第五部分pcb的電磁兼容設計

1、楊繼深 2002年4月,PCB的電磁兼容設計,,楊繼深 2002年4月,脈沖信號的頻譜,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,,1/?d,1/?tr,,,,,,,,,,,,,,,,,d,tr,,諧波幅度（電壓或電流）,頻率（對數(shù)）,-20dB/dec,-40dB/dec,,,,,A,V( or I) = 2A(d+tr)/TV( or I) = 0.64A/TfV( or I) = 0.2A/Ttrf2,,,,楊繼深

2、2002年4月,上升沿越陡高頻越豐富,楊繼深 2002年4月,地線和電源線上的噪聲,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Q1,Q2,Q3,Q4,,,,,,,R4,R2,R3,R1,VCC,,,,,被驅(qū)動電路,,,,ICC,I驅(qū)動,I充電,I放電,,Ig,Vg,,楊繼深 2002年4月,電源線、地線噪聲電壓波形,,,,,,,,,,,,,,,輸出,,ICC,VCC,,Ig,Vg,,,,楊繼深

3、 2002年4月,地線干擾對電路的影響,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,3,2,4,,,,,,,,,,,,寄生電容,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,線路板走線的電感,L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 ?H,,,,,,,,W,,S,L = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2L= ( L1 + M ) /

4、2,,,,,,,,,,M,,,I,I,楊繼深 2002年4月,地線網(wǎng)格,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,電源線噪聲的消除,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電源線電感,儲能電容,這個環(huán)路盡量小,,楊繼深 2002年4月,電源解耦電容的正確布置,,,,,,,,,,,,,,,,,

5、,,,,,,,,,,盡量使電源線與地線靠近,楊繼深 2002年4月,解耦電容的選擇,C =,dI dt,dV,,,,,Z,f,1/2?? LC,,各參數(shù)含義：在時間dt內(nèi)，電源線上出現(xiàn)了瞬間電流dI，dI導致了電源線上出現(xiàn)電壓跌落dV。,楊繼深 2002年4月,增強解耦效果的方法,,,,,,,,,,,,,,,電源,地,鐵氧體,注意鐵氧體安裝的位置,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,接地線面,,細線,粗線,用鐵氧體增加電

6、源端阻抗,用細線增加電源端阻抗,楊繼深 2002年4月,多個電容并聯(lián)加強解耦效果,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,線路板的兩種輻射機理,,,,,,,,,,,,,,,,,差模輻射,共模輻射,,電流環(huán),,桿天線,楊繼深 2002年4月,電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射,近場區(qū)內(nèi): H = IA / (4?D3) A/m

7、 E = Z0IA / (2?D2) V/m ZW = Z0（2?D/?） ?遠場區(qū)內(nèi): H = ?IA / (? 2D) A/m E = Z0 ? IA / (? 2D) V/m ZW = Z0 = 377

8、 ?,,,,A,I,,隨頻率、距離增加而增加,,,,Z0,f、D,,楊繼深 2002年4月,導線的輻射,近場區(qū)內(nèi): H = I L / (4?D2) A/m E = Z0I L ? / (8 ?2 D3) V/m ZW = Z0（?/2?D） ?遠場區(qū)內(nèi):

9、 H = I L / (2? D) A/m E = Z0 I L / (2? D) V/m,,,I,L,,,,,隨頻率、距離增加而減小,,,,,Z0,f、D,,楊繼深 2002年4月,實際電路的輻射,,,,,,,ZG,ZL,V,ZC = ZG + ZL,近場：ZC ? 7.9 D f E = 7.96VA / D

10、3 （?V/m） ZC ? 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （ ? V/m） H = 7.96IA / D3 （ ? A/m）遠場： E = 1.3 I A f 2 /D

11、 （ ? V/m）,環(huán)路面積 = A,~,,I,,楊繼深 2002年4月,常用的差模輻射預測公式,考慮地面反射時： E = 2.6 I A f 2 /D （ ? V/m）,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,脈沖信號差模輻射的頻譜,,頻譜包絡線,差模輻射頻率特性線,脈沖的差模輻射包絡線,,1/?d 1/?tr,,,,,,,40dB/dec,,,,f,f,f,- 20dB/

12、dec,- 40dB/dec,E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f,40dB/dec,20dB/dec,楊繼深 2002年4月,不同邏輯電路為了滿足EMI指標要求所允許的環(huán)路面積,僅代表了一個環(huán)路的輻射情況，若有N個環(huán)路輻射，乘以 ? N 。因此，可能時，分散時鐘頻率。,,楊繼深 2002年4月,如何減小差模輻射？,E = 2.6

13、 I A f 2 / D,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,低通濾波器,,,,布線,,楊繼深 2002年4月,電路中的強輻射信號,,,,,1 10 100 1000,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1 10 100

14、 1000,,,,,,,,,,,,,,,,,,,dB?V/m,dB?V/m,所有電路加電工作,只有時鐘電路加電工作,楊繼深 2002年4月,電流回路的阻抗,,,,,,,,,~,,L,R,,I,Z = R + j?LL = ? / I ? ? A,~,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,單層或雙層板如何減小環(huán)路的面積,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,不良布線舉例,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,68HC11,,,,,74HC00,A,B,連接A、B,E時鐘,,楊繼深 2002年4月,隨便設置的地線沒有用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

16、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,多層板能減小輻射,,,,,,,,,,,信號1,電源層,地線層,信號2,,,,,,,,,低頻,高頻,,DC~0.5 1 10 100 1G,,,,,,,1,10,地線面的阻抗，m?/ 平方,,地線面具有很小的地線阻抗,楊繼深 2002年4月,地線面上

17、的縫隙的影響,,,,,,,,,,,,,,,,模擬地,數(shù)字地,,,,A/D變換器,,?,,?,,,,,,,L,,,,75mm,,,,,,25mm,,,L : 0 ~ 10cm VAB : 15 ~ 75mV,A,B,楊繼深 2002年4月,過孔的阻抗,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.5mm,PGA128-pin,,,,,C/4,PGA,,,,,,,10,100,1,0.1,,nH/

18、cm,25 50 75 100,與過孔之間的距離 mm,楊繼深 2002年4月,線路板邊緣的一些問題,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,關鍵線（時鐘、射頻等）,,產(chǎn)生較強輻射,無地線,,電源層,地線層,,,,20H,,,楊繼深 2002年4月,扁平電纜的使用,,,,

19、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,地線,,一部分信號回流經(jīng)過ABCD,A,B,C,D,,最好,較好,差,較好，但端接困難,扁平電纜,,,,,這兩處都有地線,,楊繼深 2002年4月,注意隱蔽的輻射環(huán)路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電源/地線,,,信號線,電源/地線,信號線,電源,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

20、,,,信號線+電源+地線,電源/地線,電源,,,楊繼深 2002年4月,環(huán)路對消概念減小輻射,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,楊繼深 2002年4月,時鐘線避免換層,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,楊繼深 2002年4月,外拖電纜的共模輻射,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L,I2,H,CP,I3,I1,,,,,,CP,,,

21、,,,,,,,VCM,,機箱內(nèi)的所有信號都會通過電纜輻射！,楊繼深 2002年4月,兩端設備都接地的情況,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L,CP,ICM,RW,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RW,L,,,,～,ZCM = RW + j?L+RL+1/ j?C,楊繼深 2002年4月,懸浮電纜,,,,ICM,近場區(qū)內(nèi): E = 1430I L / (

22、f D3) ?V/m遠場區(qū)內(nèi): E = 0.63 I L f / D ?V/m考慮地面反射： E = 1.26 I L f / D ?V/mL ??/2或?/4時： E = 120I / D ?V/m,電纜長度：L,楊繼深 2002年4月,共模電流的測量

23、,,,,,,,,,,,,電流卡鉗,頻譜分析儀,VdB?V,,,ICM,,,,,,,,,被測電流 I,,V,傳輸阻抗：ZT = V / I,,楊繼深 2002年4月,怎樣減小共模輻射,,E = 1.26 I L f / D,,共模濾波共模扼流圈減小共模電壓,,,使用盡量短的電纜,,,,,共模濾波,,,電纜屏蔽,,楊繼深 2002年4月,平衡接口電路,,,,,,,,,,+Vcc,-Vcc,,,,,,,,,,,,

24、+V,-V,Z0/2,Z0/2,楊繼深 2002年4月,增加共?；芈返淖杩?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PCB,PCB,,共?；芈?,改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg[(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2)] =20 lg ( ZCM2 / ZCM1)

25、 =20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 ) dB,楊繼深 2002年4月,鐵氧體磁環(huán)使用方面的一些問題,,,?,,,,,1 10 100 1000,125,4500,1250,600,,,,,300個,30個,0.1 1 10

26、 100 1000,,,,,½匝,1½匝,?,?,,,,,?,無偏置,有偏置,楊繼深 2002年4月,I/O接口布線的一些要點,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,干凈區(qū)域,,,濾波電容,電源線連接,地線連接,信號濾波器,隔離變壓器/光耦隔離器,橋,壕溝,,,,,,,,時鐘電路、高速電路,楊繼深 2002年4月,濾

27、波器電容量的選擇,,,,,,,,,,,,,,,,R負載,R源,,,,,電容合適,電容過大,楊繼深 2002年4月,用屏蔽電纜抑制共模輻射,,,,,,,,,,,,,,,,CM,CM,DM,,,,,,,,,,,,CM,CM,,,楊繼深 2002年4月,屏蔽電纜的評估,,,,,,,,,,,,,,,,CM,CM,DM,,,,,V,,輻射環(huán)路,,,,,,,,,,,,,,V,I,ZT = V / I,,,楊繼深 2002年4月,不同屏蔽

28、層的傳輸阻抗,,,,,,,,,,,,102 103 104 105 106 107 108,,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000,10000,傳輸阻抗（m? /m）,Hz,,,,,,,,鋁箔,單層編織,最佳單層編織,雙層編織,雙層編織 + 一層?金屬,雙層編織 + 雙層?金屬,實心銅

29、,楊繼深 2002年4月,屏蔽層的錯誤接法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CM,楊繼深 2002年4月,電纜屏蔽層的正確端接,,,,,,,,,,利用機械力將屏蔽層壓緊,金屬連接器護套,指形簧片,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,護套與屏蔽層端接,導電彈性

30、襯墊,連接器上緊螺紋,,,,,航空連接器,D形連接器,楊繼深 2002年4月,D型連接器的屏蔽層搭接,,楊繼深 2002年4月,圓形連接器屏蔽層搭接,楊繼深 2002年4月,接線端子上的屏蔽電纜,楊繼深 2002年4月,盡量減小小辨接法的危害,楊繼深 2002年4月,線路板上的局部屏蔽,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,利用一層銅箔做屏蔽盒面,,屏蔽盒的接地間隔 < ? / 20,,,,所有