嵌入式系统电磁兼容设计课件.ppt

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1、电磁兼容技术的发展电磁兼容技术的发展 n20世纪40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞机事故的问题，开始较为系统地进行电磁兼容技术研究 n美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，电磁兼容技术进入全面发展阶段 n20世纪60年代以来，现代科学技术，尤其是信息网络和高速计算机技术的应用对电磁兼容提出了更高的要求，促进电磁兼容技术研究向更深、更广的领域发展 电磁兼容电磁兼容 电磁兼容是以电磁场理论为基础，涉及信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘科学，研究如何在有限的空间、时间和频率资源条研究如何在有限的空间、时间和频率资源条件下，使各种电子设备或系统在同

2、一电磁环境中件下，使各种电子设备或系统在同一电磁环境中相互兼容，而不致引起功能丧失或性能降低相互兼容，而不致引起功能丧失或性能降低 电磁兼容问题电磁兼容问题n电磁干扰电磁干扰：处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所规定的电磁能量。n电磁敏感度电磁敏感度：处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或者说对规定范围内的电磁能量干扰不敏感，仍能按照设计性能正常地运行。n电磁环境电磁环境：即使相同种类的设备也可能工作在不同的电磁环境中，不同的电磁环境对设备的电磁兼容要求不一样，离开了具体的电磁环境，谈电磁兼容没有什么实际意义。电磁兼容技术相

3、关术语电磁兼容技术相关术语 术语术语意义意义电磁兼容性电磁兼容性系统不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不系统不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，而影响周边设备的正常工作。会在周边环境中产生过量的电磁能量，而影响周边设备的正常工作。电磁干扰电磁干扰破坏性电磁能量从一个电子设备传导到另一个电子设备的过程。破坏性电磁能量从一个电子设备传导到另一个电子设备的过程。射频射频用于通信目的的连续电磁辐射的频率范围用于通信目的的连续电磁辐射的频率范围(10kHz到到100GHz)敏感度敏感度设备或系统受电磁干扰而被中断或破坏的趋势的

4、估量。设备或系统受电磁干扰而被中断或破坏的趋势的估量。抗扰性抗扰性设备或系统在保持预先设定的运行等级时抵抗电磁干扰能力的估量。设备或系统在保持预先设定的运行等级时抵抗电磁干扰能力的估量。静电放电静电放电有着不同静电电压的物体在靠近或直接接触时引发的静电荷转移。有着不同静电电压的物体在靠近或直接接触时引发的静电荷转移。抗辐射干扰性抗辐射干扰性产品抵抗来自自由空间电磁干扰能量的相对能力。产品抵抗来自自由空间电磁干扰能量的相对能力。抗传导干扰性抗传导干扰性产品抵抗来自外部电缆、输电线和产品抵抗来自外部电缆、输电线和I/O连接器的电磁干扰能量的能力。连接器的电磁干扰能量的能力。密封密封将电子产品用金属

5、外壳或者用涂有射频导电漆的塑料外壳屏蔽，从而阻将电子产品用金属外壳或者用涂有射频导电漆的塑料外壳屏蔽，从而阻止射频能量从内部泄露出去、或从外部进入电子设备的处理方法。止射频能量从内部泄露出去、或从外部进入电子设备的处理方法。抑制抑制通过滤波、搭接、屏蔽和接地或这些技术的任意组合，以减少或消除不通过滤波、搭接、屏蔽和接地或这些技术的任意组合，以减少或消除不希望有的射频能量发射。希望有的射频能量发射。常见电磁兼容问题常见电磁兼容问题n射频干扰：射频范围里的电磁能量干扰 n静电放电n电力线干扰：电压跌落、频率波动、尖峰、浪涌、谐波n自兼容性：设备内部各组成部分之间的相互干扰 电磁兼容标准电磁兼容标准

6、 发生电磁干扰三要素发生电磁干扰三要素 n干扰源干扰源：产生电磁干扰的元器件、设备和自然现象。n耦合途径耦合途径：电磁干扰能量从干扰源传输到受干扰设备的通路或媒介。n敏感设备敏感设备：对电磁干扰发生响应的设备 电磁兼容设计的重要性电磁兼容设计的重要性 n电磁兼容设计可提高电子设备工作的可靠性可靠性n电磁兼容设计是电子设备与国际接轨的需要国际接轨的需要n控制电磁能量辐射，保障人身和易燃易爆物质的安全安全n电磁兼容设计是应对未来战争的需要战争的需要不同阶段电磁兼容设计费用对比不同阶段电磁兼容设计费用对比 电磁兼容测试单位电磁兼容测试单位 n以1mW作为基准，得到功率dBm计算公式： n以1uV作为

7、基准，得到电压dBuV计算公式：n以1uA作为基准，得到电流dBuA计算公式：)1log(10mWPdBm )1log(20uVVdBuV )1log(20uAIdBuA n在电磁兼容测试中，通过选择适当的参考值，用dB的对数方式表示物理量 n如果用1V、1mV、1uV为参考，则对应的单位为dBV、dBmV、dBuV 电子元件的高频特性电子元件的高频特性 导线的高频特性导线的高频特性n通过高频信号时，由于趋肤效应，导致电阻增加n高频时导线的电感量不能忽视，一段1cm长，直径0.5mm的圆截面导线只有7nH左右的电感量，但在100MHz时，可造成4.4左右的感抗 n高频电路中要重视导线（包括PC

8、B连线）或元器件引线的阻抗，尽可能缩短长度或增加截面积 n平行导线间的互感一般都很小，但在高频时由它造成的线间耦合不可低估 n平行导线间还存在分布电容，在高频时即使很小的分布电容也会产生明显的电容性耦合干扰 电阻的高频特性电阻的高频特性n包括引脚在内的等效电感值在1030nH；分布电容为0.2uF0.5uFn在一定频率时，电阻值小的电阻以电感成分影响为主，电阻值高的电阻以分布电容影响为主，因此阻值小的电阻应选择电感量小的电阻n对于阻值高的电阻，由于分布电容的旁路作用，使电阻的阻抗值大幅度降低，频率越高，阻抗降低越严重，甚至丧失电阻的作用 电容的高频特性电容的高频特性n在高频电路中要重视包括引线

9、电感在内的电容器的等效电感n等效电感与电容组成的回路在特定频率上会产生共振，在共振频率上，电容器的阻抗最小。在此频率以上的电容器呈现电感性，其感抗随频率增加而增加，在某种意义上相当于一只电感 电感的高频特性电感的高频特性n电感线圈因高频电流流过会向周围散发出高频磁通，成为其它电路的干扰源n电感本身也十分容易耦合外界的噪声n工作在高频频带时，电感随工作频率的变高，其特性可能从电感性变为电容性 电磁能量的耦合途径电磁能量的耦合途径 n耦合可分为传导耦合和辐射耦合两类 n传导耦合传导耦合是指通过线路本身的电路形成的耦合，以及通过导体间的分布电容、互感而形成的干扰耦合，传导耦合包括直接传导耦合直接传导

10、耦合、公共阻抗传导耦合公共阻抗传导耦合、电容电容耦合耦合、电感耦合电感耦合等 n辐射耦合辐射耦合是指电磁能量以电磁场的形式从一个电路传输到另一个电路 直接传导耦合直接传导耦合 n电磁干扰信号通过导线直接侵入被干扰对象 n信号线、电源线直接传导耦合的抑制方式直接传导耦合的抑制方式 n滤波滤波：滤除干扰信号，而保留特定频带的有用信号，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等几种 n隔离隔离：利用变压器、光隔离器件等来减少电磁干扰的传播 n衰减衰减：从源头抑制电磁干扰信号的强度 差模信号传输差模信号传输 差模信号差模信号VDIFF=V1V2。对于纯差模信号，。对于纯差模信号，V1=V2，

11、即大，即大小相等、相位差小相等、相位差180，此时因为，此时因为V1和和V2对地是对称的，所以地线对地是对称的，所以地线上没有电流流过，所有的差模电流（上没有电流流过，所有的差模电流（IDIFF）全流过负载）全流过负载 共模信号传输共模信号传输 对于纯共模信号，对于纯共模信号，VCOM=V1=V2，V3=0。共模干扰信号侵入线。共模干扰信号侵入线路和地之间，因为在负载两端没有电位差，所以没有电流流过负载。路和地之间，因为在负载两端没有电位差，所以没有电流流过负载。干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路 交流电源滤波器基本电路交流电源滤波

12、器基本电路 共模电感线圈共模电感线圈L1、L2，差模电感，差模电感L3、L4，以及共模电容，以及共模电容CY1、CY2 和差模电容器和差模电容器CX 公共阻抗传导耦合公共阻抗传导耦合 噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰的回路 抑制公共阻抗传导的方法抑制公共阻抗传导的方法n减少电源内阻n减少电源供电电路的阻抗n减少公共地的阻抗 电路板布线中降低电源公共阻抗电路板布线中降低电源公共阻抗电子系统中的接点方法电子系统中的接点方法 电容耦合(电场耦合)n电容耦合引起的感应电压正比于干扰频率和耦合电容CF，即频率越高、分布电容越大，电容耦合

13、越明显n电容耦合引起的感应电压与导线对地的分布电容成反比 抑制电容耦合的方法抑制电容耦合的方法 n降低导线间的分布电容，具体办法有：加大导线间的距离；尽可能缩短导线的长度；在导线下增加接地平面，增加导线对地分布电容n采用隔离的方法，在两个导线之间增加一根地线n降低导线上信号频率，如使用边沿时间较长的器件n增加旁路电容n对信号进行屏蔽 电感耦合电感耦合(磁场耦合磁场耦合) n通过分布电感使一个电路中的信号辐射到另一个电路中的耦合方式 n干扰源的电流流过电感时产生磁场，时变的电流则产生时变的磁场，变化的磁场在邻近回路中引起变化的磁通，从而在该电路中产生感应电压 抑制电感耦合的基本方法抑制电感耦合的

14、基本方法 n减少回路所涵盖的面积n使回路和干扰源的距离尽可能远n使回路方向与磁场方向平行n降低磁场干扰源的干扰强度n减小回路间的互感，包括加大两导线的间距；缩短导线的长度；使导线尽可能接近地平面；使各自磁场方向相互垂直 PCB中的信号完整性中的信号完整性 n信号完整性(Signal Integrity)是指信号未受到损伤的一种状态，用于表示信号质量和信号传输后仍保持正确功能的特性 n良好的信号完整性是指在需要时信号仍保持正确的时序和电平值 n信号完整性问题可以导致信号失真、定时错误、数据/地址错误、控制线状态错误、系统误操作、直至系统崩溃 传输线概念传输线概念n传输线是两个或多个终端间有效传输

15、电功率或电信号的传输系统，如金属导线、波导、同轴线和PCB连线n传输线的特性阻抗 )()(0XIxVCLZ传输线效应的影响传输线效应的影响n当信号延迟时间大于信号跳变时间时，分析时必须把信号线当作传输线n传输线的信号以光速或接近光速在两个设备间传送，由于分布电容、分布电感和有源器件，速度会有所降低n传输线内部和周围存在电磁场，能量通过电磁场传输n 传输线阻抗匹配不好，就会出现功能性问题和EMI问题 n线路阻抗是影响传输特性的重要因素，如果阻抗匹配不当，信号会被反射，当发生多重反射时就会引起振荡 影响信号完整性问题影响信号完整性问题 n传输延迟n反射 n串扰 n过冲和下冲 n同步切换噪声 n接地

16、反弹噪声 信号传输延迟信号传输延迟n信号在PCB 板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出直到接收端收到，中间存在时间间隔，这就是传输延迟n传输延迟对系统的时序产生影响n信号延迟时间主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数 信号反射信号反射 n反射信号就是传输线上的回波n当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时，信号功率的一部分传输到线上并到达负载处，另一部分则被反射n若负载阻抗小于源阻抗，反射为负；反之，反射为正n布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射 信号串扰信号串扰 n信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线信号在传输线上传

17、播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生不期望的电压噪声干扰产生不期望的电压噪声干扰n串扰是两条信号线之间的耦合，由信号线之间的互感和互容引起n串扰对邻近信号的传输质量造成影响，有可能引起假时钟，偶然性数据错误n应用中，不可能、也没必要完全消除串扰不可能、也没必要完全消除串扰，只要将其控制在系统所能承受的范围之内就不至于影响系统的工作nPCB板层的材质和结构、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性、信号线的端接方式等对串扰都有一定的影响 过冲和下冲过冲和下冲 n过冲过冲是信号跳变沿第一个超过设定电压的峰值或谷值，过度的过冲可能因超出器件的耐压范围而造成器件损坏 n下冲下冲是指第二个超过设定电压的谷值或

18、峰值，过度的下冲能够引起假的时钟或数据错误 同步切换噪声同步切换噪声 n同步切换噪声：当PCB板上大量输出管脚在同一时刻从高电平向低电平切换、或者从低电平向高电平切换，会在相邻管脚引入噪声n大量管脚从低向高切换，在邻近被干扰信号上可以观察到一个负电压噪声；大量管脚从高电平向低电平切换，在邻近被干扰信号上可以观察到一个正电压噪声 接地反弹噪声接地反弹噪声 接地反弹噪声：由于器件内部的接地引脚与地平面之间存在引线电感，当信号状态翻转时所带来的电流变化会通过器件的寄生电感影响到地线，集成电路内部多个驱动器同时转换时就会在地线中产生较大的噪声降低接地反弹噪声降低接地反弹噪声n器件的引线电感与地线反弹成

19、正比，应尽量减少引线分布电感n负载电容与地线反弹成正比，因此应尽量采用输入电容较小的信号接口形式n信号的上升时间与地线反弹成反比，在满足系统性能的情况下，尽量延长信号的上升时间n同时转换逻辑状态的输出引脚个数与地线反弹成反比，因此在逻辑设计时，尽量避免地址/数据等总线从全“0”变成全“1”、或从全“1”变成全“0”的情况 改善信号完整性改善信号完整性抑制串扰抑制串扰n尽量选择慢速选择慢速(边沿变化慢)的器件。n容性耦合和感性耦合产生的串扰随受干扰线路负载的增大而增大，所以减小负载减小负载可以减小耦合干扰的影响n在布线条件许可的情况下，尽量减小相邻传输线间的平减小相邻传输线间的平行长度或者增大可

20、能发生容性耦合导线之间的距离行长度或者增大可能发生容性耦合导线之间的距离n在相邻的信号线间插入一根地线信号线间插入一根地线可以有效减小容性串扰n感性耦合较难抑制，要尽量降低回路数量，减小回路面降低回路数量，减小回路面积积，信号回路避免共用同一段导线n相邻两层的信号层走线应尽量垂直相邻两层的信号层走线应尽量垂直，避免平行走线，减少层间的串扰n在有专门电源层、地层专门电源层、地层的多层PCB板中，把对串扰比较敏感的信号尽量安排在内层中n通过端接，使传输线远端和近端的终端阻抗与传输线匹终端阻抗与传输线匹配配，可大大减少串扰和反射干扰 改善信号完整性改善信号完整性抑制反射抑制反射n高速数字系统中，传输

21、线上阻抗不匹配会引起信号反射，减少和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在发送端或接收端进行终端阻抗匹配在发送端或接收端进行终端阻抗匹配，尽量使源反射系数或负载反射系数为0 n传输线的端接通常采用两种策略：使负载阻抗与传输使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行端接线阻抗匹配，即并行端接；使源阻抗与传输线阻抗匹使源阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接配，即串行端接 发送端串行端接发送端串行端接n在尽量靠近发送端的位置串连一个电阻到传输线中，来实现信号源的阻抗匹配n串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗 n减小源端反射系数，防止从负载反射回来的信号再从源端反射回负载端 实际电路中的串行阻抗匹

22、配实际电路中的串行阻抗匹配内存条中的串行阻抗匹配内存条中的串行阻抗匹配负载端并行端接负载端并行端接 PCB中的去耦电容中的去耦电容 n在数字电路系统中，存在各种各样的噪声各种各样的噪声，如电网噪声、开关电源引起的噪声、电路状态切换引起的噪声n去耦电容可以防止噪声干扰从一个电路传导到另一个去耦电容可以防止噪声干扰从一个电路传导到另一个电路电路，从而改善整个系统的电磁兼容性能，提高系统的可靠性和稳定性 n复杂电路板上，电源和地之间有大量的去耦电容复杂电路板上，电源和地之间有大量的去耦电容，一方面确保为系统提供稳定、低纹波的直流供电，同时也可以防止电路板上的干扰噪声通过电源线传导干扰噪声通过电源线传

23、导到电网或外部其它系统中 芯片电源引脚去耦电容作用芯片电源引脚去耦电容作用n用作集成电路器件的蓄能电容，器件在正常工作时会因状态切换产生功耗的瞬间变化，蓄能电容可以避免因此引起供电电压的波动。n滤除该器件产生的高频噪声，避免噪声通过供电回路传播到整个系统中。n避免电源上的干扰噪声通过电源引脚进入集成电路 减少引线分布电感减少引线分布电感 n分布电感的存在使得电容对高频信号的去耦效果降低、甚至完全不起作用 n电解电容具有很大的电感，只适用于低频电路，如果在高频电路中使用，则应旁接一个高频特性好的其它电容，或使用钽电容替代电解电容n尽量采用表贴封装，减少引线分布电感 精品课件精品课件！精品课件精品课件！电源信号上的去耦电容实例电源信号上的去耦电容实例