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1、第 5 章 EMC抑制的基本概念,电磁兼容与PCB设计,镜像面概念 元件间环路面积的控制 三种主要的接地方法 分区法和隔离法,本章内容,5.1 镜像面概念,RF 电流必须通过路径返回到它的源-通过镜像面 -可使RF电流通过紧密耦和返回到它的源 - 减小接地噪声电压(紧密耦合实心板),镜像面上信号线,双层板，四层板、多层板 (Multi-layer PCBs) Muiti-layers board can significantly help reduce EMC problems if used correctly. They can reduce signal trace inductanc
2、e reduce total loop areas simplify routing,Typical 4-layers PCB stackup:,镜像面的工作原理,镜像层的工作与PCB板中的电感有关，PCB板中存在3种不同的电感：,局部电感：在线路或PCB走线中的电感 局部自感：导体由于磁通量的存在而产生的内部电感。 局部互感：一段走线与另一段走线之间的电感，或两个导体之间存在的局部互感。,线路1为信号线 线路2为RF返回线路,要减小通过导体的电压降，必须提高两个并联导体之间的互感，而增大互感的方法就是使RF回路与信号线尽量靠近，使它们彼此之间的距离达到可以制造出的最小值。,互感与两条并行导线
3、之间的距离以及长度有关，两条并行导线之间的距离越小，互感越大；两条并行导线的长度越长，互感越大 。,3. 网格接地系统,减小走线电感的有效方法，并提供射频电流返回。 仅用于单面和双面PCB 多层结构采用镜像层更加有效 PCB上包括水平和垂直接地路径 网格大小通常为 0.5 in，最大可接受的网格尺寸为波长的 1/20，（基于网格可承受的最高频率） 双面板：轴在顶层布线，轴在底层布线,网格状接地结构,双面板的地线网格,5.2 元件间环路面积的控制,1. 元件间环路面积的控制,差模辐射,共模辐射,高频辐射与引线电感、环路面积、频率、电流等因素有关,典型,最佳,2. 高频和低频回流路径,最大信号回流
4、密度：,对低频信号： 回流电流沿最小电阻最小的路径，或几何上最短的路径； 对高频信号： 高频电流流经电感最小的路径。,引线电感、环路面积主要与一下因素有关：,元件的封装 元件的放置 布线 PCB连接方式（多层板可减小射频电流）,大环路面积易产生ESD-感应场,电源层接地层可减小电源分配系统电感，从而减小板上电压降，减小潜在ESD破坏,小环路面积产生小的ESD-感应场,元件的放置及PCB连接方式,多层板可减小射频电流,布线:,环路面积的减小,信号环路重叠,3. 接地回路的控制,回路是RF能量传播的主要贡献者 RF电流试图通过任何路径或媒质返回到它的源，包括： 器件、机壳、地层、相邻的走线或其他路
5、径 RF能量总是在源和负载之间存在返回路径有电位差 线路电感导致源和被影响的电路之间产生RF电流的磁耦合 接地和信号返回环路的控制是抑制PCB电磁干扰的重要内容 高速逻辑器件和振荡器应放在距离接地点尽可能近的位置，以减小涡流和接地底板之间形成回路,信号线不能跨越地层上的隔缝,5.3 三种主要的接地方法,1.接地的目的,使整个电路系统中的所有单元电路有一个参考零点位，从而保证电路系统能稳定的工作。 防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则火化放电会对设备造成干扰。另外，接地也可以达到良好的屏蔽效果。 保证人身安全。,（1） 电路或 PCB 接地有
6、3种： 真正接地、隔离、浮地,（2）接地有两个内容： 安全地,1.基本概念,信号电压参考地,信号地与以下因素有关： - 产品设计类型 - 运行时的频率 - 所使用的逻辑设备 - 输入输出互连 - 模拟和数字电路 - 产品安全性,定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径,地线引发干扰问题的原因,地线电位示意图,（4） PCB设计中主要包括两个问题： 模拟地和数字地之间的参考连接 PCB的地层和金属壳之间的高频连接,信号地、共用地、 模拟地、数字地、 安全地、噪声地、纯净地、 大地、硬件地、 单点地、多点地、 屏蔽地、射频（RF）地,（3） 地的种类：,2. 接地方法,有4种：浮地、单点接地、多点接地
7、、混合接地,（1）浮地:,设备内部工作地与外部隔离绝缘，系统的任何地线不通过任何形式最终接到大地上,（2）单点接地:,单点接地要求每个电路只接地一次，并且接在同一点。,适用于工作频率低于 1MHz的电路 大部分敏感电路回流应当尽可能的靠近机座参考点，并远离低功率器件和电路 包括串联接地、并联接地,串联接地,并联接地,单点接地地线问题公共阻抗耦合,串联单点、并联单点混合接地,模拟电路1,模拟电路2,模拟电路3,数字逻辑控制电路,数字信息处理电路,继电器驱动电路,马达驱动电路,（3）多点接地:,设备内电路都以机壳为参考点，各个设备的机壳又都以地为参考点。多点接地时，每条地线可以很短；并且多根导线并
8、联能够降低接地导体的总电感，多点接地能够提供较低的接地阻抗。,适用于工作频率大于 1MHz的电路 减小射频电流返回路径（很多低阻抗路径并联） 低的平面阻抗（电源和接地面的低电感特性） 在PCB 上提供最大的EMI抑制,地线问题地环路,两个接地引线之间产生接地环路 - 感应ESD磁场能量或 EMI辐射 - 防止的方法：,两个接地引线之间的物理距离不能超过被接地的电路最高频率信号波长的1/20 元件接地引线的长度尽可能短,隔离变压器:,光隔离器:,利用隔离变压器或光隔离器切断地环路,RL噪声电压:,多点接地中的谐振： 在PCB中采用多点接地容易出现谐振 发生在接地引线与交流参考平面或机座平板之间
9、取决于接地引线位置之间的距离和激励信号的频谱,（4） 混合接地,混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图3所示的混合接地。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。,单点接地、多点接地的复合 适用于工作频率高低混合的电路,混合接地实例,线路板上的地线,3. 多层板的接地方法,接地层与电源层相邻，最好在上 多个接地层要多处相连接 局部接地层铜板要用螺钉直接与机架相接 模拟地和数字地要分开 I/O地与内部地要分开 保护地线、分流地线、静电保护线也要直接与机架相接或多处接地
10、 不要破坏接地层的完整性,4. PCB地线设计原则,（1）分地原则 低频电路地应尽量采用单点接地，或采用部分串联后再并联接地 高频电路应采用多点接地，地线应短而粗 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔 （2）地层板上的隔缝不要阻挡高频回流的通路 （3）避免把连接器装在地层隔缝上 （4）数字电路应视为高频模拟电路 （5）接地线应尽可能粗 （6）消除高频接地环路 ,5.4 分区法和隔离法,PCB 板的布局中，元件的放置位置非常关键 按逻辑功能划分为小的区域减小信号线的长度和反射 保持信号完整性使布线更容易 避免产生孔通路 每条孔通路增加线路电感13 nH 高速设计大量使用接地点， 使接地层与机壳的地
11、相接,1. 分区法,分区的主要目的是要把有干扰的电源、接地层和其他功能 区与无干扰的或静态的区域分开。,Partitioning,A: CPU,cache,oscillator B: memory buffer C: memory array D: gate array/control logic E: DMA controller F: I/O logic G: user interface logic H: support logic I: peripheral I/O P: power for peripherals X: ground connection to chassis,每一个
12、小部分都有4个接地点围绕，利用多点接地接到机壳地 如果是高频电路，接入并行取耦电容 不同的RF 能量带宽元件，放置到不同的位置，不要混合放置 接地点通过螺丝钉、弹簧片、垫圈接到机壳地,I/O电路的设计包括 功能子系统和静态区域两个部分。,(1) 功能子系统 由一组元器件和它们各自的支持电路组成。为了得到最短的布线长度和优化的功能特性，元件的放置应彼此靠近。,2. I/O电路的设计,（2） 静态区域 物理上独立于数字电路和电源与接地层的部分。这种隔离避免了PCB上的其它区域的噪声源干扰其它敏感电路。如：从数字电路的电源层噪声进入到模拟器件的电源管脚，或音频元件、I/O滤波器、互连等元件的电源管脚
13、。,为了实现静态区域，分区和 moat is required, quite area maybe: I/O信号进出完全隔离的变压器，可实现 100% 隔离 数据线滤波器 通过高阻抗的共模或差模电感滤波器 由铁氧体环（ferrite bead-on-lead）保护,（3）局部化的接地层,将振荡器、晶振和所有时钟支撑电路安装在一个单独的局部接地层上，也是分区的一部分。 局部化的接地层与PCB上主要的内部接地层直接相连，安装在接近接地引线的地方，振荡器的接地引脚和最少两个附加接地转孔与局部接地层相连。 振荡器电路下安装的局部接地层就为RF射频电流提供了一个高效的返回路径镜像层，从而减小了RF辐射能量。,3. 隔离法,隔离是要把器件、电路和电源层和其它功能设备、区域和子系统从物理上隔离。 隔离可通过使用壕在所有层上形成没有铜片的空白区来实现。 无铜片区可通过最小宽度为 0.05in(50mil)间隔产生,有两个方法可将线路、电源和接地层连到此区域 （1）使用独立变压器、光隔离器、共模数据线滤波器 （2）搭桥,
