接、串?dāng)_等問(wèn)題,如果不這樣考慮,不進(jìn)行高速信號(hào)的完整性設(shè)計(jì),PCB的工作可靠性可能就不能保證,甚至無(wú)法正常工作。而對(duì)于普通PCB,不去考慮高速的影響,則沒(méi)有關(guān)系。

信號(hào)完整性(Signal Integrity,簡(jiǎn)稱SI)是指在信號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)定時(shí)的準(zhǔn)確性。即在要求的時(shí)間內(nèi),信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度作出響應(yīng),不失真的從源端傳送到接收端,則該信號(hào)是完整的。所以,信號(hào)完整性分析是以電壓波形為主的分析。

時(shí)序是高速系統(tǒng)的核心問(wèn)題。如果定時(shí)不準(zhǔn)確,則不能得到準(zhǔn)確的邏輯。信號(hào)傳輸時(shí),任何發(fā)生在驅(qū)動(dòng)端,互連線或接收端的延時(shí)或波形畸變都會(huì)導(dǎo)致傳輸失敗。

破壞信號(hào)完整性的原因有:所使用的芯片切換速度過(guò)快;端接元件布設(shè)不合理、電路互連不合理以及傳輸線、過(guò)孔等引起的阻抗不連續(xù);線距過(guò)小引起的串?dāng)_以及尖峰電壓等都會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題。信號(hào)完整性問(wèn)題包括反射、串?dāng)_、過(guò)沖、振蕩、時(shí)延和電磁騷擾發(fā)射等。信號(hào)完整性分析的目標(biāo)是保證可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于保持信號(hào)的完整性。從廣義上講,信號(hào)完整性問(wèn)題指的是在高速產(chǎn)品中,互連線引起的所有問(wèn)題。它主要研究互連線與數(shù)字信號(hào)電壓電流波形相互作用時(shí),如何影響產(chǎn)品性能。信號(hào)完整性問(wèn)題包括:

反射信號(hào)Reflected signals

延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤Delay & Timing errors

過(guò)沖與下沖Overshoot/Undershoot

振鈴Ringing(多次跨越邏輯電平門限錯(cuò)誤False switching )

串?dāng)_Induced Noise (or crosstalk)

電磁輻射EMI radiaTIon

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性,必須縮短 S 并進(jìn)行阻抗匹配,阻抗匹配方法有:串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、戴維南網(wǎng)絡(luò)、RC網(wǎng)絡(luò)、二極管陣等。

第二層 接地設(shè)計(jì)

一.接地設(shè)計(jì)是重在治本的重要一層。

1.接地是指將一個(gè)電路、設(shè)備、分系統(tǒng)與參考地連接,目的在于提供一個(gè)等電位點(diǎn)或面。接地必須有接地導(dǎo)體和參考地才能完成。

2.參考地的含義是廣泛的,可以是大地,也可以是起大地作用的,有足夠面積的導(dǎo)體。如飛機(jī)或船舶的殼體,機(jī)柜的柜體等。理想的參考地是一個(gè)零電位、零阻抗的物理體。能為電路或系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電位;能抑制產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生的電磁騷擾以及外部進(jìn)入產(chǎn)品的電磁騷擾;并能為電流流回源提供一條低阻抗路徑。

3.接地是一個(gè)系統(tǒng)概念。電流幅值和頻率是兩項(xiàng)關(guān)鍵因素。對(duì)接地分類是為了選擇接地體及其連接方式。

接地分類 接地電流幅值 接地電流頻率范圍

信號(hào)地 (回流地) 幾mA-幾A 直流-GHz

電源地 幾mA-幾A 《50-60Hz

保護(hù)地 (安全地) 10A-1000A 《50-60Hz

防雷地 《240kA 200kHz-500MHz

參考地 (EMI地) μA-A 直流-微波

參考地任務(wù)之一是為EMI電流提供一個(gè)受控抑制通道。關(guān)鍵是在極寬的頻率范圍內(nèi)保持低阻抗。

防雷地是提供一條將雷電電流通入大地的受控通道。關(guān)鍵是同時(shí)維持低電阻和低電感,并且提供充分的瞬態(tài)電流容量。

安全地(保護(hù)地 )主要是為了保護(hù)人身安全。通常將金屬殼體接地,出現(xiàn)故障時(shí)確保故障電流流入大地。

電源地的主要問(wèn)題是維持低阻抗,并提供足夠的電流容量。

信號(hào)地(回流地)為信號(hào)提供一個(gè)回流通道

二.接地方式

1.懸浮地

信號(hào)電平較大或接近時(shí),該模塊應(yīng)接系統(tǒng)地,信號(hào)電平較小或相差大時(shí),低電平信號(hào)模塊應(yīng)接懸浮地。

設(shè)備懸浮地設(shè)備的地線在電氣上與參考地及其他導(dǎo)體相絕緣,單元電路懸浮地單元電路信號(hào)地與參考地及機(jī)箱絕緣

懸浮地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電。易遭雷擊和其他瞬態(tài)騷擾。通常在懸浮地與參考地之間接進(jìn)一個(gè)阻值很大的電阻以消除靜電積累。

  1. 單點(diǎn)接地(f《1MHz)

并聯(lián)單點(diǎn)接地:每個(gè)電路模塊都接到一個(gè)單點(diǎn)地上,每個(gè)單元在同一點(diǎn)與參考點(diǎn)相連。

多級(jí)電路的串聯(lián)單點(diǎn)接地:接地點(diǎn)應(yīng)選在低電平電路的輸入端,使其最接近參考地。若把接地點(diǎn)移到高電平端,則 輸入級(jí)的地對(duì)參考地的電位差最大,是不穩(wěn)定的。

  1. 多點(diǎn)接地(f 》10MHz)

設(shè)備中的電路都就近以機(jī)殼為參考點(diǎn),而所有機(jī)殼又以地為參考,使接地引線長(zhǎng)度最短。在多點(diǎn)接地的情況下,要注意地環(huán)路問(wèn)題。信號(hào)頻率在1-10MHz之間,當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度不超過(guò)l /20時(shí),可以采用單點(diǎn)接地,否則就要多點(diǎn)接地。當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度可以與l/4相比擬時(shí),成為終端短路的l/4傳輸線,等效為開(kāi)路,阻抗增大。

  1. 混合接地

使用電抗元件使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同特性。

電子設(shè)備的混合接地把設(shè)備的地線分成兩類:電源地與信號(hào)地。設(shè)備中各部分電源地線都接到電源總地線上與信號(hào)總地線匯集到公共參考地。

三.長(zhǎng)地線的阻抗

1.地線阻抗是導(dǎo)致地線騷擾的根本原因

理想地線應(yīng)是一個(gè)零電位、零阻抗的物理實(shí)體。但實(shí)際的地線本身既有電阻分量又有電抗分量,當(dāng)有電流通過(guò)該地線時(shí),就要產(chǎn)生電壓降。地線會(huì)與其他連線(信號(hào)、電源線等)構(gòu)成回路,當(dāng)時(shí)變電磁場(chǎng)耦合到該回路時(shí),就在地回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并由地回路耦合到負(fù)載,構(gòu)成潛在的EMI威脅。

傳輸線輸入阻抗

Zin(x)=Zc(ZL+jZctgβx)/(Zc+jZLtgβx)

式中,β=2π/λ=ω(LC)1/2,

當(dāng) ZL=0

∣Zin(x)∣=∣jZctgβx∣=Zctg(ωx(LC)1/2)

當(dāng) x=λ/4

∣Zin(x)∣=Zctg[ω(λ/4)(LC)1/2]=Zctg(π/2)=∞

這時(shí),接地線實(shí)際上開(kāi)路,反而成為向外輻射的天線

2地線長(zhǎng)度

地線長(zhǎng)度應(yīng)為:≤l/20 應(yīng)當(dāng)短而粗。

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    電磁兼容簡(jiǎn)明教程(2電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)

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