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1、PCBPCB电磁兼容设计电磁兼容设计电磁兼容技术讲座1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& 电源完整性（电源完整性（PI）分析分析PCB电磁兼容设计2信号的频谱分析信号的频谱分析Tdtrtr = d + tr10.5V(t)tPCB电磁兼容设计3信号的频谱分析信号的频谱分析A1 = 2 / TA2 = 0.64 / T fA3 = 0.2 / T tr f2 谐波幅度1/1/tr频率（对数）-20dB/dec-40dB/decA1A2A3PCB电磁兼容设计上升（或下降）时间越短，
2、信号所含高频分量越丰富。4常见逻辑器件的上升时间常见逻辑器件的上升时间PCB电磁兼容设计逻辑族CMOSHCMOSTTLLSTTLSTTL开关时间50nS9nS10nS5nS3nS举例：举例：如如 t tr r = 10nS= 10nS，则频谱带宽为，则频谱带宽为BW = 1/tBW = 1/tr r = 32MHz= 32MHz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。5I 噪声干扰噪声干扰PCB电磁兼容设计1324寄生电容6共模干扰与差模干扰共模干扰与差模干扰PCB电磁兼容设计 7共模干扰共模干扰PCB电磁兼容设计 E = K f L
3、 IE - E - 幅射电场强度幅射电场强度( (远场远场) )f - f - 电流频率电流频率L L 线的长度线的长度I I 共模电流大小共模电流大小8差模干扰差模干扰PCB电磁兼容设计 E - E - 幅射电场强度幅射电场强度( (远场远场) )f - f - 电流频率电流频率A - A - 回路面积回路面积I - I - 回路中电流大小回路中电流大小E = K f2 A I9电路的差模抗扰性电路的差模抗扰性PCB电磁兼容设计ZGZLVH = K f A H 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 - A - 回路面积回路面积H H 干扰磁场干扰磁场10串扰
4、串扰PCB电磁兼容设计当一根信号线上有高频电流流过时，在当一根信号线上有高频电流流过时，在PCBPCB板上板上与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。与之相邻的信号线上就会感应出干扰电压。HHDtrace1trace2串扰11一个重要的设计原则一个重要的设计原则PCB电磁兼容设计 布局、布线时应使所有信号布局、布线时应使所有信号回路回路面积面积（特别是高频信号和敏感信（特别是高频信号和敏感信号回路面积）尽可能号回路面积）尽可能小小。12信号回流信号回流PCB电磁兼容设计 低频：最小电阻【最短距离】低频：最小电阻【最短距离】高频：最小阻抗【最小面积】高频：最小阻抗【最小面积】13信号回流信号回流P
5、CB电磁兼容设计 信号频率较高时的回流分布14布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计 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强辐射或敏感线路，当线宽为辐射或敏感线路，当线宽为WW时，其与相邻线时，其与相邻线径的中心线距应大于径的中心线距应大于3W3W。15布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计 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16布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计单面板双面板17不良布线举例不良布线举例PCB电磁兼容设计18布线设计原则布线设计原则PC
6、B电磁兼容设计q 高速信号线不要在分割区上跨越，不要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。在无关的参考平面上方穿行。19布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计在模拟电路和射频电路设计中，以及没有电源地平面的双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
7、板上最高频率所对应波长（之间的距离应小于板上最高频率所对应波长（）的）的1/201/20。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。20布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计q 高速信号的走线不允许出现锐角和直角。高速信号的走线不允许出现锐角和直角。1GHz1GHz以以上的信号应该尽量使用圆弧上的信号应该尽量使用圆弧 走线。走线。q 为了减少高频信号的辐射和干扰，高频信号尽量安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排在内层。当走线的长度大于信号频率所对应波长（）的的1/201/20时必须走内层。
8、时必须走内层。q 差分对应平行等距等时延走线，保持对称，使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。电路对共模干扰有良好的抑制。21布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计干净区域干净区域滤波电容滤波电容电源线连接电源线连接地线连接地线连接信号滤波器信号滤波器隔离变压器隔离变压器/ /光耦隔离器光耦隔离器桥桥壕沟壕沟时钟电路、时钟电路、高速电路高速电路q I/OI/O信号应避开高速和高信号应避开高速和高di/dtdi/dt信号等干扰源。信号等干扰源。连接器上应该安排足够的接地管脚。连接器上应该安排足够的接地管脚。22布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计？q 时
9、钟线应避免换层23布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计任意相邻的信号层应尽可能采取任意相邻的信号层应尽可能采取垂直正交的布线方向。垂直正交的布线方向。GroundGroundS1S2S3S424布线设计原则布线设计原则PCB电磁兼容设计不要在单板上布设无意义的线；不要在单板上布设无意义的线；测试线应尽可能短；不要在信号层上测试线应尽可能短；不要在信号层上敷地时形成长条导线。敷地时形成长条导线。 信号层上信号线之间的地应通过足信号层上信号线之间的地应通过足够多的过孔接到地平面。够多的过孔接到地平面。25布线设计原则（例）布线设计原则（例）PCB电磁兼容设计26布线设计原则（例）布线设计原则
10、（例）PCB电磁兼容设计27布线设计原则（例）布线设计原则（例）PCB电磁兼容设计28扁平电缆的使用扁平电缆的使用PCB电磁兼容设计最好最好较好较好差差较好但端接困难较好但端接困难29共模干扰的抑制共模干扰的抑制PCB电磁兼容设计PCBPCB共模回路共模回路高频磁环30叠层设计叠层设计PCB电磁兼容设计 TopGroundPowerBottomTopGroundPowerBottomq 四层板四层板31叠层设计叠层设计PCB电磁兼容设计 q 六层板（性能一般）六层板（性能一般）TopGroundPowerBottomS1S2TopGroundPowerBottomS1S232叠层设计叠层设计P
11、CB电磁兼容设计 q 六层板（性能好）六层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundS133叠层设计叠层设计PCB电磁兼容设计 q 八层板八层板TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S2TopGroundPowerBottomGroundS1S2S3性能一般性能一般性能好性能好34叠层设计叠层设计PCB电磁兼容设计 q 十层板十层板TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2S4TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S4S2S335叠层设计叠层设计PCB电磁兼容设计 q 十层板（性
12、能好）十层板（性能好）TopGroundPowerBottomGroundGroundS1S3S2Ground36地层设计地层设计PCB电磁兼容设计 20H 原则原则20H 3mm10H20H70%100H98%37地层设计地层设计PCB电磁兼容设计 q 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。 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 使使 信号线具有确定的和较均匀的特性阻抗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优点：优点：38举例地层设计
13、地层设计PCB电磁兼容设计39举例地层设计地层设计PCB电磁兼容设计信号层信号层地地 层层40地层设计地层设计(例例)PCB电磁兼容设计41地层设计地层设计(例例)PCB电磁兼容设计42地层设计地层设计(例例)PCB电磁兼容设计43举例 （ bad ）地层设计地层设计PCB电磁兼容设计44地层设计地层设计PCB电磁兼容设计当当PCBPCB中有多个地平面层时，应该在板上用较多分散的过孔将地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
14、平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，可以有效的降低面连接在一起，可以有效的降低PCBPCB对外的辐射。对外的辐射。45地层设计（举例）地层设计（举例）PCB电磁兼容设计16层板：层板：T / G1 / S1 / G2 / P1 / S2 / G3 / S3 / P2 / S4 / G4 / S5 / G5 / S6 / G6 / B46地层设计（举例）地层设计（举例）PCB电磁兼容设计缺少连接地层的过孔缺少连接地层的过孔 47地层设计（举例）地层设计（举例）PCB电磁兼容设计可在红色箭头标记的位置加连接地的过孔可在红色箭头标记的位置加连接地的过孔 48关于地层
15、的分割关于地层的分割PCB电磁兼容设计 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布局时将数字电路和模拟电路分开，器件排列尽量紧凑，布分开，器件排列尽量紧凑，布线时避免数字电路的信号跨越线时避免数字电路的信号跨越模拟电路区域，避免模拟电路模拟电路区域，避免模拟电路的信号跨越数字电路区域。两的信号跨越数字电路区域。两个区域隔离足够的距离。个区域隔离足够的距离。数字数字地与模拟地分割，然后在插座地与模拟地分割，然后在插座处单点连接，见左图。这样能处单点连接，见左图。这样能最大限度地抑制数字电路对模最大限度地抑制数字电
16、路对模拟电路的干扰。拟电路的干扰。49关于地层的分割关于地层的分割PCB电磁兼容设计 分割分割 + + 桥接桥接 - - 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50关于地层的分割关于地层的分割(例例)PCB电磁兼容设计 举例举例51关于地层的分割关于地层的分割(例例)PCB电磁兼容设计 举例举例(bad)(bad)52关于地层的分割关于地层的分割PCB电磁兼容设计 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 模拟区模拟区 数字区数字区 53关于地层的分割关于地层的分割(例例)PCB电磁兼容设计 举例举例(bad)(bad)八层板八层板TOPGND1SIG2PWRGND2SIG3GND3BOTTOM54关于地层的分割关于地层的分割(例例)PCB电磁兼容设计 举例举例(bad)(bad)55地线设计地线设计PCB电磁兼容设计对于高频信号尤其是高频时钟信号，连接对于高频信号尤其是高频时钟信号，连接插座上信号针的四周应用
