PCB电磁兼容设计(马双武4h).pdf

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1、电磁兼容技术讲座P CB电磁兼容设计P CB电磁兼容设计马双武马双武2PCB电磁兼容设计基本内容基本内容?信号的频谱分析信号的频谱分析?干扰源分析干扰源分析?布线设计技术布线设计技术?叠层设计技术叠层设计技术?地线设计技术地线设计技术?布局设计技术布局设计技术?信号完整性（信号完整性（SI）分析）分析3PCB电磁兼容设计信号的频谱分析信号的频谱分析Tdtrtr=d+tr10.5t=+=1)2(cos)(nnntTnCTtVTtnTtnTnTnTCrrn)sin()sin(2=Ttnrn)(+=V(t)4PCB电磁兼容设计信号的频谱分析信号的频谱分析C1=2/TC2=0.64/T fC3=0.2

2、/T trf2谐波幅度1/1/tr频率（对数）-20dB/dec-40dB/decC1C2C3上升（或下降）时间越短，信号所含高频分量越丰富。5PCB电磁兼容设计常见逻辑器件的上升时间常见逻辑器件的上升时间3nS5nS10nS9nS50nS开关时间STTLLSTTLTTLHCMOSCMOS逻辑族举例：举例：如 tr=10 n S，则频谱带宽为BW=1/tr=32 M H z如 tr=10 n S，则频谱带宽为BW=1/tr=32 M H z逻辑器件是一种骚扰发射较强的、最常见的宽带骚扰源，器件的翻转时间越短，对应的逻辑脉冲所占的频谱越宽。6PCB电磁兼容设计I 噪声干扰噪声干扰1324寄生电容

3、7PCB电磁兼容设计导线的阻抗导线的阻抗频率 Hz d=0.65cm 10cm 1m d=0.27cm 10cm 1m d=0.06cm 10cm 1m d=0.04cm 10cm 1m 10Hz 51.4 5173273.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429 7.14m 6328.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3

4、.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115 P CB电磁兼容设计共模干扰与差模干扰共模干扰与差模干扰P CB电磁兼容设计共模干扰共模干扰E=K f L IE-幅射电场强度(远场)E-幅射电场强度(远场)f -电流频率f -电流频率LL 线的长度线的长度I I 共模电流大小共模电流大小P CB电磁兼容设计差模干扰差模干扰E=K f2A IE-幅射电场强度(远场)E-幅射电场强度(远场)f

5、-电流频率f -电流频率A -回路面积A -回路面积I -回路中电流大小I -回路中电流大小11PCB电磁兼容设计电路的差模抗扰性电路的差模抗扰性=K f A HZGZLVH 电路上的干扰电压电路上的干扰电压f f 干扰电磁场频率干扰电磁场频率A -回路面积A -回路面积H H 干扰磁场干扰磁场12PCB电磁兼容设计串扰串扰当一根信号线上有高频电流流过时，在P CB板上与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。当一根信号线上有高频电流流过时，在P CB板上与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。HHDtrace1trace22)(1),(HDLtKr+=串扰P CB电磁兼容设计一个重要的设计原则一个

6、重要的设计原则布局、布线时应使所有信号布局、布线时应使所有信号回路面积回路面积（特别是高频信号和敏感信号回路面积）尽可能（特别是高频信号和敏感信号回路面积）尽可能小小。P CB电磁兼容设计信号回流信号回流信号频率较高时的回流分布15PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?3W 原则原则对于时钟线、差分线对、复位线及其它对于时钟线、差分线对、复位线及其它高速高速强辐射或敏感线路，当线宽为W时，其与相邻线径的中心线距应大于3W。强辐射或敏感线路，当线宽为W时，其与相邻线径的中心线距应大于3W。16PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?有过孔存在时的有过孔存在时的3W 原则原则WWWWWW

7、W3W3W过孔过孔地层17PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?差分线对的差分线对的3W 原则原则WWWW 2WWW 2WW差分线对此间距可根据差分线对的阻抗要求进行调整18PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则单面板双面板19PCB电磁兼容设计不良布线举例不良布线举例20PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?高速信号线不要在分割区上跨越，不要在无关的参考平面上方穿行。高速信号线不要在分割区上跨越，不要在无关的参考平面上方穿行。21PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?地线应该尽量宽，使其有足够的电流承载能力和最小的电感地线应该尽量宽，使其有足够的电流承载能力和最小的电感

8、?所有高频信号或敏感信号必须紧靠完整的参考平面布线，以保证其有最小的信号回路和连续的阻抗，从而减小信号的反射和辐射，提高信号的稳定性。所有高频信号或敏感信号必须紧靠完整的参考平面布线，以保证其有最小的信号回路和连续的阻抗，从而减小信号的反射和辐射，提高信号的稳定性。22PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则在模拟电路和射频电路设计中，以及没有电源地平面的双面板中，常常用保护线来对关键信号进行保护，使其免受其它信号的串扰。一般保护线连接地网络，并在线的两端与地相接。频率很高时，保护线上用多个过孔接地，过孔之间的距离应小于板上最高频率所对应波长（）的1/2 0。在模拟电路和射频电路设计中，以及

9、没有电源地平面的双面板中，常常用保护线来对关键信号进行保护，使其免受其它信号的串扰。一般保护线连接地网络，并在线的两端与地相接。频率很高时，保护线上用多个过孔接地，过孔之间的距离应小于板上最高频率所对应波长（）的1/2 0。对于有完整地平面的数字电路，一般不用保护线。对于有完整地平面的数字电路，一般不用保护线。23PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?高频信号或敏感信号应避免太多的过孔高频信号或敏感信号应避免太多的过孔24PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?差分对应平行等距等时延走线，保持对称，使电路对共模干扰有良好的抑制。差分对应平行等距等时延走线，保持对称，使电路对共模干扰有

10、良好的抑制。?高速信号的走线不允许出现锐角和直角。1G H z 以上的信号应该尽量使用圆弧 走线。高速信号的走线不允许出现锐角和直角。1G H z 以上的信号应该尽量使用圆弧 走线。?为了减少高频信号的辐射和干扰，高频信号尽量安排在内层。当走线的长度大于信号频率所对应波长（）的1/2 0 时必须走内层。为了减少高频信号的辐射和干扰，高频信号尽量安排在内层。当走线的长度大于信号频率所对应波长（）的1/2 0 时必须走内层。25PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?I/O 信号应避开高速和高d i/d t 信号等干扰源。连接器上应该安排足够的接地管脚。I/O 信号应避开高速和高d i/d t

11、 信号等干扰源。连接器上应该安排足够的接地管脚。干净区域干净区域滤波电容电源线连接地线连接滤波电容电源线连接地线连接信号滤波器信号滤波器隔离变压器/光耦隔离器隔离变压器/光耦隔离器桥桥壕沟壕沟时钟电路、高速电路时钟电路、高速电路26PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?时钟线应避免换层？27PCB电磁兼容设计布线设计原则布线设计原则?任意相邻的信号层应尽可能采取垂直正交的布线方向。任意相邻的信号层应尽可能采取垂直正交的布线方向。GroundGroundS1S2S3S428PCB电磁兼容设计扁平电缆的使用扁平电缆的使用最好最好较好但端接困难较好但端接困难较好较好差差29PCB电磁兼容设计共

12、模干扰的抑制共模干扰的抑制PCBPCB共模回路共模回路高频磁环P CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?四层板四层板TopGroundPowerBottomTopGroundPowerBottomP CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?六层板（性能一般）六层板（性能一般）TopGroundPowerBottomS1S2TopGroundPowerBottomS1S2P CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?六层板（性能好）六层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundS1P CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?八层板八层板TopGroundPowerBottomGroundS1S2S

13、3TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S2性能一般性能一般性能好性能好P CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?十层板十层板TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2S4TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S4S2S3P CB电磁兼容设计叠层设计叠层设计?十层板（性能好）十层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2GroundP CB电磁兼容设计地层设计地层设计?20H 原则原则10 H 2 0 H 70%10 0 H 9 8%20H 3mmP CB电磁

14、兼容设计20H原则原则20H20HDigital powerAnalog powerDigital groundAnalog groundMoatP CB电磁兼容设计地层设计地层设计?对于多层板，应保证地平面的对于多层板，应保证地平面的完整性完整性，地平面内不应有大的开口。，地平面内不应有大的开口。优点：优点：?提供较稳定的参考电平提供较稳定的参考电平?提供小的信号回路面积提供小的信号回路面积?使 信号线具有确定的和较均匀的特性阻抗使 信号线具有确定的和较均匀的特性阻抗?可以控制信号间的串扰可以控制信号间的串扰39P CB电磁兼容设计地层设计地层设计?举例40P CB电磁兼容设计地层设计地层设

15、计?举例信号层信号层地 层地 层41P CB电磁兼容设计地层设计地层设计?举例（bad）42P CB电磁兼容设计地层设计地层设计当P CB中有多个地平面层时，应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起，特别在信号集中换层的地方，以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如在平面的四周用过孔将地平面连接在一起，可以有效的降低P CB对外的辐射。当P CB中有多个地平面层时，应该在板上用较多分散的过孔将地平面连接在一起，特别在信号集中换层的地方，以便为换层的信号提供较短回路和降低辐射。如在平面的四周用过孔将地平面连接在一起，可以有效的降低P CB对外的辐射。P CB电磁兼容设计关于地层的分割关于地

16、层的分割?分割分割-适用于数字电路与模拟电路之间没有信号联系-适用于数字电路与模拟电路之间没有信号联系布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。数字地与模拟地分割，然后在插座处单点连接，见左图。这样能最大限度地抑制数字电路对模拟电路的干扰。布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。数字地与模拟地分割，然后在插座处单点连接，见左图。这样能最大限度地抑制数字电路对模拟电路的干扰。P

17、 CB电磁兼容设计关于地层的分割关于地层的分割?分割+桥接分割+桥接-适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较少且集中P CB电磁兼容设计关于地层的分割关于地层的分割?分区但不分割分区但不分割-适用于数字电路与模拟电路之间联系的适用于数字电路与模拟电路之间联系的信号线较多且难以集中的情况信号线较多且难以集中的情况模拟区数字区模拟区数字区P CB电磁兼容设计关于地层的分割关于地层的分割(例例)?举例(b a d)举例(b a d)47PCB电磁兼容设计地层设计地层设计?具有金属壳体的高频器件下应该敷地平面，该地平面应采用多个过孔与板内的地平面连

18、接。该敷地平面喷锡，不要盖绿油。具有金属壳体的高频器件下应该敷地平面，该地平面应采用多个过孔与板内的地平面连接。该敷地平面喷锡，不要盖绿油。48PCB电磁兼容设计地线设计地线设计与后背板相连的插座上，地线插针应足够多且应纵向安排，接地线与地线插针连线要足够粗，以免形成接地瓶颈。与后背板相连的插座上，地线插针应足够多且应纵向安排，接地线与地线插针连线要足够粗，以免形成接地瓶颈。对于高频信号尤其是高频时钟信号，四周应用地线插针包围。对于高频信号尤其是高频时钟信号，四周应用地线插针包围。P CB电磁兼容设计P CB的布局设计混合电路混合电路布局时应该将数字电路和模拟电路分开，各区内器件排列尽量紧凑，

19、留出足够的隔离空间布局时应该将数字电路和模拟电路分开，各区内器件排列尽量紧凑，留出足够的隔离空间P CB电磁兼容设计P CB的布局设计数字电路数字电路布局时应根据速率高、中、低速、I/O 电路分区，以减少高速电路对其它部分的干扰布局时应根据速率高、中、低速、I/O 电路分区，以减少高速电路对其它部分的干扰P CB电磁兼容设计P CB的布局设计模拟电路模拟电路布局时应根据频率高、中、低进行分区，必要时应采取屏蔽隔离措施，以减少电路之间的干扰布局时应根据频率高、中、低进行分区，必要时应采取屏蔽隔离措施，以减少电路之间的干扰P CB电磁兼容设计开关电流产生的问题电源线电感I CEVCC电源线电感I

20、CEVCC?产生较强的辐射骚扰。产生较强的辐射骚扰。?降低降低VCC，影响芯片的正常工作。，影响芯片的正常工作。P CB电磁兼容设计解决办法?设置去耦电容设置去耦电容CI CEVCCP CB电磁兼容设计电容的作用电容的作用?隔直通交（信号传输）?去耦?旁路?稳压（平滑）?其它（微分、积分、整形等）P CB电磁兼容设计电容的阻抗特性电容的阻抗特性?理想电容理想电容?实际电容实际电容CLRCZfofZfP CB电磁兼容设计实际电容的特性实际电容的特性LCfo21=?自谐振频率：自谐振频率：自谐振频率越高越好自谐振频率越高越好L：尽可能小：尽可能小C：合理选取：合理选取P CB电磁兼容设计去耦电容的

21、选取去耦电容的选取I：VCC脚流入的最大电流脚流入的最大电流VtIC=t：IC的开关时间的开关时间V：VCC允许的压降允许的压降CI CEVCC例：例：I=20mA则：则：C=2nFt=10nS V=100mVP CB电磁兼容设计去耦电容的布局去耦电容的布局?去耦电容应尽可能靠近去耦电容应尽可能靠近VCC脚和地之间放置脚和地之间放置goodpoorP CB电磁兼容设计去耦电容的布局(举例)去耦电容的布局(举例)60P CB电磁兼容设计信号完整性（信号完整性（SI）分析）分析?定义定义?SI问题问题?传输线理论传输线理论?端接匹配技术端接匹配技术61信号完整性（SI）分析定义定义?信号完整性(S

22、I-Si g n a l I n t e g r i t y )信号完整性(SI-Si g n a l I n t e g r i t y )?信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达I C，则该电路具有较好的信号完整性。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达I C，则该电路具有较好的信号完整性。?信号完整性是保证系统稳定工作的基础信号完整性是保证系统稳定工作的基础62信号完整性（SI）分析SI问题问题?反射（反射（reflection）?串扰（串扰（cross-talk）?

23、电源电源/地噪声（地噪声（ground bounce）63信号完整性（SI）分析反射反射?信号的反射将引起过冲、振玲、边沿迟缓等效应。信号的反射将引起过冲、振玲、边沿迟缓等效应。64信号完整性（SI）分析引起引起SI问题的原因问题的原因?IC的开关速度的开关速度?信号的布线设计信号的布线设计?端接器件端接器件65信号完整性（SI）分析传输线理论传输线理论?考虑传输线效应的条件（模拟信号）：考虑传输线效应的条件（模拟信号）：信号线长度大于信号波长的二十分之一信号线长度大于信号波长的二十分之一66信号完整性（SI）分析传输线理论传输线理论?考虑传输线效应的条件（数字信号）：考虑传输线效应的条件（数

24、字信号）：DelayrTt6)(3)(nstcmlror90%10%Rise TimePropagation Delay()6*l67传输线理论理论模型理论模型xx+dxGLRCuiu+dui+di68理论分析理论分析传输线理论传输线方程：传输线方程：)(CjGLjR+=令tiLRixu+=CjGLjRZc+=tuCGuxi+=-传播常数对稳态正弦源有：对稳态正弦源有：)(tjecZ-特性阻抗ILjRdxdU)(+=通解：xxebeaxU+=)()(1)(xxcebeaZxI=UCjGdxdI)(+=常数a,b可根据边界条件具体化69传输线上的电压与电流分布传输线上的电压与电流分布0 xtXU

25、0I0U(x)I(x)UtItZtcZ,)sinh()cosh()()sinh()cosh()(0000 xZUxIxIxZIxUxUcc=)sinh()cosh()()sinh()cosh()(1111xZUxIxIxZIxUxUcttctt+=+=(x1=t-x)70传输线理论传输线上的阻抗传输线上的阻抗)()()(xIxUxZ=定义：定义：任一点的阻抗：任一点的阻抗：)tanh()(1nxZxZc+=xtxZZnct=1)tanh(71传输线理论终端短路时传输线上的阻抗分布终端短路时传输线上的阻抗分布令 Zt=0，则有 n=0令 Zt=0，则有 n=0)tanh()(1xZxZc=于是：

26、于是：对于无损耗传输线（R，G 0），有：对于无损耗传输线（R，G 0），有：)(2LCjj=)2tan()(1xZjxZc=于是有：于是有：72传输线理论终端短路时传输线上的阻抗分布终端短路时传输线上的阻抗分布00.10.20.30.40.50.60.70.80.9101234567891 0 x 1/abs(Z(x)/Zc)距终端四分之一波长处的阻抗为无穷大，相当于开路距终端四分之一波长处的阻抗为无穷大，相当于开路73传输线理论负载阻抗等于特性阻抗时传输线上的阻抗分布负载阻抗等于特性阻抗时传输线上的阻抗分布=nZZnct1)tanh(令 Zt=Zc 则有：令 Zt=Zc 则有：cccZZn

27、xZxZ=+=)tanh()tanh()(1于是：于是：如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗，则在传输线上任一点的阻抗都等于其特性阻抗。这时称负载为匹配负载。这种状态下，传输线上的波为行波，没有反射波。如果负载阻抗等于传输线的特性阻抗，则在传输线上任一点的阻抗都等于其特性阻抗。这时称负载为匹配负载。这种状态下，传输线上的波为行波，没有反射波。74传输线理论传输线上的时间延迟传输线上的时间延迟?信号在传输线中的传播速度为：信号在传输线中的传播速度为：LCV1=?单位长度的传输延迟时间：单位长度的传输延迟时间：LCVtpd=175传输线理论传输线上的反射传输线上的反射0 xtXU0U(x)Ut ItZ

28、tcZ,UiUr?电压反射系数：电压反射系数：?传输线上的电压：传输线上的电压：riUUxU+=)(irUU=ctctZZZZ+=0=rctUZZ76传输线理论常见传输线类型常见传输线类型?地平面上的圆导线地平面上的圆导线77传输线理论常见传输线类型常见传输线类型?同轴线同轴线78传输线理论常见传输线类型常见传输线类型?双绞线及扁平线缆双绞线及扁平线缆79传输线理论常见传输线类型常见传输线类型ftnstrpd/67.0475.0017.1+=milsWforohmsTWHZr25158.098.5ln41.1870+=milsWforohmsTWHZr1558.098.5ln41.1790+=

29、151r0.31.0HWWT?表面微带线表面微带线H80传输线理论常见传输线类型常见传输线类型THrWH1?嵌入式微带线嵌入式微带线ohmsTWHZr+=8.098.5ln870=HHrr155.1exp1ftnstrpd/017.1=0.31.0HW151r81传输线理论常见传输线类型常见传输线类型wHHT?带状线带状线ohmsTWTHZr+=8.0)2(9.1ln600ftnstrpd/017.1=0.21.0HW25.0HT151r82传输线理论常见传输线类型常见传输线类型wswTrh?微带差分线对微带差分线对ohmseZZhsdiff)48.01(296.00ohmsTWhZr+=)8

30、.0(67.04ln67.0475.060083传输线理论常见传输线类型常见传输线类型wsw?带状差分线对带状差分线对hohmseZZhsdiff9.20374.012ohmsTWhZr+=)8.0(67.04ln60084匹配和端接技术始端串联匹配始端串联匹配?匹配功耗小匹配功耗小?增加了传输延迟增加了传输延迟?可用于点到点的传输线可用于点到点的传输线?R Ts=Z0R Ts=Z0 R0（电路输出阻抗）R0（电路输出阻抗）85匹配和端接技术终端并联匹配终端并联匹配?有效消除反射有效消除反射?可用于点到多点和总线系统可用于点到多点和总线系统?大的直流功耗大的直流功耗86匹配和端接技术终端并联匹

31、配终端并联匹配?有效消除反射有效消除反射?可用于点到多点和总线系统可用于点到多点和总线系统?大的直流功耗大的直流功耗87匹配和端接技术终端并联匹配终端并联匹配?有效消除反射有效消除反射?可用于点到多点和总线系统可用于点到多点和总线系统?低的直流功耗低的直流功耗对于高速高频信号，可能产生反射对于高速高频信号，可能产生反射RT=Z0，CT 20-600pF88匹配和端接技术终端并联匹配终端并联匹配?有效消除反射有效消除反射?可用于点到多点和总线系统可用于点到多点和总线系统?大的直流功耗大的直流功耗Z0VccR1R2021/ZRR89匹配和端接技术终端二极管箝位终端二极管箝位Z0Vcc能够抑制大的过

32、冲能够抑制大的过冲二极管需要有好的开关特性二极管需要有好的开关特性不能去除反射不能去除反射90匹配和端接技术终端匹配器件的布局终端匹配器件的布局pinICtracepadground viapinICtracepadground via?91传输线理论参考资料参考资料?Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance?EMC and the printed circuit board,Mark I.Montrose?High speed digital design-A handbook of black magic,HOWARD W.JOHNSON http:/ http:/ http:/www.emc- http:/ http:/ http:/