《精编》电磁兼容控制技术--PCB设计概述

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1、电磁兼容控制技术 PCB设计EMCControlTechniqueforPCBDesign 上海市电磁兼容检测重点实验室徐强华 电磁兼容性设计 电路设计屏蔽接地滤波 在电子 电器产品的设计阶段从 等方面来考虑 解决产品的EMC问题 电磁兼容设计 要求产品设计者在产品的设计阶段 就带有EMI和EMS的思想意识 通常 电磁兼容问题只用一种措施往往不能取得预期的效果 最好用几种方法相结合 一个产品在设计定型的初级阶段 采用合适的电磁兼容性对策并采取恰当的措施 对保证产品的技术可靠性 控制产品成本是至关重要的 电磁骚扰的传播 传导耦合 公共回路耦合 导线间的近场耦合 辐射耦合 近场耦合 远场耦合 形成

2、电磁噪声问题的三要素 噪声源耦合通道敏感的接收电路 电磁噪声抑制 在噪声源处进行抑制 在噪声传播路径上进行抑制 抑制电磁噪声通常应遵循的一些原则 噪声源在保证产品或设备所固有的电气性能的前提下 控制噪声源的直接发射强度 由强到弱 改良产品的设计方略 从线路布置 外壳屏蔽等方面 控制噪声传输路径的数量 由多到少 用先进的电子电气线路 去除产品不必要的附加性能 控制噪声源的数量 由多到少 印制线路板电磁兼容性是系统设计的关键 印制线路板是电子产品最基本的部件 也是绝大部分电子元器件的载体 实践证明 即使设计电路原理正确 印制线路板设计不当 也会对电子设备的可靠性产生不利影响 所以保证印制线路板的电

3、磁兼容性是整个系统设计的关键 印制电路板的选择 印制电路板有单层 双面和多层之分 单层和双面印制电路板主要用于集成度较低的电路 多层印制电路板适用于高密度的布线场合 1 减小辐射骚扰的角度出发 应尽量选用多层板 内层分别作电源层 地线层 用以降低供电线路阻抗 抑制公共阻抗噪声 对信号线形成均匀的接地面 加大信号线和接地面间的分布电容 抑制其向空间辐射的能力 2 印制电路板的尺寸大小 PCB尺寸过大 印制线条长 线路阻抗增加 抗扰度能力下降 成本也增加 PCB尺寸过小 散热条件差 易产生邻近线干扰 印制电路板元器件布置1 1 按照原电气原理的电路流程安排各个功能单元的位置 使布局便于信号流通 力

4、求使信号尽可能保持一致的方向 2 以每个功能单元电路的核心元件为中心 围绕它来进行布局 元器件应均匀 整齐 紧凑地排列在PCB上 尽可能地减少和缩短各元器件之间的引线和连接 3 在高频工作电路 要考虑元器件之间的分布参数 一般电路应尽可能使元器件平行排列 印制电路板元器件布置2 4 位于电路板边缘的元器件 离电路板边缘一般不小于2mm 电路板的最佳形状为矩形 如 长宽比为3 2或4 3等 电路板面尺寸大于200 150mm时 应考虑电路板所受的机械强度 5 低电平信号线路应远离高电平信号线路 以及能产生快速瞬态过程的线路 和未经滤波的电源线 6 为避免模拟电路 数字电路和电源公共回线产生公共阻

5、抗耦合 低电平的模拟电路应与数字电路分开 印制电路板元器件布置3 7 高速 如 大于10 20MHz 中速 如 大于1MHz 低速逻辑电路在PCB上要用不同区域 8 PCB线路布线时要使得信号线长度为最小 9 保证相邻板之间 同一板相邻层面之间 同一层面相邻布线之间避免有过长 如 大于10cm以上 的平行信号线 10 电磁干扰 EMI 滤波器要尽可能靠近被抑制EMI源 且应考虑布置在同一块线路板上 印制电路板元器件布置4 11 DC DC变换器 开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置 以使其导出的引线长度为最小 12 尽可地能靠近整流二极管放置调压元件和抑制用滤波电容器 且滤波电容器连接到整流

6、二极管的距离为最短 13 在PCB上要按工作频率 电流开关特性分区 易产生噪声的元件与不易产生噪声的元件要隔离或远距离布置 无法实现时应考虑使用滤波器 印制电路板元器件布置5 14 对噪声敏感的电路布线时 要避免与大电流 高速开关电路 快速瞬变电路等平行 15 I O驱动电路尽可能地靠近印刷板边的连接器 16 元件引脚尽可能短 去耦电容引脚尽可能短 如使用无引线的贴片电容 17 时钟 总线信号要远离I O线和连接器 印制电路板元器件布置6 18 在高频电路中直角或夹角会影响电气性能 可能导致高频发射 所以 导线拐弯处一般取圆弧形 导线弧的线宽不要突变 导线不要突然拐角 90度 19 CMOS的

7、输入阻抗很高 且易受干扰 因此在设计电路时对不用端要通过电阻 如 10k 接地或接正电源 20 元器件和信号电路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合和高频信号的发射 印制电路板地线的布置 接地技术的目的 是使接地阻抗最小化 以此减小从电路返回到电源之间的接地回路的电势 印制电路板地线的布置1 1 正确选择单点接地与多点接地在低频电路中 信号的工作频率小于1MHz 它的布线和器件间的电感影响较小 而接地电路形成的环流对干扰影响较大 因而应采用一点接地 当信号工作频率大于10MHz时 地线阻抗变得很大 此时应尽量降低地线阻抗 应采用就近多点接地 当工作频率在1 10MHz时 如果采用一点接地

8、 其地线长度不应超过波长的1 20 否则应采用多点接地法 高频电路宜采用多点串联接地 地线应短而粗 高频元件周围尽量布置栅格状大面积接地铜箔 印制电路板地线的布置2 2 将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路 又有线性电路 应使它们尽量分开 而两者的地线不要相混 分别与电源端地线相连 要尽量加大线性电路的接地面积 3 尽量加粗接地线若接地线很细 接地电位则随电流的变化而变化 致使电子设备的定时信号电平不稳 抗噪声性能变坏 因此应将接地线尽量加粗 使它能通过三倍于印制线路板的允许电流 如有可能 接地线的宽度应大于3mm 印制电路板地线的布置3 4 将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成

9、的印制线路板的地线系统时 将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力 其原因在于 印制线路板上有很多集成电路元件 尤其遇有耗电多的元件时 因受接地线粗细的限制 会在地结上产生较大的电位差 引起抗噪声能力下降 若将接地结构成环路 则会缩小电位差值 提高电子设备的抗噪声能力 印制电路板地线的布置4 5 当采用多层线路板设计时 可将其中一层作为 全地平面 这样可减少接地阻抗 同时又起到屏蔽作用 我们常常在印制板周边布一圈宽的地线 也是起着同样的作用 6 单层PCB的接地线在单层 单面 PCB中 接地线的宽度应尽可能的宽 且至少应为1 5mm 60mil 由于在单层PCB上无法实现星形布线 因此跳线和

10、地线宽度的改变应当保持为最低 否则将引起线路阻抗与电感的变化 印制电路板地线的布置5 7 双层PCB的接地线在双层 双面 PCB中 对于数字电路优先使用地线栅格 点阵布线 这种布线方式可以减少接地阻抗 接地回路和信号环路 像在单层PCB中那样 地线和电源线的宽度最少应为1 5mm 另外的一种布局是将接地层放在一边 信号和电源线放于另一边 在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗 此时 去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方 印制电路板地线的布置6 8 PCB电容在多层板上 由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容 在单层板上 电源线和地线的平行布放也将存在这种电容效应

11、 PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀的分布在整个面或整条线上的低串连电感 它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容 没有任何一个单独的分立元件具有这个特性 印制电路板地线的布置7 9 高速电路与低速电路布放高速电路和元件时应使其更接近接地面 而低速电路和元件应使其接近电源面 10 地的铜填充在某些模拟电路中 没有用到的电路板区域是由一个大的接地面来覆盖 以此提供屏蔽和增加去耦能力 但是假如这片铜区是悬空的 比如它没有和地连接 那么它可能表现为一个天线 并将导致电磁兼容问题 印制电路板地线的布置8 11 多层PCB中的接地面和电源面在多层PCB中 推荐把电源面和接地面尽可能近的放

12、置在相邻的层中 以便在整个板上产生一个大的PCB电容 速度最快的关键信号应当临近接地面的一边 非关键信号则布置靠近电源面 12 电源要求当电路需要不止一个电源供给时 采用接地将每个电源分离开 但是在单层PCB中多点接地是不可能的 一种解决方法是把从一个电源中引出的电源线和地线同其他的电源线和地线分隔开 这同样有助于避免电源之间的噪声耦合 印制电路板电源线的布置 1 为防线间耦合 印制电路板的输入 输出端布线应尽可能地避免平行 在无法实现时建议在线间增加地线 2 电源线设计 根据印制线路板电流的大小 尽量加粗电源线宽度 减少环路电阻 如有可能 接地线应在2 3mm以上 同时使电源线 地线的走向和

13、数据传递的方向一致 这样有助于增强抗噪声能力 印制电路板信号线的布置1 1 时钟发生器尽量靠近到用该时钟的器件 2 石英晶体振荡器外壳要接地 3 印制板尽量使用45 折线而不用90 折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合 4 关键的线要尽量粗 并在两边加上保护地 高速线要短而直 印制电路板信号线的布置2 5 对A D类器件 数字部分与模拟部分地线宁可统一也不要交叉 6 模拟电压输入线 参考电压端要尽量远离数字电路信号线 特别是时钟 7 时钟线垂直于I O线比平行I O线干扰小 时钟元件引脚需远离I O电缆 8 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线 印制电路板信号线的布置3 9 弱信号电

14、路 低频电路周围不要形成电流环路 10 任何信号都不要形成环路 如不可避免 让环路区尽量小 11 低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线 包括能产生瞬态过程的电路 印制电路板EMC设计技巧1 1 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些 焊盘太大易形成虚焊 焊盘外径D一般不小于 d 1 2 mm 其中d为引线孔径 对高密度的数字电路 焊盘最小直径可取 d 1 0 mm 2 可用在PCB走线上串接一个电阻的办法 降低信号的上 下沿跳变速率 3 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼 高频电容 反向二极管 电阻等 4 对进入印制板的信号要滤波 从高噪声区到低噪声区的信号也要滤波 同时用接入终端电

15、阻的办法 来减小信号的反射 印制电路板EMC设计技巧2 5 集成电路无用端要通过匹配电阻接电源或接地 或定义成输出端 集成电路上该接电源 地的端都要接 不要悬空 6 闲置不用的门电路输入端不要悬空 而是通过相应的匹配电阻接电源或接地 闲置不用的运放正输入端接地 负输入端接输出端 7 为每个集成电路设一个高频去耦电容 每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容 8 用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路板上的充放电储能电容 使用串芯电容时 外壳要接地 印制电路板EMC设计技巧3 9 专用零伏线 电源线的走线宽度 1mm 10 电源线和地线尽可能靠近 以便使分布线电流达到均衡 11 要为模

16、拟电路专门提供一根零伏线 12 为减少线间串扰 必要时可增加印刷线条间距离 13 有意安插一些零伏线作为线间隔离 14 印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离 印制电路板EMC设计实例 由IC产生的噪声由导线产生的辐射骚扰接地图版面积的影响电路板布局与噪声辐射工作频率对辐射发射的影响通路长度对辐射发射的影响 由IC产生的噪声1实验条件 辐射发射测试EUT与天线的距离为3米 设来自电源的噪声已被降低到了最小值 测试电路由IC1和时钟振荡器产生16MHz的信号 并经IC2输出 由IC产生的噪声2在IC2的输出端接一10厘米长的信号线至IC3 实验表明 辐射发射需要三个条件 1 噪声源 2 一定的发射能量 3 发射天线 由IC产生的噪声3在IC2的输出端接入一合适的抑制滤波器 由IC产生的噪声4将IC2的导线开路 并垂直引出一10厘米长的导线 由IC产生的噪声5在IC2的输出端接入一合适的抑制滤波器 实验表明 在噪声源处设置滤波器对消除辐射发射效果明显 由导线产生的辐射骚扰图中IC4是接口电路 它的输出端 保持5V的高电平 分别与一条1米长的信号线和一条接地线相连 IC4的工作频率不